[發(fā)明專利]一種被動(dòng)式螺旋微結(jié)構(gòu)混合裝置及應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210430103.2
• 申請(qǐng)日: 2012-10-31
• 公開（公告）號(hào): CN102974255A
• 公開（公告）日: 2013-03-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊超;王曦;陳杰;雍玉梅;毛在砂;程景才;馮鑫;張偉鵬
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院過程工程研究所;南京九章化工科技有限公司
• 主分類號(hào): B01F13/00
• 分類號(hào): B01F13/00;C01F11/46
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 成金玉;賈玉忠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種內(nèi)置折流擋板式螺旋型微結(jié)構(gòu)混合裝置，尤其是一種適用于生物醫(yī)藥、能源以及化工過程中流體間快速混合與反應(yīng)的高效混合與反應(yīng)裝置—一種被動(dòng)式螺旋微結(jié)構(gòu)混合裝置及應(yīng)用。

背景技術(shù)

混合一般是指通過機(jī)械或者流體流動(dòng)的方法使兩種或者多種不同物料相互分散而達(dá)到一定均勻程度的單元操作?；旌线^程常伴隨著體積的縮小或膨脹，以及物質(zhì)在相間的擴(kuò)散。混合過程根據(jù)研究尺度的不同可分為宏觀混合、細(xì)觀混合和微觀混合。其中宏觀混合描述了物料在整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)的循環(huán)、分散和混合過程，細(xì)觀混合決定了從進(jìn)料點(diǎn)附近物料擴(kuò)散到反應(yīng)器主體的速率，而微觀混合是指分子尺度上的均一化過程。在能源、化工、冶金等過程工業(yè)當(dāng)中，常常涉及到一些比較復(fù)雜、快速的化學(xué)反應(yīng)，其產(chǎn)品質(zhì)量與反應(yīng)器內(nèi)的多相物料混合狀況密切相關(guān)，因此對(duì)于高效混合裝置的開發(fā)研制具有重要的意義。

近幾十年來，隨著微加工技術(shù)日益完善，人們對(duì)于微、介觀的物理現(xiàn)象已有了一定的認(rèn)識(shí)，并在生產(chǎn)和生活中得到了應(yīng)用。微觀尺度下，由于表面積與體積的比值急劇增大，表面力和粘性力的影響占主導(dǎo)地位，慣性力的作用大大減弱，加之微管道中的流速一般很小，屬低雷諾數(shù)層流流動(dòng)。在層流條件下，達(dá)到有效混合的方法有:拉長或剪切層流，以增大流體間的接觸面積；分流混合，即將液流分裂成多個(gè)小的液流，使流體的厚度大大降低，以上目標(biāo)可通過產(chǎn)生液流間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或改變流動(dòng)通道的構(gòu)型來達(dá)到。目前使用較多的方法是根據(jù)微流體力學(xué)原理設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的連續(xù)或平行流路系統(tǒng)，以提高混合效率，減小混合所需的時(shí)間和空間。

目前，微混合器通?？梢苑譃閮煞N：一種為主動(dòng)微混合器，另一種為被動(dòng)微混合器。主動(dòng)混合是指需要外部能量誘發(fā)混合的方法，包括微攪拌、壓力擾動(dòng)、聲波擾動(dòng)、電驅(qū)動(dòng)流體、磁驅(qū)動(dòng)流體、熱驅(qū)動(dòng)等；被動(dòng)混合是指不需要外部能量源的方法，主要依賴于通道幾何形狀，如開槽通道、流體分層流、蛇形通道、誘發(fā)混沌對(duì)流等。中國發(fā)明專利申請(qǐng)CN101234324公開了一種連續(xù)多薄膜層被動(dòng)式微接觸混合器，該發(fā)明的流體混合室由平行的直通道組成。中國發(fā)明專利申請(qǐng)CN101450300具有恒溫加熱裝置的蛇形毛細(xì)反應(yīng)管，復(fù)雜幾何形狀的引入對(duì)于被動(dòng)式微混合器的混合效果具有良好的強(qiáng)化作用，然而對(duì)于簡單的蛇形管而言，離心力的引入使得流體中輕、重兩相隨著流體的流動(dòng)過程逐漸分離開來，因此仍需對(duì)此問題加以解決。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的技術(shù)解決問題：克服現(xiàn)有技術(shù)的在引入離心力作用后輕、重相逐漸分層，重相會(huì)貼壁流動(dòng)，不利于混合的問題，提供一種被動(dòng)式螺旋微結(jié)構(gòu)混合裝置及應(yīng)用，該裝置改善了螺旋型通道由于離心力而導(dǎo)致的分層效應(yīng)對(duì)混合過程的不利影響，通過內(nèi)置擋板以及調(diào)節(jié)入口處進(jìn)樣夾角的措施增強(qiáng)了流體混合效果。

本發(fā)明技術(shù)解決方案：一種被動(dòng)式螺旋微結(jié)構(gòu)混合裝置，由至少兩個(gè)進(jìn)樣儲(chǔ)液室、至少兩個(gè)入口通道、螺旋型流體混合通道、折流擋板和一個(gè)混合流體緩沖室組成一個(gè)整體；每個(gè)進(jìn)樣儲(chǔ)液室的一端與外部進(jìn)料管相連接，另一端分別與入口通道相連通；每個(gè)入口通道的另一端與螺旋型混合通道相連接；兩個(gè)入口通道之間形成夾角α，交匯于螺旋形流體混合通道，α對(duì)于流體進(jìn)入混合通道時(shí)的剪切作用有較大影響；所述折流擋板間隔布置于螺旋形流體混合通道兩側(cè)壁面，且與螺旋形流體混合通道壁面交點(diǎn)的切線形成夾角β；所述螺旋形流體混合通道與混合流體緩沖室一端相連，混合流體緩沖室中的混合流體經(jīng)另一端通過出樣管引出。流體混合通道呈螺旋型以引入離心力的作用，達(dá)到強(qiáng)化混合過程的目的。

本發(fā)明上述裝置的工作過程是由泵將帶混合樣品通過入口通道輸送至混合通道，混合后的樣品經(jīng)緩沖室后由出口流出采集。

所述整個(gè)混合裝置采用聚二甲基硅氧烷或聚甲基丙烯酸甲酯的等疏水性材料制成。

所述兩個(gè)入口通道之間形成夾角α為60°～300°。

所述混合裝置整體呈螺旋型，內(nèi)圓半徑為1～3cm，外圓半徑為6～8cm，圈數(shù)為3～10；螺旋形流體混合通道內(nèi)橫截面為矩形，通道寬度為800～1000μm，寬深比為1～10。

所述折流擋板緊密布置或疏松布置，緊密布置時(shí)以內(nèi)圓圓心為圓心，進(jìn)樣交匯處與圓心的連線為基準(zhǔn)每個(gè)15°布置一塊折流擋板；在疏松布置時(shí)，每隔45°布置一塊折流擋板，期間的變化以15°度為單位遞增（折流擋板的設(shè)置是一個(gè)由密到疏逐漸變化的過程）。

所述折流擋板的高度等于螺旋形流體混合通道深度；所述折流擋板長度與螺旋形流體通道寬度的比為1/3～1/2。

所述β小于90°時(shí)為前傾式擋板，β大于90°小于180°時(shí)為后傾式擋板，β等于90°時(shí)為直立式擋板。