CN208517487U - 一种3d打印的微流体萃取扩大反应器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种3D打印的微流体萃取扩大反应器，属于微流体萃取技术领域。本3D打印的微流体萃取扩大反应器，包括水相入口、油相入口、混合液汇集腔Ⅰ、液滴切割筛板、混合液汇集腔隔板、混合液汇集腔Ⅱ、混合反应微通道、混合液汇集腔Ⅲ和混合液出口。本3D打印的微流体萃取扩大反应器的应用，包括单相或多相反应微流体萃取，包括气液反应、液液反应。本3D打印的微流体萃取扩大反应器油水两相分离迅速，萃取反应时间短，不会出现乳化现象。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种3D打印的微流体萃取扩大反应器，属于微流体萃取技术领域。
背景技术
在过去的20年里，微流体技术作为一个新的概念在化学工程领域展现出了其重大的优势，目前，微反应器在较广的领域内得到了快速发展和应用。利用微反应器虽然并不能改变反应机理和本征动力学特征，然而两相流体在处于微米级别甚至更小的尺寸时，它们的界面与体积比会急剧升高，元素的浓度梯度很大，致使传质推动力大大提高。传统的工业萃取过程需要在很强的搅拌作用下来增强两相间的传质效果，这样会形成大量油包水和水包油的情况，造成局部的传质效率比较低，单级萃取效率普遍偏低等结果。在工业应用上传统萃取过程有很多亟待改善的关键问题，而高效、安全、密封的萃取装置的开发是解决这些问题的关键：
a.共萃严重，分离系数低
在强力搅拌的混合条件下，主金属离子和杂质金属离子的共萃现象严重存在，萃取的选择性差，导致萃取之后还需多级洗涤和反萃。如工业上比较典型的用P204萃取分离溶液中的铟和铁，虽然能够保证铟的高萃取率，但铁也会大量进入有机相，单级萃取分离效果并不高，故整个体系的萃取级数经常多达10级以上。这极大地增加了投资成本。
b.萃取剂消耗大，利用率低
传统工业中由于进行萃取、反萃工序时，两相的接触时间相对较长，在混合澄清槽中，萃取剂会大面积的与空气接触，这样会造成萃取体系受环境温度的影响，萃取剂挥发严重，搅拌过程中的剪切力也可能会破坏萃取剂分子结构和引起升温等问题，造成不必要的浪费。
c.易乳化，影响工序稳定进行
界面乳化现象是溶剂萃取过程中普遍存在的难题之一，不仅会严重影响萃取工序的稳定运行，而且会给生产企业带来了一定的经济损失。在多相溶液体系下，现有工业上常用萃取方法的高能混合使得萃取过程十分迅速与充分，但在相分离时，由于稳定性粒子（如颗粒胶体）吸附在乳化液颗粒的界面上成为稳定的保护层，使得两相液滴聚结速率变十分缓慢甚至是完全停止，然而从界面上移开一个颗粒所需要的能量是很大的，这便是破乳困难和需要输入大量能量的根本原因。
d.存在火灾隐患
工业上为了扩大处理量，需要建立体积较大的搅拌槽和澄清池，整个萃取过程要占据很大的地方，由于萃取的过程时间较长，且有机相大面积的暴露在空气中，故存在较大的火灾隐患。近年来我国大型冶炼厂发生过多起萃取车间失火的事件。
在微流体萃取的科研领域，一些特征尺寸极其微小的微通道芯片常用于研究微流体萃取效果的相关条件参数，这些芯片虽然能够获得很高的单级萃取效率，但由于其极低的处理量，且微流体芯片的加工成本较高，将其应用在工业生产上是很不现实的。
所以，在当今常规萃取存在这些局限性问题的条件下，提供一种安全、高效、低耗的萃取装置在目前的形势下显得尤为关键。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题及不足，本实用新型提供一种3D打印的微流体萃取扩大反应器。本3D打印的微流体萃取扩大反应器油水两相分离迅速，萃取反应时间短，不会出现乳化现象。本实用新型通过以下技术方案实现。
一种3D打印的微流体萃取扩大反应器，包括水相入口、油相入口、混合液汇集腔Ⅰ、液滴切割筛板、混合液汇集腔隔板、混合液汇集腔Ⅱ、混合反应微通道、混合液汇集腔Ⅲ和混合液出口，微流体萃取扩大反应器一侧内部设有与水相入口相通的混合液汇集腔Ⅰ和与油相入口相通的油相室，混合液汇集腔Ⅰ底部设有一块液滴切割筛板且混合液汇集腔Ⅰ底部通过液滴切割筛板与油相室相通，混合液汇集腔Ⅰ侧部通过带筛孔的混合液汇集腔隔板后到达混合液汇集腔Ⅱ中，混合液汇集腔Ⅱ出口连通混合反应微通道，混合反应微通道出口连通混合液汇集腔Ⅲ，混合液汇集腔Ⅲ侧部设有混合液出口，混合液出口位于微流体萃取扩大反应器侧部端面上。
所述水相入口、油相入口和混合液出口内径为0.6mm～6mm，便于配合相应的毛细管和软管。
所述液滴切割筛板厚度为0.5mm～3mm，液滴切割筛板上设有若干筛孔，筛孔直径为0.1mm～2.0mm，能够把液滴切割成微小的液滴高效扩大使两相接触的比表面积。
所述液滴切割筛板中若干筛孔的总面积为筛板面积的1/3以下，能够把液滴切割成微小的液滴从而高效扩大两相混合时接触面积，并且能保证油相液滴会在一定的压力下通过筛板，形成喷射的趋势与水相相碰撞，可以提高传质效果。
所述混合液汇集腔隔板上筛孔直径为0.1mm～2.0mm。
所述混合反应微通道为若干段首尾相连的混合微通道，混合微通道横截面形状为圆形，横截面直径为0.1mm～2.0mm，每段混合微通道的长度为35mm～480mm。
所述混合反应微通道为10～200段混合微通道。
所述混合反应微通道若干段首尾相连的混合微通道能组成S波浪形、Z字型、∞∞型或锯齿形。
一种3D打印的微流体萃取扩大反应器的应用，包括单相或多相反应微流体萃取，包括气液反应、液液反应。
上述混合反应微通道7前后都有混合液汇集腔，汇集腔室的容积足够小，形状合理，以至于在低流速下两不相溶的流体也不会形成明显的分相趋势。
上述3D打印的微流体萃取扩大反应器模型由三维画图软件（SolidWorks）设计，并由3D打印机制备，其材料为树脂材料，以达到耐腐蚀的条件，适应各种高腐蚀的萃取环境。
该3D打印的微流体萃取扩大反应器的工作原理为：
如图7所示，上述3D打印的微流体萃取扩大反应器的应用装置，包括流量泵Ⅰ、流量泵Ⅱ、微流体萃取扩大反应器和分相装置，水相原液通过流量泵Ⅰ管道连接微流体萃取扩大反应器中的水相入口，油相原液通过流量泵Ⅱ管道连接微流体萃取扩大反应器中的油相入口，油相通过液滴切割筛板进入到混合液汇集腔Ⅰ中，水相也进入到混合液汇集腔Ⅰ中与油相混合得到混合液，混合液通过带筛孔的混合液汇集腔隔板被二次切割后进入萃取混合液汇集腔Ⅱ中；然后进入到混合反应微通道中，最后进入到混合液汇集腔Ⅲ，从混合液出口流出到分相装置中进行分相得到萃余液和负载有机相。完成一次单级萃取分离。
本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型通过3D打印技术增加功能单元的通道数目从而实现扩大萃取处理量的目的，与此同时通过微流体技术的优越性使两相传质距离减小，极大地增加了两相的反应接触面积，使得萃取平衡的时间大大缩短，显著提高了萃取效率。
2、油水两相分离迅速，萃取反应时间短，不会出现乳化现象。
3、通过实验表明，在多种体系下，单级萃取效率高于97%，且对主金属选择性强，更有利于分离。
4、装置通过设计将入口、筛板、混合微通道、出口等多个元件巧妙地组合在一起，占用空间极小，且避免了萃取剂与空气接触，安全性高。
附图说明
图1是本实用新型微流体萃取扩大反应器轴测图；
图2是本实用新型微流体萃取扩大反应器正视图；
图3是本实用新型微流体萃取扩大反应器A-A面剖视轴测图；
图4是本实用新型微流体萃取扩大反应器A-A面剖视图；
图5是本实用新型微流体萃取扩大反应器B-B面剖视轴测图；
图6是本实用新型微流体萃取扩大反应器B-B面剖视图；
图7是本实用新型微流体萃取扩大反应器应用过程中的装置连接图；
图8是本实用新型微流体萃取扩大反应器实施例1实际应用过程中装置连接图；
图9是本实用新型微流体萃取扩大反应器实物图A；
图10是本实用新型微流体萃取扩大反应器实物图B。
图中：1-水相入口，2-油相入口，3-混合液汇集腔Ⅰ，4-液滴切割筛板，5-混合液汇集腔隔板，6-混合液汇集腔Ⅱ，7-混合反应微通道，8-混合液汇集腔Ⅲ，9-混合液出口，10-水相原液，11-油相原液，12-流量泵Ⅰ，13-流量泵Ⅱ，14-微流体萃取扩大反应器，15-分相装置，16-萃余液，17-负载有机相。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型作进一步说明。
实施例1
如图1至6以及9和10所示，该3D打印的微流体萃取扩大反应器，包括水相入口1、油相入口2、混合液汇集腔Ⅰ3、液滴切割筛板4、混合液汇集腔隔板5、混合液汇集腔Ⅱ6、混合反应微通道7、混合液汇集腔Ⅲ8和混合液出口9，微流体萃取扩大反应器一侧内部设有与水相入口1相通的混合液汇集腔Ⅰ3和与油相入口2相通的油相室，混合液汇集腔Ⅰ3底部设有一块液滴切割筛板4且混合液汇集腔Ⅰ3底部通过液滴切割筛板4与油相室相通，混合液汇集腔Ⅰ3侧部通过带筛孔的混合液汇集腔隔板5后到达混合液汇集腔Ⅱ6中，混合液汇集腔Ⅱ6出口连通混合反应微通道7，混合反应微通道7出口连通混合液汇集腔Ⅲ8，混合液汇集腔Ⅲ8侧部设有混合液出口9，混合液出口9位于微流体萃取扩大反应器侧部端面上。
其中水相入口1、油相入口2和混合液出口9内径为2mm，外径为4mm，便于配合相应的毛细管和软管；液滴切割筛板4厚度为0.5mm，液滴切割筛板4上设有若干筛孔，筛孔直径为0.8mm；液滴切割筛板4中若干筛孔的总面积为筛板面积的1/3，这样能保证油相液滴会在一定的压力下通过筛板，形成喷射的趋势与水相相碰撞，可以提高传质效果；混合液汇集腔隔板5上筛孔直径为1.0mm；混合反应微通道7为42段首尾相连的混合微通道，混合微通道横截面形状为圆形，横截面直径为0.8mm，每段混合微通道的长度为35～45mm；混合反应微通道7是42段首尾相连的混合微通组成Z字型。
如图7和8所示，该3D打印的微流体萃取扩大反应器应用在萃取分离回收贵金属：
将某工厂贵金属的原溶液（含铂0.174wt%、钯3.361wt%、铑3.123wt%的盐酸体系溶液）作为水相原液11，用溶剂油稀释过的TBP（磷酸三丁酯与溶剂油的体积比为1：4）作为油相原液11，分别通过最大流量为300ml/min的流量泵Ⅰ12、流量泵Ⅱ13（设置流量均为153.7ml/min）泵入到微流体萃取扩大反应器14中的水相入口1和油相入口2中混合，停留0.42s然后萃取混合液从混合液出口9流出后经分相装置15分相，检测得钯的萃取率为99.61%，铂的萃取率为78.16%，铑基本不被萃取；整个萃取过程反应高效进行，体系无乳化现象产生，铂、钯被萃取进入负载有机相17中。
将实施例1中的3D打印的微流体萃取扩大反应器也可以应用在萃取回收铟分离铁过程。
如图7所示，该3D打印的微流体萃取扩大反应器应用在萃取回收铟分离铁：
将含铟2.32g/L、铁1.42g/L的硫酸体系溶液（用H2SO4溶液将水相溶液的pH值调节至0.5）作为水相原液11，用260#溶剂油稀释的D2EHPA（磷酸二辛酯）（260#溶剂油与D2EHPA的体积比为7：3）作为油相原液11，分别通过最大流量为100ml/min的流量泵Ⅰ12、流量泵Ⅱ13（设置流量均为0.6ml/min）泵入到微流体萃取扩大反应器14中的水相入口1和油相入口2中混合，停留210s然后萃取混合液从混合液出口9流出后经分相装置15分相，检测得铟离子的萃取率为97.41%，铁离子的萃取率为1.41%，分离系数达到2636；整个萃取过程反应温和，体系无乳化现象产生，铟离子被萃取进入负载有机相17，而铁离子几乎不被萃取。
实施例2
如图1至6以及9和10所示，该3D打印的微流体萃取扩大反应器，包括水相入口1、油相入口2、混合液汇集腔Ⅰ3、液滴切割筛板4、混合液汇集腔隔板5、混合液汇集腔Ⅱ6、混合反应微通道7、混合液汇集腔Ⅲ8和混合液出口9，微流体萃取扩大反应器一侧内部设有与水相入口1相通的混合液汇集腔Ⅰ3和与油相入口2相通的油相室，混合液汇集腔Ⅰ3底部设有一块液滴切割筛板4且混合液汇集腔Ⅰ3底部通过液滴切割筛板4与油相室相通，混合液汇集腔Ⅰ3侧部通过带筛孔的混合液汇集腔隔板5后到达混合液汇集腔Ⅱ6中，混合液汇集腔Ⅱ6出口连通混合反应微通道7，混合反应微通道7出口连通混合液汇集腔Ⅲ8，混合液汇集腔Ⅲ8侧部设有混合液出口9，混合液出口9位于微流体萃取扩大反应器侧部端面上。
其中水相入口1、油相入口2和混合液出口9内径为0.6mm，便于配合相应的毛细管和软管；液滴切割筛板4厚度为2mm，液滴切割筛板4上设有若干筛孔，筛孔直径为0.1mm，能够把液滴切割成微小的液滴高效扩大使两相接触的比表面积；液滴切割筛板4中若干筛孔的总面积为筛板面积的1/3，能够把液滴切割成微小的液滴高效扩大使两相接触的比表面积，这样能保证油相液滴会在一定的压力下通过筛板，形成喷射的趋势与水相相碰撞，可以提高传质效果；混合液汇集腔隔板5上筛孔直径为0.1mm；混合反应微通道7为10段首尾相连的混合微通道，混合微通道横截面形状为圆形，横截面直径为0.1mm，每段混合微通道的长度为100～120mm；混合反应微通道7中10段首尾相连的混合微通组成Z字型。
实施例3
如图1至6以及9和10所示，该3D打印的微流体萃取扩大反应器，包括水相入口1、油相入口2、混合液汇集腔Ⅰ3、液滴切割筛板4、混合液汇集腔隔板5、混合液汇集腔Ⅱ6、混合反应微通道7、混合液汇集腔Ⅲ8和混合液出口9，微流体萃取扩大反应器一侧内部设有与水相入口1相通的混合液汇集腔Ⅰ3和与油相入口2相通的油相室，混合液汇集腔Ⅰ3底部设有一块液滴切割筛板4且混合液汇集腔Ⅰ3底部通过液滴切割筛板4与油相室相通，混合液汇集腔Ⅰ3侧部通过带筛孔的混合液汇集腔隔板5后到达混合液汇集腔Ⅱ6中，混合液汇集腔Ⅱ6出口连通混合反应微通道7，混合反应微通道7出口连通混合液汇集腔Ⅲ8，混合液汇集腔Ⅲ8侧部设有混合液出口9，混合液出口9位于微流体萃取扩大反应器侧部端面上。
其中水相入口1、油相入口2和混合液出口9内径为6mm，便于配合相应的毛细管和软管；液滴切割筛板4厚度为3mm，液滴切割筛板4上设有若干筛孔，筛孔直径为2.0mm，能够把液滴切割成微小的液滴高效扩大使两相接触的比表面积；液滴切割筛板4中若干筛孔的总面积为筛板面积的1/5，能够把液滴切割成微小的液滴高效扩大使两相接触的比表面积，这样能保证油相液滴会在一定的压力下通过筛板，形成喷射的趋势与水相相碰撞，可以提高传质效果；混合液汇集腔隔板5上筛孔直径为2.0mm；混合反应微通道7为200段首尾相连的混合微通道，混合微通道横截面形状为圆形，横截面直径为2.0mm，每段混合微通道的长度为460～480mm；混合反应微通道7中200段首尾相连的混合微通组成S波浪形。
该3D打印的微流体萃取扩大反应器的工作时，如图7所示，上述3D打印的微流体萃取扩大反应器的应用装置，包括流量泵Ⅰ12、流量泵Ⅱ13、微流体萃取扩大反应器14和分相装置15，水相原液11通过流量泵Ⅰ12管道连接微流体萃取扩大反应器14中的水相入口1，油相原液11通过流量泵Ⅱ13管道连接微流体萃取扩大反应器14中的油相入口2，油相通过液滴切割筛板4进入到混合液汇集腔Ⅰ3中，水相也进入到混合液汇集腔Ⅰ3中与油相混合得到混合液，混合液通过带筛孔的混合液汇集腔隔板5被二次切割后进入萃取混合液汇集腔Ⅱ6中；然后进入到混合反应微通道7中，最后进入到混合液汇集腔Ⅲ8，从混合液出口9流出到分相装置15中进行分相得到萃余液16和负载有机相17。完成一次单级萃取分离。
以上结合附图对本实用新型的具体实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (8)
1.一种3D打印的微流体萃取扩大反应器，其特征在于：包括水相入口（1）、油相入口（2）、混合液汇集腔Ⅰ（3）、液滴切割筛板（4）、混合液汇集腔隔板（5）、混合液汇集腔Ⅱ（6）、混合反应微通道（7）、混合液汇集腔Ⅲ（8）和混合液出口（9），微流体萃取扩大反应器一侧内部设有与水相入口（1）相通的混合液汇集腔Ⅰ（3）和与油相入口（2）相通的油相室，混合液汇集腔Ⅰ（3）底部设有一块液滴切割筛板（4）且混合液汇集腔Ⅰ（3）底部通过液滴切割筛板（4）与油相室相通，混合液汇集腔Ⅰ（3）侧部通过带筛孔的混合液汇集腔隔板（5）后到达混合液汇集腔Ⅱ（6）中，混合液汇集腔Ⅱ（6）出口连通混合反应微通道（7），混合反应微通道（7）出口连通混合液汇集腔Ⅲ（8），混合液汇集腔Ⅲ（8）侧部设有混合液出口（9），混合液出口（9）位于微流体萃取扩大反应器侧部端面上。
2.根据权利要求1所述的3D打印的微流体萃取扩大反应器，其特征在于：所述水相入口（1）、油相入口（2）和混合液出口（9）内径为0.6mm～6mm。
3.根据权利要求1所述的3D打印的微流体萃取扩大反应器，其特征在于：所述液滴切割筛板（4）厚度为0.5mm～3mm，液滴切割筛板（4）上设有若干筛孔，筛孔直径为0.1mm～2.0mm。
4.根据权利要求3所述的3D打印的微流体萃取扩大反应器，其特征在于：所述液滴切割筛板（4）中若干筛孔的总面积为筛板面积的1/3以下。
5.根据权利要求1所述的3D打印的微流体萃取扩大反应器，其特征在于：所述混合液汇集腔隔板（5）上筛孔直径为0.1mm～2.0mm。
6.根据权利要求1所述的3D打印的微流体萃取扩大反应器，其特征在于：所述混合反应微通道（7）为若干段首尾相连的混合微通道，混合微通道横截面形状为圆形，横截面直径为0.1mm～2.0mm，每段混合微通道的长度为35mm～480mm。
7.根据权利要求6所述的3D打印的微流体萃取扩大反应器，其特征在于：所述混合反应微通道（7）为10～200段混合微通道。
8.根据权利要求7所述的3D打印的微流体萃取扩大反应器，其特征在于：所述混合反应微通道（7）若干段首尾相连的混合微通道能组成S波浪形、Z字型、∞∞型或锯齿形。
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Cited By (2)
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| CN108486364A (zh) * | 2018-05-31 | 2018-09-04 | 昆明理工大学 | 一种3d打印的微流体萃取扩大反应器及其应用 |
| CN115025734A (zh) * | 2022-08-15 | 2022-09-09 | 南通劲海生物医药有限公司 | 一种避免堵塞的连续流微通道反应器 |
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