專利名稱：微通道套管式裝置及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種強(qiáng)化混合、傳質(zhì)、傳熱與反應(yīng)的裝置。具體而言， 涉及一種強(qiáng)化混合、傳質(zhì)、傳熱與反應(yīng)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(jī)、 有機(jī)或藥物顆粒的微觀混合與反應(yīng)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(jī)化合物、無機(jī)化合物、 藥物顆粒在微電子、信息、航天、化工、機(jī)械、汽車、藥物等諸多領(lǐng) 域都有著巨大的應(yīng)用。納、微米結(jié)構(gòu)顆粒的制備方法分為物理法和化 學(xué)法，無論是物理法還是化學(xué)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(yīng)器或沉淀設(shè)備，由于攪拌釜本身的特 點，很難保證反應(yīng)物物料之間快速的混合、傳質(zhì)和傳熱，因此導(dǎo)致沉 淀后生成的顆粒大小不均，沉淀或反應(yīng)的時間過長，生產(chǎn)效率不高。 究其原因，主要是反應(yīng)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(qiáng)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(jìn) 旋轉(zhuǎn)填充床(也稱為超重力反應(yīng)器，中國專利號ZL95215430.7)作為 反應(yīng)器，發(fā)明了 一種制備超細(xì)碳酸鈣的方法(中國專利號 ZL95105343.4)。該方法縮短了碳化反應(yīng)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(yīng)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(yùn)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(qiáng)化液一液微觀混合與反應(yīng)，可連續(xù)制備具 有納、微米結(jié)構(gòu)的無機(jī)、有機(jī)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(qiáng)化混合、傳質(zhì)、傳熱及反應(yīng)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(jìn)液管、第二進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)化混合、傳
質(zhì)、與傳熱及反應(yīng)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(jìn)一步設(shè)置有機(jī)械探針，有效預(yù)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(xì)的實施方案中，裝置中機(jī)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(yù)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(xì)的實施方案中，裝置中機(jī)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(dá)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(jī)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(jī)械探針的工作原理是對于實心結(jié)構(gòu)機(jī)械探針，在機(jī)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(jī)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(dāng)氣體閥門開啟時，機(jī)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(dāng)氣體闊門關(guān)閉時，由于氣體壓力恢復(fù)常壓，機(jī)械探針因為彈簧 作用恢復(fù)原狀。這樣，機(jī)械探針就可以定時疏通噴嘴芯來達(dá)到整個裝 置連續(xù)運(yùn)行的目的。對于空心結(jié)構(gòu)的機(jī)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(jī)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(dāng)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(dá)到定時疏通噴嘴， 實現(xiàn)整個裝置連續(xù)運(yùn)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(jìn)一步避免和分散收集器中顆粒凝并 形成的團(tuán)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(jìn)行進(jìn)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(jī)、有機(jī) 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(yīng)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(qiáng)化了液一液微觀混合 及后續(xù)反應(yīng)，使沉淀反應(yīng)生成的顆粒大小均勻；特別是進(jìn)一步設(shè)置機(jī) 械探針預(yù)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(jìn)一步避免和分散顆粒凝并形成的團(tuán)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(biāo)識的含義為l.機(jī)械探針控制部分，2.第一進(jìn)液管，
3.第二進(jìn)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(jī)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(jī)、有機(jī)或藥物顆粒的方法中。當(dāng)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(zhǔn)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(rèn)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(dāng) 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(kuò)散和相變的發(fā)生。當(dāng)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(dǎo)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(qiáng)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(jìn)行詳細(xì)描述。
具體操作時，液體物流a從第一進(jìn)液管2快速進(jìn)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(jìn)一步變小而流速加快。液體物 流b從第二進(jìn)液管3快速進(jìn)入外噴嘴通道5，在外噴嘴芯10處流體b 由于通道進(jìn)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(dá)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(dāng)量直徑。
為有效預(yù)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(yùn)行，裝置設(shè)置有機(jī) 械探針8。
機(jī)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(yùn)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(dá)到的。若為實心結(jié)構(gòu)，則機(jī)械探針8是通過定時向下探 伸穿過噴嘴芯來達(dá)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(jī)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(tuán)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(jìn)行分散和抗團(tuán)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(yīng)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(yīng)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(jī)堿溶液，或者四甲基氫氧化銨等有機(jī)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(jìn)入各自進(jìn)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(yīng)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(jìn)液管、第二進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)械探針，預(yù)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(jī)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(jī)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(tuán)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(yīng)用于液一液體系制備具有納、微米結(jié)構(gòu)的無機(jī)、有機(jī)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(yīng)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(jìn)液管中通 入金屬離子鹽溶液，第二進(jìn)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(yīng)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(yīng)裝置。該裝置包括第一進(jìn)液管、第二進(jìn)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(jìn)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(jī)械探針，預(yù)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(tuán)聚體。該裝置特別適合應(yīng)用于液-液沉淀法連續(xù)制備具有納、微米結(jié)構(gòu)的無機(jī)、有機(jī)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(qiáng)化了液-液微觀混合，使沉淀反應(yīng)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(xué);新加坡納米材料科技公司