專利名稱：微通道套管式裝置及其應用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種強化混合、傳質(zhì)、傳熱與反應的裝置。具體而言， 涉及一種強化混合、傳質(zhì)、傳熱與反應的微通道套管式裝置。更具體 而言，涉及一種適用于液一液沉淀法制備具有納、微米結(jié)構(gòu)的無機、 有機或藥物顆粒的微觀混合與反應裝置。
背景技術(shù)：
納、微米結(jié)構(gòu)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(lǐng) 域都有著巨大的應用。納、微米結(jié)構(gòu)顆粒的制備方法分為物理法和化 學法，無論是物理法還是化學法，其中沉淀法最為常用。然而常規(guī)的 沉淀法通常采用攪拌釜作為反應器或沉淀設(shè)備，由于攪拌釜本身的特 點，很難保證反應物物料之間快速的混合、傳質(zhì)和傳熱，因此導致沉 淀后生成的顆粒大小不均，沉淀或反應的時間過長，生產(chǎn)效率不高。 究其原因，主要是反應器或沉淀設(shè)備內(nèi)微觀混合不均所致。
針對攪拌釜上述問題的缺陷，為了強化沉淀法中涉及的混合和傳
質(zhì)，陳建峰等人借鑒Ramshaw等人發(fā)明的采用旋轉(zhuǎn)填充床用于提高氣 —液傳質(zhì)效率的一種工藝(US. Pat. No. 4283255)，通過采用并改進 旋轉(zhuǎn)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(fā)明了 一種制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，并使顆粒納米化，粒 徑可以控制在10 40nm之間，粒徑分布均勻。然而，由于超重力反 應器中轉(zhuǎn)子多采用填料層的形式，對于高粘度物料及沉淀、結(jié)晶過程， 運行過程會出現(xiàn)堵塞狀況，需要經(jīng)常清洗，不利于連續(xù)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(xù)制備具 有納、微米結(jié)構(gòu)的無機、有機或藥物顆粒的裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一目的是提供一種強化混合、傳質(zhì)、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(nèi)噴嘴、外噴嘴、控溫夾套和收集器；其中， 內(nèi)噴嘴由內(nèi)噴嘴流體通道和內(nèi)噴嘴芯構(gòu)成，內(nèi)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(gòu)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并環(huán)繞內(nèi)噴 嘴的噴嘴芯，內(nèi)、外噴嘴形成套管式結(jié)構(gòu)；控溫夾套設(shè)置在外噴嘴的 外面，用于控制整個裝置和兩股物流混合前、后的溫度；裝置下端設(shè) 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(nèi)噴嘴流 體通道和內(nèi)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，混合后的物流被收集器捕集、緩沖 和進一步混合。
在所述第一目的的一個實施方案中，內(nèi)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(nèi)噴嘴芯通道孔的直 徑或邊長一般為0.01 5mm，外噴嘴芯環(huán)繞內(nèi)噴嘴芯的間隙尺寸為 0.01 5mm。
通過所述內(nèi)、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(shù)為1000 100 000。
在所述第一目的的一個優(yōu)選實施方案中，收集器為環(huán)形錐管結(jié)構(gòu)。
所述控溫夾套中的介質(zhì)根據(jù)具體過程的要求進行選擇即可。 本發(fā)明的第二目的是提供一種可以連續(xù)操作的具有強化混合、傳
質(zhì)、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(xiàn)第一目的裝置基礎(chǔ)
上，進一步設(shè)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(xù)制備納微米結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)還是實心結(jié)構(gòu)，機械探針清空噴嘴芯的速度根據(jù)需要而
定，通常為1 200次/min。
所述機械探針的工作原理是對于實心結(jié)構(gòu)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(lián)接有一氣體通道，氣體 通道聯(lián)接一氣體閥門，閥門另一端聯(lián)接高壓氮氣，該閥門由計算機程 序控制可以定時開啟和關(guān)閉，同時開啟時間和關(guān)閉時間也可以由程序 自動控制。 一旦程序設(shè)定，接通電源，當氣體閥門開啟時，機械探針 由于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(guān)閉時，由于氣體壓力恢復常壓，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(xù)運行的目的。對于空心結(jié)構(gòu)的機械探針，空心的探針頂端聯(lián)接
一氣體閥門，閥門另一端聯(lián)接高壓氮氣，該閥門由計算機程序控制可 以定時開啟和關(guān)閉，同時開啟時間和關(guān)閉時間也可以由程序自動控 制。 一旦程序設(shè)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(xiàn)整個裝置連續(xù)運行。在所述第二目的的一個實施方案中，在環(huán)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并 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后處理操作，得到具有納、微米結(jié)構(gòu)顆粒的粉體 產(chǎn)品。所述后處理操作包括但不限于過濾和干燥。
本發(fā)明的第三目的涉及一種用于操作微通道套管式裝置的方法。
本發(fā)明的第四目的是提出一種連續(xù)制備納、微米結(jié)構(gòu)無機、有機 或藥物顆粒的方法。
本發(fā)明提供的微通道管式微觀混合與反應裝置的優(yōu)點表現(xiàn)在用 微通道套管式裝置替代攪拌釜等設(shè)備，有效地強化了液一液微觀混合 及后續(xù)反應，使沉淀反應生成的顆粒大小均勻；特別是進一步設(shè)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(shè)置超聲 探頭進一步避免和分散顆粒凝并形成的團聚體，從而實現(xiàn)連續(xù)化生 產(chǎn)。


圖1所示為實現(xiàn)本發(fā)明第二目的的優(yōu)選的微通道套管式裝置的縱 剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2所示為實現(xiàn)本發(fā)明第二目的的具有多重微通道套管式裝置的 縱剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中數(shù)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(nèi)噴嘴通道，5.外噴嘴通道，6.控溫夾套，7.夾套介 質(zhì)入口， 8.機械探針，9.內(nèi)噴嘴芯，IO.外噴嘴芯，ll.環(huán)形錐管收集器， 12.夾套介質(zhì)出口， 13.超聲探頭。
具體實施例方式
在下面描述和圖解本發(fā)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，已包括在用于連續(xù)制備 納微米結(jié)構(gòu)無機、有機或藥物顆粒的方法中。當然，對于本領(lǐng)域普通 技術(shù)人員來說顯而易見的是，下面討論的優(yōu)選實施方案在本質(zhì)上是示 例性的，并且可以在沒有偏離本發(fā)明的范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、方法和特征，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將可以認識到，這些任 選的步驟、方法和特征不是落在本發(fā)明范圍內(nèi)的必要條件。
本發(fā)明中微通道套管式裝置以及涉及到的制備納、微米結(jié)構(gòu)顆粒 的方法是基于本發(fā)明人在該領(lǐng)域的理論和實驗結(jié)果而來。
對于液相沉淀法制備納、微米結(jié)構(gòu)顆粒而言，納、微米結(jié)構(gòu)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 兩種能快速形成沉淀的溶液相遇時，在兩種新鮮溶液的界面處，將伴 隨擴散和相變的發(fā)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(zhì)的濃度迅速下降，這 時的濃度不足以繼續(xù)形成新核，而只能維持已有核的生長。因此要想 通過液一液沉淀法制備納、微米結(jié)構(gòu)顆粒，就要保證液—液相在混合 瞬間提供盡可能多的新鮮溶液相界面，這樣生成的原生核總數(shù)目就越 多，提供給核繼續(xù)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(zhì)來得以實現(xiàn)。 本發(fā)明正是以上述理論和原理為依據(jù)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(nèi)噴嘴通道4， 然后在內(nèi)噴嘴芯9處流體a由于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 由于通道進一步變小而流速加快。兩股流體在噴嘴芯出口處并流形成 高速微液流，撞擊而迅速微觀混合并沉淀，最后匯流于環(huán)形錐管收集 器11再流出。
前述具體實施方式
中，內(nèi)噴嘴芯9的通道孔的形狀可以有多種變 化，包括但不限于圓形孔、正方形孔或正三角形孔。若為圓形孔，則 孔的直徑大小范圍為0.01 5mm;若孔為正方形孔，則孔的邊長大小 范圍為0.01 5mm;若孔為正三角孔，則孔的邊長大小范圍為0.01 5mm。而外噴嘴芯微通道的形狀配合并環(huán)繞內(nèi)噴嘴芯，其間隙尺寸范 圍為0.01 5mm。外噴嘴的噴嘴芯配合內(nèi)噴嘴的噴嘴芯，保持從內(nèi)噴 嘴芯出來的流體與外噴嘴芯出來的流體快速微觀混合后形成的物流 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(qū)。
為達到快速微觀混合的目的，兩股流體在內(nèi)噴嘴芯9和外噴嘴芯 10出口處的流速(v)范圍為0.01 50m/s，體積流量(g)范圍為0.01 500 L/min，雷諾數(shù)(Re)范圍為1000 100 000。這里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淀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(xù)正常運行，裝置設(shè)置有機 械探針8。
機械探針可以是實心結(jié)構(gòu)，也可以是空心結(jié)構(gòu)。若為空心結(jié)構(gòu)， 維持噴嘴芯連續(xù)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)還是實心結(jié) 構(gòu)，機械探針8清空噴嘴芯的速度為1 200次/min。
為使自內(nèi)、外噴嘴芯出來的液流混合后沉淀生成的顆粒不發(fā)生或 少發(fā)生團聚，在環(huán)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可以并聯(lián)在一起，以便應對裝置在放大和工業(yè)實施中，流體a和流體 b獲得相同的微觀混合效果和實現(xiàn)產(chǎn)品的工業(yè)化生產(chǎn)。
在其中的一個實施方案中，本發(fā)明中的溶液a和溶液b是混合后 發(fā)生反應產(chǎn)生沉淀的溶液。
其中，溶液a可以是金屬鹽溶液，溶液b為沉淀劑溶液。
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。
沉淀劑溶液b可以是堿溶液，比如氫氧化鈉、氫氧化鉀或氫氧化 銨等無機堿溶液，或者四甲基氫氧化銨等有機堿溶液，或者上述多種 堿溶液的混合物。
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 于環(huán)形錐管收集器11再流出的懸浮液經(jīng)過濾、干燥后得到BaTK)3納 米顆粒的粉體產(chǎn)品。鈦酸鋇顆粒的粒徑經(jīng)TEM測試為30士10nm。
權(quán)利要求
1、一種微通道套管式裝置，其特征是，該裝置包括第一進液管、第二進液管、內(nèi)噴嘴、外噴嘴、控溫夾套和收集器；其中，內(nèi)噴嘴由內(nèi)噴嘴流體通道和內(nèi)噴嘴芯構(gòu)成，內(nèi)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(gòu)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并環(huán)繞內(nèi)噴嘴的噴嘴芯，內(nèi)、外噴嘴形成套管式結(jié)構(gòu)；控溫夾套設(shè)置在外噴嘴的外面，用于控制整個裝置和兩股物流混合前、后的溫度；裝置下端設(shè)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(nèi)噴嘴流體通道和內(nèi)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，混合后的物流被收集器捕集、緩沖和進一步混合。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微通道套管式裝置，其特征是，所述 內(nèi)噴嘴芯的通道為圓形孔、正方形孔或正三角形孔，內(nèi)噴嘴芯通道孔 的直徑或邊長為0.01 5mm，外噴嘴芯環(huán)繞內(nèi)噴嘴芯的間隙尺寸為 0.01 5mm。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微通道套管式裝置，其特征是，通過 所述內(nèi)、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(shù)為1000 100 000。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微通道套管式裝置，其特征是，所述 裝置還設(shè)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(jù)權(quán)利要求4所述的微通道套管式裝置，其特征是，所述 機械探針為空心結(jié)構(gòu)，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(jù)權(quán)利要求4所述的微通道套管式裝置，其特征是，所述 機械探針為實心結(jié)構(gòu)，控制部分為自動控制，定時向下探伸穿過噴嘴 芯。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微通道套管式裝置，其特征是，所述 裝置還包括在收集器末端外置的超聲探頭，用于避免和分散收集器中 顆粒凝并形成的團聚體。
8、 一種微通道套管式裝置，其特征是，由多個權(quán)利要求1所述 微通道套管式裝置并聯(lián)在一起組成。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1、 4、 7和8中任一項所述的微通道套管式裝 置應用于液一液體系制備具有納、微米結(jié)構(gòu)的無機、有機或藥物顆粒。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述微通道套管式裝置的應用，其特征是， 采用液一液沉淀法制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淀劑溶液，金屬離子鹽溶液 和沉淀劑溶液經(jīng)過微通道套管式裝置后迅速混合，反應形成懸浮液， 該懸浮液經(jīng)過濾、干燥后得到金屬氧化物納米顆粒的粉體產(chǎn)品。
全文摘要
本發(fā)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(nèi)噴嘴、外噴嘴、控溫夾套和收集器；外噴嘴配合并環(huán)繞在內(nèi)噴嘴外面，內(nèi)、外噴嘴形成套管式結(jié)構(gòu)；控溫夾套設(shè)置在外噴嘴的外面，用于控制整個裝置和兩股物流混合前、后的溫度；裝置下端設(shè)一收集器，用于捕集、緩沖和進一步混合微通道內(nèi)、外噴嘴高速混合后的物流。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，用于避免和分散收集器中顆粒凝并形成的團聚體。該裝置特別適合應用于液-液沉淀法連續(xù)制備具有納、微米結(jié)構(gòu)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(shè)備，不僅有效地強化了液-液微觀混合，使沉淀反應生成的顆粒大小均勻，而且實現(xiàn)了連續(xù)化生產(chǎn)。
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(yōu)先權(quán)日2009年4月9日
發(fā)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