微通道套管式裝置及其應用的製作方法
2023-10-18 06:34:29 1
專利名稱：微通道套管式裝置及其應用的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種強化混合、傳質、傳熱與反應的裝置。具體而言， 涉及一種強化混合、傳質、傳熱與反應的微通道套管式裝置。更具體 而言，涉及一種適用於液一液沉澱法製備具有納、微米結構的無機、 有機或藥物顆粒的微觀混合與反應裝置。
背景技術：
納、微米結構的顆粒如金屬氧化物、有機化合物、無機化合物、 藥物顆粒在微電子、信息、航天、化工、機械、汽車、藥物等諸多領 域都有著巨大的應用。納、微米結構顆粒的製備方法分為物理法和化 學法，無論是物理法還是化學法，其中沉澱法最為常用。然而常規的 沉澱法通常採用攪拌釜作為反應器或沉澱設備，由於攪拌釜本身的特 點，很難保證反應物物料之間快速的混合、傳質和傳熱，因此導致沉 澱後生成的顆粒大小不均，沉澱或反應的時間過長，生產效率不高。 究其原因，主要是反應器或沉澱設備內微觀混合不均所致。
針對攪拌釜上述問題的缺陷，為了強化沉澱法中涉及的混合和傳
質，陳建峰等人借鑑Ramshaw等人發明的採用旋轉填充床用於提高氣 —液傳質效率的一種工藝(US. Pat. No. 4283255)，通過採用並改進 旋轉填充床(也稱為超重力反應器，中國專利號ZL95215430.7)作為 反應器，發明了 一種製備超細碳酸鈣的方法(中國專利號 ZL95105343.4)。該方法縮短了碳化反應時間，並使顆粒納米化，粒 徑可以控制在10 40nm之間，粒徑分布均勻。然而，由於超重力反 應器中轉子多採用填料層的形式，對於高粘度物料及沉澱、結晶過程， 運行過程會出現堵塞狀況，需要經常清洗，不利於連續操作。
因此有必要提供一種強化液一液微觀混合與反應，可連續製備具 有納、微米結構的無機、有機或藥物顆粒的裝置。
發明內容
本發明的第一目的是提供一種強化混合、傳質、傳熱及反應的微通 道套管式裝置。
在所述第一目的的一個實施方案中，微通道套管式裝置包括第一
進液管、第二進液管、內噴嘴、外噴嘴、控溫夾套和收集器；其中， 內噴嘴由內噴嘴流體通道和內噴嘴芯構成，內噴嘴為承載原料液體物 流的第一微通道；外噴嘴由外噴嘴流體通道和外噴嘴芯構成，外噴嘴 為承載原料液體物流的第二微通道；外噴嘴的噴嘴芯配合併環繞內噴 嘴的噴嘴芯，內、外噴嘴形成套管式結構；控溫夾套設置在外噴嘴的 外面，用於控制整個裝置和兩股物流混合前、後的溫度；裝置下端設 一收集器，兩股不同液體物流的其中一股通過第一進液管、內噴嘴流 體通道和內噴嘴芯，另外一股液體物流通過第二進液管、外噴嘴流體 通道和外噴嘴芯，快速微觀混合，混合後的物流被收集器捕集、緩衝 和進一步混合。
在所述第一目的的一個實施方案中，內噴嘴芯的通道為孔，該孔 為圓形孔、正方形孔或正三角形孔中的一種孔，內噴嘴芯通道孔的直 徑或邊長一般為0.01 5mm，外噴嘴芯環繞內噴嘴芯的間隙尺寸為 0.01 5mm。
通過所述內、外噴嘴芯出口處的流體流速一般為0.01 50m/s，流 體體積流量為0.01 500 L/min，雷諾數為1000 100 000。
在所述第一目的的一個優選實施方案中，收集器為環形錐管結構。
所述控溫夾套中的介質根據具體過程的要求進行選擇即可。 本發明的第二目的是提供一種可以連續操作的具有強化混合、傳
質、與傳熱及反應的微通道套管式裝置。
在所述第二目的的一個實施方案中，在實現第一目的裝置基礎
上，進一步設置有機械探針，有效預防或清除噴嘴芯上的顆粒物，以
保證裝置中的微通道一直暢通，從而連續製備納微米結構顆粒的目的。
在所述第二目的的一個更詳細的實施方案中，裝置中機械探針為 空心結構，該探針通過氮氣定時在高壓作用下擠壓噴嘴芯的微通道， 有效預防或清除噴嘴芯上的顆粒物，避免噴嘴芯的堵塞。在所述第二目的的一個更詳細的實施方案中，裝置中機械探針為實心結構，此時 該探針通過定時向下探伸穿過噴嘴芯來達到疏通噴嘴芯的目的。無論 是空心結構還是實心結構，機械探針清空噴嘴芯的速度根據需要而
定，通常為1 200次/min。
所述機械探針的工作原理是對於實心結構機械探針，在機械探 針頂端控制部分為一彈簧裝置，該彈簧裝置聯接有一氣體通道，氣體 通道聯接一氣體閥門，閥門另一端聯接高壓氮氣，該閥門由計算機程 序控制可以定時開啟和關閉，同時開啟時間和關閉時間也可以由程序 自動控制。 一旦程序設定，接通電源，當氣體閥門開啟時，機械探針 由於壓力作用可以向下探伸、疏通噴嘴芯，避免和清除噴嘴芯上的顆 粒，當氣體闊門關閉時，由於氣體壓力恢復常壓，機械探針因為彈簧 作用恢復原狀。這樣，機械探針就可以定時疏通噴嘴芯來達到整個裝 置連續運行的目的。對於空心結構的機械探針，空心的探針頂端聯接
一氣體閥門，閥門另一端聯接高壓氮氣，該閥門由電腦程式控制可 以定時開啟和關閉，同時開啟時間和關閉時間也可以由程序自動控 制。 一旦程序設定，接通電源，當氣體閥門開啟時，高壓氮氣在瞬間 迅速擠壓噴嘴芯，避免和清除噴嘴芯上的顆粒，達到定時疏通噴嘴， 實現整個裝置連續運行。在所述第二目的的一個實施方案中，在環形 錐管收集器末端外置超聲探頭，進一步避免和分散收集器中顆粒凝並 形成的團聚體。
在所述第一目的或第二目的的一個實施方案中，對收集器中匯集 的物流進行進一步的後處理操作，得到具有納、微米結構顆粒的粉體 產品。所述後處理操作包括但不限於過濾和乾燥。
本發明的第三目的涉及一種用於操作微通道套管式裝置的方法。
本發明的第四目的是提出一種連續製備納、微米結構無機、有機 或藥物顆粒的方法。
本發明提供的微通道管式微觀混合與反應裝置的優點表現在用 微通道套管式裝置替代攪拌釜等設備，有效地強化了液一液微觀混合 及後續反應，使沉澱反應生成的顆粒大小均勻；特別是進一步設置機 械探針預防或清除噴嘴芯上顆粒物以保證微通道一直暢通，設置超聲 探頭進一步避免和分散顆粒凝並形成的團聚體，從而實現連續化生 產。
圖1所示為實現本發明第二目的的優選的微通道套管式裝置的縱 剖面結構示意圖。
圖2所示為實現本發明第二目的的具有多重微通道套管式裝置的 縱剖面結構示意圖。
圖中數字標識的含義為l.機械探針控制部分，2.第一進液管，
3.第二進液管，4.內噴嘴通道，5.外噴嘴通道，6.控溫夾套，7.夾套介 質入口， 8.機械探針，9.內噴嘴芯，IO.外噴嘴芯，ll.環形錐管收集器， 12.夾套介質出口， 13.超聲探頭。
具體實施例方式
在下面描述和圖解本發明的示例性實施方案。該方案已包括在微 通道套管式裝置及其使用方法中，更具體地，已包括在用於連續製備 納微米結構無機、有機或藥物顆粒的方法中。當然，對於本領域普通 技術人員來說顯而易見的是，下面討論的優選實施方案在本質上是示 例性的，並且可以在沒有偏離本發明的範圍和精神的情況下被改變。 但是，為了清楚和準確，下面討論的所述示例性實施方案可以包括任 選的步驟、方法和特徵，本領域普通技術人員將可以認識到，這些任 選的步驟、方法和特徵不是落在本發明範圍內的必要條件。
本發明中微通道套管式裝置以及涉及到的製備納、微米結構顆粒 的方法是基於本發明人在該領域的理論和實驗結果而來。
對於液相沉澱法製備納、微米結構顆粒而言，納、微米結構顆粒 的形成過程，首先是一個相變過程，也包括成核和生長兩個階段。當 兩種能快速形成沉澱的溶液相遇時，在兩種新鮮溶液的界面處，將伴 隨擴散和相變的發生。當生成的新相濃度超過臨界成核濃度時，將迅 速形成大量新核；同時成核導致形成新相的物質的濃度迅速下降，這 時的濃度不足以繼續形成新核，而只能維持已有核的生長。因此要想 通過液一液沉澱法製備納、微米結構顆粒，就要保證液—液相在混合 瞬間提供儘可能多的新鮮溶液相界面，這樣生成的原生核總數目就越 多，提供給核繼續生長的濃度就低，也為縮短顆粒生長時間、減小粒 徑提供條件。而這一要求可以通過強化微觀混合和傳質來得以實現。 本發明正是以上述理論和原理為依據的。下面參照附圖1和圖2進行詳細描述。
具體操作時，液體物流a從第一進液管2快速進入內噴嘴通道4， 然後在內噴嘴芯9處流體a由於通道進一步變小而流速加快。液體物 流b從第二進液管3快速進入外噴嘴通道5，在外噴嘴芯10處流體b 由於通道進一步變小而流速加快。兩股流體在噴嘴芯出口處並流形成 高速微液流，撞擊而迅速微觀混合併沉澱，最後匯流於環形錐管收集 器11再流出。
前述具體實施方式
中，內噴嘴芯9的通道孔的形狀可以有多種變 化，包括但不限於圓形孔、正方形孔或正三角形孔。若為圓形孔，則 孔的直徑大小範圍為0.01 5mm;若孔為正方形孔，則孔的邊長大小 範圍為0.01 5mm;若孔為正三角孔，則孔的邊長大小範圍為0.01 5mm。而外噴嘴芯微通道的形狀配合併環繞內噴嘴芯，其間隙尺寸範 圍為0.01 5mm。外噴嘴的噴嘴芯配合內噴嘴的噴嘴芯，保持從內噴 嘴芯出來的流體與外噴嘴芯出來的流體快速微觀混合後形成的物流 不改變第一微通道的原料液體物流主方向所形成的混合區。
為達到快速微觀混合的目的，兩股流體在內噴嘴芯9和外噴嘴芯 10出口處的流速(v)範圍為0.01 50m/s，體積流量(g)範圍為0.01 500 L/min，雷諾數(Re)範圍為1000 100 000。這裡Re二Pv丄/"， 其中P、 ^和v分別為流體的密度、粘度和流速，流體流速，丄為微 通道孔的直徑或當量直徑。
為有效預防或清除噴嘴芯上因混合和沉澱而生成的顆粒物堵塞 噴嘴芯，從而保證微通道套管式裝置的連續正常運行，裝置設置有機 械探針8。
機械探針可以是實心結構，也可以是空心結構。若為空心結構， 維持噴嘴芯連續正常運行是通過氮氣定時在高壓作用下擠壓噴嘴芯 的微通道來達到的。若為實心結構，則機械探針8是通過定時向下探 伸穿過噴嘴芯來達到疏通噴嘴芯的目的。無論是空心結構還是實心結 構，機械探針8清空噴嘴芯的速度為1 200次/min。
為使自內、外噴嘴芯出來的液流混合後沉澱生成的顆粒不發生或 少發生團聚，在環形錐管收集器11末端外置超聲探頭13，來對其捕 集到的懸浮液進行分散和抗團聚。
在其中的一個實施方案中，參見圖2，多個微通道套管式裝置也
8可以並聯在一起，以便應對裝置在放大和工業實施中，流體a和流體 b獲得相同的微觀混合效果和實現產品的工業化生產。
在其中的一個實施方案中，本發明中的溶液a和溶液b是混合後 發生反應產生沉澱的溶液。
其中，溶液a可以是金屬鹽溶液，溶液b為沉澱劑溶液。
金屬鹽溶液a可以是金屬的乙酸鹽、氯鹽、硝酸鹽、磷酸鹽、硫 酸鹽或碳酸鹽，或者上述多種金屬鹽的混合物。
沉澱劑溶液b可以是鹼溶液，比如氫氧化鈉、氫氧化鉀或氫氧化 銨等無機鹼溶液，或者四甲基氫氧化銨等有機鹼溶液，或者上述多種 鹼溶液的混合物。
在其中的一個更具體的實施方案中，溶液a為BaCl2和TiCU混合 溶液，溶液b為NaOH溶液。其中溶液a中Ba/Ti摩爾比為1.05， Ti4+ 粒子在溶液a中濃度為0.5 mol/L。溶液b中Off的濃度為3.0 mol/L。 溶液a和溶液b進入各自進液管的體積流量比為1:1，體積流量均為 20L/h，流速均為2m/s。反應溫度通過控溫夾套6控制在90°C。匯流 於環形錐管收集器11再流出的懸浮液經過濾、乾燥後得到BaTK)3納 米顆粒的粉體產品。鈦酸鋇顆粒的粒徑經TEM測試為30士10nm。
權利要求
1、一種微通道套管式裝置，其特徵是，該裝置包括第一進液管、第二進液管、內噴嘴、外噴嘴、控溫夾套和收集器；其中，內噴嘴由內噴嘴流體通道和內噴嘴芯構成，內噴嘴為承載原料液體物流的第一微通道；外噴嘴由外噴嘴流體通道和外噴嘴芯構成，外噴嘴為承載原料液體物流的第二微通道；外噴嘴的噴嘴芯配合併環繞內噴嘴的噴嘴芯，內、外噴嘴形成套管式結構；控溫夾套設置在外噴嘴的外面，用於控制整個裝置和兩股物流混合前、後的溫度；裝置下端設有一收集器，兩股不同液體物流的其中一股通過第一進液管、內噴嘴流體通道和內噴嘴芯，另外一股液體物流通過第二進液管、外噴嘴流體通道和外噴嘴芯，快速微觀混合，混合後的物流被收集器捕集、緩衝和進一步混合。
2、 根據權利要求1所述的微通道套管式裝置，其特徵是，所述 內噴嘴芯的通道為圓形孔、正方形孔或正三角形孔，內噴嘴芯通道孔 的直徑或邊長為0.01 5mm，外噴嘴芯環繞內噴嘴芯的間隙尺寸為 0.01 5mm。
3、 根據權利要求1所述的微通道套管式裝置，其特徵是，通過 所述內、外噴嘴芯出口處的流體流速為0.01 50m/s，體積流量為 0.01 500 L/min，雷諾數為1000 100 000。
4、 根據權利要求1所述的微通道套管式裝置，其特徵是，所述 裝置還設置有機械探針，預防或清除噴嘴芯上的顆粒物，以保證微通 道一直暢通。
5、 根據權利要求4所述的微通道套管式裝置，其特徵是，所述 機械探針為空心結構，控制部分為自動控制，定時用氮氣在高壓作用 下擠壓噴嘴芯的微通道。
6、 根據權利要求4所述的微通道套管式裝置，其特徵是，所述 機械探針為實心結構，控制部分為自動控制，定時向下探伸穿過噴嘴 芯。
7、 根據權利要求1所述的微通道套管式裝置，其特徵是，所述 裝置還包括在收集器末端外置的超聲探頭，用於避免和分散收集器中 顆粒凝並形成的團聚體。
8、 一種微通道套管式裝置，其特徵是，由多個權利要求1所述 微通道套管式裝置並聯在一起組成。
9、 根據權利要求1、 4、 7和8中任一項所述的微通道套管式裝 置應用於液一液體系製備具有納、微米結構的無機、有機或藥物顆粒。
10、 根據權利要求9所述微通道套管式裝置的應用，其特徵是， 採用液一液沉澱法製備金屬氧化物納米顆粒，其中，第一進液管中通 入金屬離子鹽溶液，第二進液管中通入沉澱劑溶液，金屬離子鹽溶液 和沉澱劑溶液經過微通道套管式裝置後迅速混合，反應形成懸浮液， 該懸浮液經過濾、乾燥後得到金屬氧化物納米顆粒的粉體產品。
全文摘要
本發明提供一種微通道套管式微觀混合與反應裝置。該裝置包括第一進液管、第二進液管、內噴嘴、外噴嘴、控溫夾套和收集器；外噴嘴配合併環繞在內噴嘴外面，內、外噴嘴形成套管式結構；控溫夾套設置在外噴嘴的外面，用於控制整個裝置和兩股物流混合前、後的溫度；裝置下端設一收集器，用於捕集、緩衝和進一步混合微通道內、外噴嘴高速混合後的物流。該裝置還包括自動控制的機械探針，預防或清除噴嘴芯上顆粒物以保證微通道一直暢通；以及在收集器末端外置的超聲探頭，用於避免和分散收集器中顆粒凝並形成的團聚體。該裝置特別適合應用於液-液沉澱法連續製備具有納、微米結構的無機、有機或藥物顆粒。用微通道套管式裝置替代攪拌釜等設備，不僅有效地強化了液-液微觀混合，使沉澱反應生成的顆粒大小均勻，而且實現了連續化生產。
文檔編號B01J19/26GK101507908SQ200910131858
公開日2009年8月19日 申請日期2009年4月9日 優先權日2009年4月9日
發明者初廣文, 沈志剛, 甄崇禮, 陳建峰 申請人:北京化工大學;新加坡納米材料科技公司