本發(fā)明涉及無機(jī)非金屬材料、化工、制藥、食品及環(huán)保等領(lǐng)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(yīng)用。

背景技術(shù)：

微化工過程也被公認(rèn)為化學(xué)工程學(xué)科發(fā)展的新的重要領(lǐng)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(yīng)器、微化學(xué)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(jié)果表明，在微尺度條件下反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、選擇性均有明顯提高，傳熱系數(shù)比傳統(tǒng)設(shè)備有很大提高,相間傳質(zhì)效率也較傳統(tǒng)設(shè)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(yīng)用于化工、制藥、食品及環(huán)保等眾多領(lǐng)域。流體物料的均勻和高效混合對產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本的控制具有重要意義。微混合是實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn), 兩股流體分別在兩個(gè)通道內(nèi)流動(dòng)，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(shè)備中一般包括幾個(gè)甚至幾十個(gè)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(gè)微通道內(nèi)流動(dòng)，形成平行的流體層，通過相界面實(shí)現(xiàn)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(jìn)入微混合或微分散區(qū)，實(shí)現(xiàn)兩股流體的微混合或微分散。

實(shí)踐表明，微混合過程最主要的幾個(gè)特點(diǎn)：（1）混合效率高, 停留時(shí)間短,能耗低；（2）設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，無放大效應(yīng)；（3）操作條件易于控制，化學(xué)反應(yīng)、傳質(zhì)及傳熱性能好；（4）設(shè)備體積小, 內(nèi)在安全性能好。正是由于這些特點(diǎn)，在十多年來，微混合化工過程的研究和微混合設(shè)備的開發(fā)得到高度重視，并取得重要進(jìn)展。

傳統(tǒng)的微混合設(shè)備需要使用激光雕刻、放電加工及電化學(xué)蝕刻等方式，因此設(shè)備生產(chǎn)成本高，而且難以制造大型微混合設(shè)備，往往只能應(yīng)用于制藥和精細(xì)化工等小型混合和反應(yīng)系統(tǒng)中。隨著材料技術(shù)和成型工藝的發(fā)展，以微孔膜為基礎(chǔ)的微混合設(shè)備逐漸得到發(fā)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(jīng)可以大規(guī)模生產(chǎn)，因此微混合設(shè)備已不再局限于小型和昂貴了。

陶瓷具有強(qiáng)度高、耐化學(xué)腐蝕優(yōu)良、耐生物侵蝕、耐高溫和易清洗等優(yōu)點(diǎn)。以氧化物、碳化物等多孔陶瓷材料為基礎(chǔ)的微混合器件在化工、制藥、食品及環(huán)保等眾多行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于將一種具有薄壁多通道結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷元件應(yīng)用于微混合器件及設(shè)備。通過低成本的工藝可生產(chǎn)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(shè)備，滿足不同工藝規(guī)模的需要。所述微混合器件及設(shè)備具有生產(chǎn)成本低、運(yùn)行能耗低、混合效率高、耐化學(xué)腐蝕等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于化工、制藥、食品及環(huán)保等眾多行業(yè)。

為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)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(jié)構(gòu)，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(yōu)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(jié)成多孔陶瓷。

在擠出成型時(shí)，通過模具的作用使所述陶瓷元件坯體形成一定的通道結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)可使所述陶瓷元件使用較少的陶瓷材料以減少設(shè)備重量，同時(shí)保證薄壁具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。例如，氧化鋁材質(zhì)的多通道陶瓷元件在壁厚為0.9 mm時(shí)，可經(jīng)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(dòng)力的方式實(shí)現(xiàn)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(cè)滲透到另一側(cè)。

為得到合適的多孔結(jié)構(gòu)，需要確定制造所述陶瓷元件的適當(dāng)原料。陶瓷原料粉體的粒度對所述陶瓷元件的微孔結(jié)構(gòu)具有最重要的影響。陶瓷原料粉體的中位粒度一般為0.1 ~ 70 μm。優(yōu)選的，所述陶瓷原料粉體的中位粒度為0.2 ~ 40 μm。

本發(fā)明公開的微混合器件，由所述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，通過容器外殼和密封件把多通道薄壁微孔陶瓷元件的內(nèi)部孔道和外部分隔成獨(dú)立的空間。所述微混合器件的特征在于，兩種流體物料分別從所述多通道薄壁微孔陶瓷元件的內(nèi)部通道和外部空間流入，其中一種物料透過陶瓷薄壁進(jìn)入另一種物料的空間，并與之發(fā)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，因此從陶瓷薄壁透過的流體物料是以密集、微細(xì)尺寸的形態(tài)進(jìn)入到另一流體物料中，與其形成巨大的相界面，從而實(shí)現(xiàn)高效率的微觀混合。

特別地，根據(jù)設(shè)備及工藝需要，可以在所述陶瓷元件兩側(cè)外壁中的一側(cè)涂覆有機(jī)涂料或無機(jī)涂料，使所述陶瓷薄壁上的微孔被封閉，避免物料滲透出來。

所述微混合器件可用于液-液、液-氣和氣-氣混合，可用于流體物料的物理混合，也可用于物料的混合反應(yīng)。

本發(fā)明的有益效果在于：提出了以一種具有薄壁多通道結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷元件制作的微混合器件，這種微混合器件生產(chǎn)方法簡單，節(jié)省原材料，減小設(shè)備容重，運(yùn)行能耗低，混合效率高，可應(yīng)用于微型和大型流體物料混合工藝。

附圖說明

圖1分別是一種平板形、圓筒形及方筒形的薄壁多通道陶瓷元件示意圖；

圖2 一種基于平板形多通道陶瓷元件的微混合器件示意圖；

圖3 一種基于圓筒形多通道陶瓷元件的微混合器件示意圖；

其中各部分分別為：容器外殼1、平板形多通道陶瓷元件2、圓筒形多通道陶瓷元件21、密封頭3、塑料封接頭31、物料一入口4、物料二入口5、塑料封接頭51、混合物料出口6。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖并通過具體實(shí)施方式來進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)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(jié)構(gòu)，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。

圖1是三種所述多通道薄壁微孔陶瓷元件的示意圖，所述陶瓷元件分別具有平板、圓筒及方筒形式的外形。所述陶瓷元件中有一組平行排列、獨(dú)立貫通的小尺寸通道。所述通道的截面形狀為包括且不限于圓形及矩形等幾何形狀。截面的尺寸在0.5 ~ 10 mm之間。利用擠出成型工藝可以很方便地獲得所述陶瓷元件的形狀和結(jié)構(gòu)。而且從理論上來說，所述陶瓷元件的長度和截面尺寸僅受限于生產(chǎn)設(shè)備的規(guī)模。因此，利用簡單的工藝可以生產(chǎn)出微型和大型的所述陶瓷元件，相應(yīng)地，可以制造微型的微混合器件和大型的微混合設(shè)備。

要得到具有微混合功能的器件和設(shè)備，需要用密封件將所述陶瓷元件與容器外殼組裝在一起，把多通道薄壁微孔陶瓷元件的內(nèi)部孔道和外部分隔成獨(dú)立的空間，從而使兩種流體物料可以分別從所述陶瓷元件的內(nèi)部通道和外部空間流入。其中一種物料透過陶瓷薄壁進(jìn)入另一種物料的空間，并與之發(fā)生混合。

所述微混合器件可用于液-液、液-氣和氣-氣混合等工藝過程。

具體實(shí)施例1

一種基于平板形多通道陶瓷元件的微混合器件，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其中，平板多通道陶瓷元件為多孔氧化鋁材料。所述陶瓷元件的制造步驟如下：

1、將4 kg中位粒徑為20 μm的氧化鋁粉與0.2 kg燒成助劑混合均勻；

2、 加入300 g甲基纖維素、150 g甘油、15 g油酸、150 g真空礦物油及900 g水，經(jīng)過混合、練泥、陳腐等步驟，得到塑性泥料；

3、用擠出機(jī)將泥料擠出成平板形多通道坯體；

4、坯體通過微波輻射進(jìn)行干燥；

5、干燥的坯體以2°C/min的速度升溫至400°C保溫1 h，再以2°C/min的速度升溫至1400°C保溫2 h，然后隨爐冷卻。

燒成的陶瓷產(chǎn)品切割后，得到如圖1所示的平板形多通道陶瓷元件2，其長度為400 mm，寬度為120 mm，薄壁厚度為0.9 mm，通孔孔徑為0.3 μm，氣體通量為1200 m³/m²h×bar。

用304不銹鋼制作長方體形狀的外殼1。不銹鋼外殼1兩端有開口，可將陶瓷元件2鑲嵌其中；陶瓷元件2與不銹鋼外殼1之間用硅橡膠墊加以密封；陶瓷元件2的一端用密封頭3封裝，阻止流體物料的流出；陶瓷元件2的另一端為物料二的入口5；外殼1上下各設(shè)一個(gè)物料口，其中下面的物料口為物料一的入口4，上面的物料口為混合物料的出口6。

本實(shí)例之微混合器件在實(shí)際應(yīng)用中，需要與電氣設(shè)備聯(lián)合。電氣設(shè)備包括計(jì)量泵、PLC控制系統(tǒng)等。物料一和物料二分別通過計(jì)量泵按一定的流量泵入微混合器件中。其中對物料二施加稍高的壓力，使物料二從陶瓷元件2的通道中通過多孔薄壁滲透到通道外的物料一中，并與物料一迅速混合。

物料二流動(dòng)相的壓力比物料一流動(dòng)相的壓力大0.1 bar，即可使物料二滲透到物料一中，實(shí)現(xiàn)了微動(dòng)力混合。

具體實(shí)施例2

一種基于平板形多通道陶瓷元件的微混合器件，其基本結(jié)構(gòu)類似于具體實(shí)例1，只是微混合器件中包括10片平行排列的陶瓷元件2。通過增加陶瓷元件2的數(shù)量，可方便地增大微混合設(shè)備的物料處理能力。

具體實(shí)施例3

一種基于圓筒形多通道陶瓷元件的微混合器件，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

其中，圓筒形多通道陶瓷元件為多孔碳化硅材料。所述陶瓷元件的制造步驟如下：

1、將中位粒徑為12 μm的黑色碳化硅粉4.5 kg與中位粒徑為0.5 μm的高嶺土0.3 kg、中位粒徑為0.5 μm的氧化鋁粉0.2 kg混合均勻；

2、加入300 g羥丙基甲基纖維素、120 g甘油、15 g油酸、120 g真空礦物油及850 g水，經(jīng)過混合、練泥、陳腐等步驟，得到塑性泥料；

3、用擠出機(jī)將泥料擠出成圓形多通道坯體；

4、坯體在常溫干燥24 h后，放入80°C烘箱中干燥8 h；

5、干燥的坯體以2°C/min的速度升溫至400°C保溫1 h，再以2°C/min的速度升溫至1350°C保溫2 h，然后隨爐冷卻。

燒成的陶瓷產(chǎn)品經(jīng)過切割，得到如圖1所示的圓筒形多通道陶瓷元件，其長度為200 mm，直徑為40 mm，薄壁厚度為1 mm。分離膜的孔徑為0.7μm，氣體通量為2700 m³/m²h×bar。

在該圓筒形陶瓷元件21的外壁涂覆環(huán)氧樹脂涂料，將外壁的微孔封閉以阻止流體滲出。之后，將該陶瓷元件21用塑料封接頭31和塑料封接頭51封裝，使圓筒的中間成為物料一的流通通道，而物料二從入口5進(jìn)入陶瓷元件21內(nèi)的狹長平行通道，并透過陶瓷元件21內(nèi)壁進(jìn)入物料一的流通通道中。

以上結(jié)合具體實(shí)施例描述了本發(fā)明的技術(shù)原理。這些描述只是為了解釋本發(fā)明的原理，而不能以任何方式解釋為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制?；诖颂幍慕忉?，本領(lǐng)域的技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性的勞動(dòng)即可聯(lián)想到本發(fā)明的其它具體實(shí)施方式，這些方式都將落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。