CN207237880U - 一种流体物料的微混合器件 - Google Patents

Abstract

一种流体物料的微混合器件，由多通道薄壁微孔陶瓷元件、容器外壳、密封件等主要部分组成。两种流体物料分别从所述多通道薄壁微孔陶瓷元件的内部通道和外部空间流入，其中一种物料透过陶瓷薄壁进入另一种物料的空间，并与之发生混合。通过低成本的工艺可生产出所述多通道薄壁微孔陶瓷元件，而且该微孔陶瓷元件的尺寸和形状范围广泛，可方便地制作成微型器件或大型设备，满足不同工艺规模的需要，可应用于化工、制药、食品及环保等众多行业。

Description

一种流体物料的微混合器件

技术领域

本实用新型涉及无机非金属材料、化工、制药、食品及环保等领域，特别涉及一种微混合器件的制造及其在流体混合工艺中的应用。

背景技术

微化工过程也被公认为化学工程学科发展的新的重要领域之一，微型化工器件也逐渐成为其重要成员, 如微混合器、微反应器、微化学分析仪器、微型换热器、微型萃取器、微型泵、微型阀门等。已有的微型化工器件的一些研究结果表明，在微尺度条件下反应转化率、选择性均有明显提高，传热系数比传统设备有很大提高,相间传质效率也较传统设备有极大提高。

流体混合是基本而且重要的工艺过程，广泛应用于化工、制药、食品及环保等众多领域。流体物料的均匀和高效混合对产品质量和生产成本的控制具有重要意义。微混合是实现物料均匀和高效混合的一种重要方式。微混合器一般通过微通道实现, 两股流体分别在两个通道内流动，然后汇合在一起，从而起到混合流体的作用。微通道一般为10 ~ 500mm，微混合设备中一般包括几个甚至几十个微型通道。流体的微混合主要有 2 种形式：（1）微接触, 即不互溶的两相体系如液-液或气-液两相流体在同一微通道或分别在相互接触的两个微通道内流动，形成平行的流体层，通过相界面实现两相的微接触；（2）微混合或微分散，即互溶的两股流体或不互溶的两股流体通过微通道进入微混合或微分散区，实现两股流体的微混合或微分散。

实践表明，微混合过程最主要的几个特点：（1）混合效率高, 停留时间短,能耗低；（2）设备结构简单，无放大效应；（3）操作条件易于控制，化学反应、传质及传热性能好；（4）设备体积小, 内在安全性能好。正是由于这些特点，在十多年来，微混合化工过程的研究和微混合设备的开发得到高度重视，并取得重要进展。

传统的微混合设备需要使用激光雕刻、放电加工及电化学蚀刻等方式，因此设备生产成本高，而且难以制造大型微混合设备，往往只能应用于制药和精细化工等小型混合和反应系统中。随着材料技术和成型工艺的发展，以微孔膜为基础的微混合设备逐渐得到发展。微孔膜具有25%以上的孔隙率，孔径尺寸在纳米至微米范围，因此可以给膜两边的流体提供巨大的混合界面和近似均匀的微观混合。而且大尺寸的微孔膜已经可以大规模生产，因此微混合设备已不再局限于小型和昂贵了。

陶瓷具有强度高、耐化学腐蚀优良、耐生物侵蚀、耐高温和易清洗等优点。以氧化物、碳化物等多孔陶瓷材料为基础的微混合器件在化工、制药、食品及环保等众多行业具有广阔的应用前景。

发明内容

本实用新型的目的在于将一种具有薄壁多通道结构的多孔陶瓷元件应用于微混合器件及设备。通过低成本的工艺可生产出所述多通道薄壁微孔陶瓷元件，而且该微孔陶瓷元件的尺寸和形状范围广泛，可方便地制作成微型器件或大型设备，满足不同工艺规模的需要。所述微混合器件及设备具有生产成本低、运行能耗低、混合效率高、耐化学腐蚀等特点，可广泛应用于化工、制药、食品及环保等众多行业。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种用于流体物流混合的微混合器件，由多通道薄壁微孔陶瓷元件、容器外壳、密封件等主要部分组成。所述陶瓷元件具有薄壁多通道结构，且所述陶瓷元件的薄壁具有让液体和/或气体渗透通过的微孔。

优选的，所述陶瓷元件由包括且不限于氧化铝、碳化硅、石英、堇青石、莫来石等材料中的一种或多种制作而成。

制造所述陶瓷元件的基本步骤包括：

1）混合所述陶瓷原料粉体和烧成助剂制成泥料；

2）将所述泥料挤出成型制成坯体；

3）将所述坯体干燥定型；

4）将干燥的所述坯体烧结成多孔陶瓷。

在挤出成型时，通过模具的作用使所述陶瓷元件坯体形成一定的通道结构和外形。所述通道的截面形状包括且不限于圆形、矩形和正六边形等几何形状。所述陶瓷薄壁的厚度为0.2 ~ 2 mm。所述陶瓷元件的外形可以为包括且不限于平板、圆筒和方筒等几何形状。

多通道结构可使所述陶瓷元件使用较少的陶瓷材料以减少设备重量，同时保证薄壁具有足够的机械强度。例如，氧化铝材质的多通道陶瓷元件在壁厚为0.9 mm时，可经受超过7 bar的气体或液体压力。不仅如此，与厚壁多孔陶瓷元件相比，薄壁使流体通过的阻力减少，在较低的压力下获得更高的通量，可以微动力的方式实现微观均相混合。

所述陶瓷元件的薄壁是通透的多孔陶瓷，孔隙率为25% ~ 85%，孔隙尺寸为0.05 ~20 μm，气体或液体在一定的压力下可从陶瓷薄壁的一侧渗透到另一侧。

为得到合适的多孔结构，需要确定制造所述陶瓷元件的适当原料。陶瓷原料粉体的粒度对所述陶瓷元件的微孔结构具有最重要的影响。陶瓷原料粉体的中位粒度一般为0.1 ~ 70 μm。优选的，所述陶瓷原料粉体的中位粒度为0.2 ~ 40 μm。

本实用新型公开的微混合器件，由所述多通道薄壁微孔陶瓷元件、容器外壳、密封件等主要部分组成，通过容器外壳和密封件把多通道薄壁微孔陶瓷元件的内部孔道和外部分隔成独立的空间。所述微混合器件的特征在于，两种流体物料分别从所述多通道薄壁微孔陶瓷元件的内部通道和外部空间流入，其中一种物料透过陶瓷薄壁进入另一种物料的空间，并与之发生混合。

由于所述陶瓷元件的薄壁上的孔隙率高、孔隙尺寸小，因此从陶瓷薄壁透过的流体物料是以密集、微细尺寸的形态进入到另一流体物料中，与其形成巨大的相界面，从而实现高效率的微观混合。

特别地，根据设备及工艺需要，可以在所述陶瓷元件两侧外壁中的一侧涂覆有机涂料或无机涂料，使所述陶瓷薄壁上的微孔被封闭，避免物料渗透出来。

所述微混合器件可用于液-液、液-气和气-气混合，可用于流体物料的物理混合，也可用于物料的混合反应。

本实用新型的有益效果在于：提出了以一种具有薄壁多通道结构的多孔陶瓷元件制作的微混合器件，这种微混合器件生产方法简单，节省原材料，减小设备容重，运行能耗低，混合效率高，可应用于微型和大型流体物料混合工艺。

附图说明

图1分别是一种平板形的薄壁多通道陶瓷元件示意图；

图2分别是一种圆筒形的薄壁多通道陶瓷元件示意图；

图3分别是一种方筒形的薄壁多通道陶瓷元件示意图；

图4 一种基于平板形多通道陶瓷元件的微混合器件示意图；

图5 一种基于圆筒形多通道陶瓷元件的微混合器件示意图；

其中各部分分别为：容器外壳1、平板形多通道陶瓷元件2、圆筒形多通道陶瓷元件21、密封头3、塑料封接头31、物料一入口4、物料二入口5、塑料封接头51、混合物料出口6。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。

一种用于流体物流混合的微混合器件，由多通道薄壁微孔陶瓷元件、容器外壳、密封件等主要部分组成。所述陶瓷元件具有薄壁多通道结构，且所述陶瓷元件的薄壁具有让液体和/或气体渗透通过的微孔。

图1、图2、图3是三种所述多通道薄壁微孔陶瓷元件的示意图，所述陶瓷元件分别具有平板、圆筒及方筒形式的外形。所述陶瓷元件中有一组平行排列、独立贯通的小尺寸通道。所述通道的截面形状为包括且不限于圆形及矩形等几何形状。截面的尺寸在0.5 ~ 10mm之间。利用挤出成型工艺可以很方便地获得所述陶瓷元件的形状和结构。而且从理论上来说，所述陶瓷元件的长度和截面尺寸仅受限于生产设备的规模。因此，利用简单的工艺可以生产出微型和大型的所述陶瓷元件，相应地，可以制造微型的微混合器件和大型的微混合设备。

要得到具有微混合功能的器件和设备，需要用密封件将所述陶瓷元件与容器外壳组装在一起，把多通道薄壁微孔陶瓷元件的内部孔道和外部分隔成独立的空间，从而使两种流体物料可以分别从所述陶瓷元件的内部通道和外部空间流入。其中一种物料透过陶瓷薄壁进入另一种物料的空间，并与之发生混合。

所述微混合器件可用于液-液、液-气和气-气混合等工艺过程。

具体实施例1

一种基于平板形多通道陶瓷元件的微混合器件，其结构如图2所示。

其中，平板多通道陶瓷元件为多孔氧化铝材料。所述陶瓷元件的制造步骤如下：

1、将4 kg中位粒径为20 μm的氧化铝粉与0.2 kg烧成助剂混合均匀；

2、加入300 g甲基纤维素、150 g甘油、15 g油酸、150 g真空矿物油及900 g水，经过混合、练泥、陈腐等步骤，得到塑性泥料；

3、用挤出机将泥料挤出成平板形多通道坯体；

4、坯体通过微波辐射进行干燥；

5、干燥的坯体以2°C/min的速度升温至400°C保温1 h，再以2°C/min的速度升温至1400°C保温2 h，然后随炉冷却。

烧成的陶瓷产品切割后，得到如图1所示的平板形多通道陶瓷元件2，其长度为400mm，宽度为120 mm，薄壁厚度为0.9 mm，通孔孔径为0.3 μm，气体通量为1200 m³/（m² h×bar）。

用304不锈钢制作长方体形状的外壳1。不锈钢外壳1两端有开口，可将陶瓷元件2镶嵌其中；陶瓷元件2与不锈钢外壳1之间用硅橡胶垫加以密封；陶瓷元件2的一端用密封头3封装，阻止流体物料的流出；陶瓷元件2的另一端为物料二的入口5；外壳1上下各设一个物料口，其中下面的物料口为物料一的入口4，上面的物料口为混合物料的出口6。

本实例之微混合器件在实际应用中，需要与电气设备联合。电气设备包括计量泵、PLC控制系统等。物料一和物料二分别通过计量泵按一定的流量泵入微混合器件中。其中对物料二施加稍高的压力，使物料二从陶瓷元件2的通道中通过多孔薄壁渗透到通道外的物料一中，并与物料一迅速混合。

物料二流动相的压力比物料一流动相的压力大0.1 bar，即可使物料二渗透到物料一中，实现了微动力混合。

具体实施例2

一种基于平板形多通道陶瓷元件的微混合器件，其基本结构类似于具体实例1，只是微混合器件中包括10片平行排列的陶瓷元件2。通过增加陶瓷元件2的数量，可方便地增大微混合设备的物料处理能力。

具体实施例3

一种基于圆筒形多通道陶瓷元件的微混合器件，其基本结构如图3所示。

其中，圆筒形多通道陶瓷元件为多孔碳化硅材料。所述陶瓷元件的制造步骤如下：

1、将中位粒径为12 μm的黑色碳化硅粉4.5 kg与中位粒径为0.5 μm的高岭土0.3kg、中位粒径为0.5 μm的氧化铝粉0.2 kg混合均匀；

2、加入300 g羟丙基甲基纤维素、120 g甘油、15 g油酸、120 g真空矿物油及850 g水，经过混合、练泥、陈腐等步骤，得到塑性泥料；

3、用挤出机将泥料挤出成圆形多通道坯体；

4、坯体在常温干燥24 h后，放入80°C烘箱中干燥8 h；

5、干燥的坯体以2°C/min的速度升温至400°C保温1 h，再以2°C/min的速度升温至1350°C保温2 h，然后随炉冷却。

烧成的陶瓷产品经过切割，得到如图1所示的圆筒形多通道陶瓷元件，其长度为200 mm，直径为40 mm，薄壁厚度为1 mm。分离膜的孔径为0.7μm，气体通量为2700 m³/（m² h×bar）。

在该圆筒形陶瓷元件21的外壁涂覆环氧树脂涂料，将外壁的微孔封闭以阻止流体渗出。之后，将该陶瓷元件21用塑料封接头31和塑料封接头51封装，使圆筒的中间成为物料一的流通通道，而物料二从入口5进入陶瓷元件21内的狭长平行通道，并透过陶瓷元件21内壁进入物料一的流通通道中。

以上结合具体实施例描述了本实用新型的技术原理。这些描述只是为了解释本实用新型的原理，而不能以任何方式解释为对本实用新型保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本实用新型的其它具体实施方式，这些方式都将落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种流体物料的微混合器件，其特征在于，所述微混合器件由多通道薄壁微孔陶瓷元件、容器外壳、密封件组成，通过容器外壳和密封件把多通道薄壁微孔陶瓷元件的内部孔道和外部分隔成独立的空间，陶瓷元件内部通道和外部空间在宏观上没有连通，只通过陶瓷元件的薄壁中的微孔实现连通。

2.根据权利要求1所述的微混合器件，其特征在于，所述陶瓷元件的多通道是通过挤出成型的方式形成的相互平行的狭长通道；通道的截面为圆形、矩形或正六边形。

3.根据权利要求1所述的微混合器件，其特征在于，所述多通道薄壁微孔陶瓷元件的材质为氧化铝、碳化硅、石英、堇青石、莫来石或陶瓷。

4.权利要求1所述的微混合器件，其特征在于，所述多通道薄壁微孔陶瓷元件的陶瓷薄壁厚度为0.2~2mm。

5.根据权利要求4所述的微混合器件，其特征在于，所述陶瓷薄壁是通透的多孔陶瓷，孔隙率为25%~85%，孔隙尺寸为0.05~20μm。

6.根据权利要求1所述的微混合器件，其特征在于，所述多通道薄壁微孔陶瓷元件的两侧外壁中的一侧涂覆有机涂料或无机涂料。