[發明專利]一種流體物料的微混合器件

在審

• 申請號: 201710070069.5
• 申請日: 2017-02-09
• 公開（公告）號: CN106693810A
• 公開（公告）日: 2017-05-24
• 發明（設計）人: 席紅安;邵俊軒
• 申請（專利權）人: 佛山市中國科學院上海硅酸鹽研究所陶瓷研發中心
• 主分類號: B01F13/00
• 分類號: B01F13/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及無機非金屬材料、化工、制藥、食品及環保等領域，特別涉及一種微混合器件的制造及其在流體混合工藝中的應用。

背景技術

微化工過程也被公認為化學工程學科發展的新的重要領域之一，微型化工器件也逐漸成為其重要成員, 如微混合器、微反應器、微化學分析儀器、微型換熱器、微型萃取器、微型泵、微型閥門等。已有的微型化工器件的一些研究結果表明，在微尺度條件下反應轉化率、選擇性均有明顯提高，傳熱系數比傳統設備有很大提高,相間傳質效率也較傳統設備有極大提高。

流體混合是基本而且重要的工藝過程，廣泛應用于化工、制藥、食品及環保等眾多領域。流體物料的均勻和高效混合對產品質量和生產成本的控制具有重要意義。微混合是實現物料均勻和高效混合的一種重要方式。微混合器一般通過微通道實現, 兩股流體分別在兩個通道內流動，然后匯合在一起，從而起到混合流體的作用。微通道一般為10 ~ 500 mm，微混合設備中一般包括幾個甚至幾十個微型通道。流體的微混合主要有 2 種形式：（1）微接觸, 即不互溶的兩相體系如液-液或氣-液兩相流體在同一微通道或分別在相互接觸的兩個微通道內流動，形成平行的流體層，通過相界面實現兩相的微接觸；（2）微混合或微分散，,即互溶的兩股流體或不互溶的兩股流體通過微通道進入微混合或微分散區，實現兩股流體的微混合或微分散。

實踐表明，微混合過程最主要的幾個特點：（1）混合效率高, 停留時間短,能耗低；（2）設備結構簡單，無放大效應；（3）操作條件易于控制，化學反應、傳質及傳熱性能好；（4）設備體積小, 內在安全性能好。正是由于這些特點，在十多年來，微混合化工過程的研究和微混合設備的開發得到高度重視，并取得重要進展。

傳統的微混合設備需要使用激光雕刻、放電加工及電化學蝕刻等方式，因此設備生產成本高，而且難以制造大型微混合設備，往往只能應用于制藥和精細化工等小型混合和反應系統中。隨著材料技術和成型工藝的發展，以微孔膜為基礎的微混合設備逐漸得到發展。微孔膜具有25%以上的孔隙率，孔徑尺寸在納米至微米范圍，因此可以給膜兩邊的流體提供巨大的混合界面和近似均勻的微觀混合。而且大尺寸的微孔膜已經可以大規模生產，因此微混合設備已不再局限于小型和昂貴了。

陶瓷具有強度高、耐化學腐蝕優良、耐生物侵蝕、耐高溫和易清洗等優點。以氧化物、碳化物等多孔陶瓷材料為基礎的微混合器件在化工、制藥、食品及環保等眾多行業具有廣闊的應用前景。

發明內容

本發明的目的在于將一種具有薄壁多通道結構的多孔陶瓷元件應用于微混合器件及設備。通過低成本的工藝可生產出所述多通道薄壁微孔陶瓷元件，而且該微孔陶瓷元件的尺寸和形狀范圍廣泛，可方便地制作成微型器件或大型設備，滿足不同工藝規模的需要。所述微混合器件及設備具有生產成本低、運行能耗低、混合效率高、耐化學腐蝕等特點，可廣泛應用于化工、制藥、食品及環保等眾多行業。

為達此目的，本發明采用以下技術方案：

一種用于流體物流混合的微混合器件，由多通道薄壁微孔陶瓷元件、容器外殼、密封件等主要部分組成。所述陶瓷元件具有薄壁多通道結構，且所述陶瓷元件的薄壁具有讓液體和/或氣體滲透通過的微孔。

優選的，所述陶瓷元件由包括且不限于氧化鋁、碳化硅、石英、堇青石、莫來石等材料中的一種或多種制作而成。

制造所述陶瓷元件的基本步驟包括：

1）混合所述陶瓷原料粉體和燒成助劑制成泥料；

2）將所述泥料擠出成型制成坯體；

3）將所述坯體干燥定型；

4）將干燥的所述坯體燒結成多孔陶瓷。

在擠出成型時，通過模具的作用使所述陶瓷元件坯體形成一定的通道結構和外形。所述通道的截面形狀包括且不限于圓形、矩形和正六邊形等幾何形狀。所述陶瓷薄壁的厚度為0.2 ~ 2 mm。所述陶瓷元件的外形可以為包括且不限于平板、圓筒和方筒等幾何形狀。

多通道結構可使所述陶瓷元件使用較少的陶瓷材料以減少設備重量，同時保證薄壁具有足夠的機械強度。例如，氧化鋁材質的多通道陶瓷元件在壁厚為0.9 mm時，可經受超過7 bar的氣體或液體壓力。不僅如此，與厚壁多孔陶瓷元件相比，薄壁使流體通過的阻力減少，在較低的壓力下獲得更高的通量，可以微動力的方式實現微觀均相混合。

所述陶瓷元件的薄壁是通透的多孔陶瓷，孔隙率為25% ~ 85%，孔隙尺寸為0.05 ~ 20 μm，氣體或液體在一定的壓力下可從陶瓷薄壁的一側滲透到另一側。