用于液液兩相分離的微通道分離器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種液液兩相分離器，尤其是一種用于液液兩相分離的微通道分離器。本發(fā)明提供了一種簡(jiǎn)化分離過(guò)程、提高分離效率的用于液液兩相分離的微通道分離器，包括主體和微通道，所述主體由至少一層親水通道板和至少一層疏水通道板疊合而成；所述微通道呈三維螺旋狀，所述微通道沿著主體的疊合方向盤旋穿透而形成。本分離器采用了三維螺旋狀的微通道、親水通道板和疏水通道板，混合液沿著微通道盤旋前進(jìn)，不斷的經(jīng)過(guò)親水通道板和疏水通道板，基于Dean渦流耦合的液滴慣性遷移機(jī)理，以及親水疏水面的界面作用，促使液滴的碰撞聚并，使得兩相混合液最終分離，提升微通道在高通量下對(duì)小液滴的捕捉分離作用。
【專利說(shuō)明】用于液液兩相分離的微通道分離器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種液液兩相分離器，尤其是一種用于液液兩相分離的微通道分離器。
【背景技術(shù)】
[0002]液-液兩相分離在石油、化工、紡織、環(huán)保、陶瓷等行業(yè)中占有重要地位，是工藝保障、流體凈化、產(chǎn)品提純、原料回收以及設(shè)備保護(hù)等必不可缺的關(guān)鍵單元操作。液-液兩相分離被廣泛應(yīng)用于反應(yīng)分離、萃取、石油輸送、污水處理等眾多過(guò)程。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，液-液兩相分離過(guò)程必須面對(duì)復(fù)雜的分離體系和日益嚴(yán)格的環(huán)保、能耗及分離效率要求。
[0003]傳統(tǒng)的液-液兩相分離技術(shù)無(wú)法滿足現(xiàn)代工業(yè)的要求，如化學(xué)破乳會(huì)造成二次污染，重力沉降對(duì)液滴粒徑和兩相密度差極為敏感，正逐漸被旋流分離、電破乳、斜板沉降、膜法、生物法等新型分離技術(shù)替代。因此研究新型、高效的液-液兩相分離技術(shù)是滿足現(xiàn)代工業(yè)分離要求的有效途徑。新技術(shù)通過(guò)外加力場(chǎng)、電場(chǎng)、破壞液液兩相混合液液膜強(qiáng)度等方法實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化分離作用、提高分離效率的目的。(I)旋流分離技術(shù)是通過(guò)流道設(shè)計(jì)使流體形成旋流，利用強(qiáng)力離心力實(shí)現(xiàn)兩相分離的新技術(shù)。在旋流設(shè)備中，流體自旋流器頂端進(jìn)口處沿切線方向進(jìn)入，流體中的重相在離心力作用下加速向壁面運(yùn)動(dòng)，并沿壁面流至下端出口，而輕相在內(nèi)環(huán)流作用下上升至上端出口，最終實(shí)現(xiàn)兩相分離。通常分離效率較低，不能完全分離。(2)電破乳技術(shù)是將W/0兩相混合液置于交流、直流或高頻脈沖的高壓電場(chǎng)(10?20kV)中，加速液滴的聚結(jié)速度，最終實(shí)現(xiàn)破乳，但存在潛在的安全問(wèn)題。(3)斜板沉降的基本分離原理仍為重力沉降，在液液兩相分離方面，斜板沉降技術(shù)被廣泛應(yīng)用在石油工業(yè)中的油水分離、化工方面的有毒廢液處理、環(huán)境污水處理和液體凈化等方面。(4)膜技術(shù)采用選擇性透過(guò)膜作為分離介質(zhì)，以壓力差、濃度差、溫度差或者電位差等推動(dòng)力控制不同物質(zhì)的過(guò)膜速度，實(shí)現(xiàn)濃縮或分離的目的。膜技術(shù)還具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作條件溫和、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。但膜污染會(huì)降低膜的分離效果，是目前影響膜應(yīng)用的主要問(wèn)題。(5)微生物破乳適用于0/W和W/0兩相混合液的分離，特別是成分復(fù)雜的原油生產(chǎn)中的兩相混合液。該方法的缺點(diǎn):一方面微生物的培養(yǎng)成本較高，另一方面微生物的生長(zhǎng)會(huì)受到多種因素的影響，所以其適用范圍受到一定限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種簡(jiǎn)化分離過(guò)程，提高分離效率的用于液液兩相分離的微通道分離器。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的用于液液兩相分離的微通道分離器，包括主體和微通道，所述主體由至少一層親水通道板和至少一層疏水通道板疊合而成；所述微通道呈三維螺旋狀，所述微通道沿著主體的疊合方向盤旋穿透而形成。主體實(shí)際上一個(gè)多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，親水通道板和疏水通道板可以交替設(shè)置，也可以按其它方式排列；微通道是沿著主體的疊合方向，也就是厚度方向開(kāi)設(shè)，以穿過(guò)每層；從另一方面來(lái)看，微通道實(shí)際上也是由主體每層上的分段通道密封拼接而成；微通道的開(kāi)設(shè)方式不是沿直線前進(jìn)，而是三維螺旋體的方式，這種三維螺旋體結(jié)構(gòu)可以在小的設(shè)備體積內(nèi)極大的增加微通道的長(zhǎng)度，從而大幅度延長(zhǎng)作用時(shí)間、提高分離效率。
[0006]進(jìn)一步的是，所述主體還包括至少一層中空墊板，所述親水通道板和疏水通道板在疊合方向上交替設(shè)置，所述中空墊板疊合設(shè)置在親水通道板和疏水通道板之間。
[0007]進(jìn)一步的是，所述微通道位于中空墊板處的分段呈圓弧形；所述微通道為鏤空型通道或刻蝕型通道。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)就是:可以通過(guò)增加中空墊板、親水通道板和疏水通道板的個(gè)數(shù)來(lái)增加微通道的螺旋角度和長(zhǎng)度。微通道的螺旋角度和長(zhǎng)度可以在壓力裝置允許的前提下不斷增加。
[0008]進(jìn)一步的是，所述主體還包括兩塊微通道壓板，在疊合的順序上，兩塊所述微通道壓板分別疊合在第一塊和最后一塊。微通道壓板、中空墊板、親水通道板和疏水通道板通過(guò)螺栓、螺釘、螺旋壓板等方式密封，防止分離過(guò)程中漏液。
[0009]進(jìn)一步的是，所述微通道包括一個(gè)進(jìn)口、兩個(gè)出口和至少一條盤旋通道體，所述盤旋通道體的一端與進(jìn)口相連通，另一端和兩個(gè)出口連通。
[0010]進(jìn)一步的是，所述盤旋通道體至少設(shè)置兩條，并且所有盤旋通道共用進(jìn)口和出口。多個(gè)盤旋通道體可以使本分離器的處理量成倍的增加，同時(shí)不會(huì)增加主體的體積。
[0011]進(jìn)一步的是，親水通道板采用的材料為:銅、鋁、不銹鋼、硅片、玻璃；或者是，將PTFE, PMMA, PC、PVC、C0C、銅、鋁、不銹鋼、硅片、玻璃等進(jìn)行親水或超親水修飾所得的材料。
[0012]進(jìn)一步的是，疏水通道板采用的材料為:PTFE、PMMA, PC、PVC、C0C，或者是，將PTFE, PMMA, PC、PVC、COC、銅、鋁、不銹鋼、硅片、玻璃等進(jìn)行疏水或超疏水修飾所得的材料。
[0013]進(jìn)一步的是，中空墊板采用PTFE、PMMA、PC、PVC、COC、銅、鋁、不銹鋼、硅片、玻璃或其結(jié)合的材料制成。
[0014]進(jìn)一步的是，微通道壓板采用PTFE、PMMA、PC、PVC、COC、銅、鋁、不銹鋼、硅片、玻璃或其結(jié)合的材料制成。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:本分離器采用了三維螺旋狀的微通道、親水通道板和疏水通道板，液液兩相混合液沿著微通道盤旋前進(jìn)，不斷的經(jīng)過(guò)親水通道板和疏水通道板，基于螺旋狀通道中Dean渦流耦合的液滴慣性遷移機(jī)理，以及親水疏水表面的界面作用，促使分散相液滴的碰撞聚并，使得兩相混合液最終分離，提升微通道在高通量下對(duì)小液滴的捕捉分離作用。本分離器操作簡(jiǎn)單、能夠在數(shù)秒內(nèi)完成液液分離，簡(jiǎn)化分離過(guò)程，提高分離效率，具有綠色、高效、安全等優(yōu)點(diǎn)，在液液分離的相關(guān)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是本發(fā)明的示意圖；
[0017]圖2是圖1的爆炸示意圖；
[0018]圖3是微通道的示意圖；
[0019]圖中零部件、部位及編號(hào):主體1、微通道2、疏水通道板3、親水通道板4、中空墊板
5、微通道壓板6、出口 7、進(jìn)口 8。
【具體實(shí)施方式】[0020]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0021]如圖1、圖2和圖3所示，圖中的箭頭方向表示液體的流向，本發(fā)明包括主體I和微通道2，所述主體I由至少一層親水通道板4和至少一層疏水通道板3疊合而成；所述微通道2呈三維螺旋狀，所述微通道2沿著主體I的疊合方向盤旋穿透而形成。如圖3所示，本發(fā)明的微通道2水力直徑通常為5?1000 μ m,螺旋體的形狀可以是方形，也可以是圓弧形；整個(gè)分離器的工作原理如下:主體I具有親水和親油層，也就是親水通道板4和疏水通道板3，兩相混合液在泵或壓力的作用下，進(jìn)入微通道分離器，基于Dean渦流耦合的液滴慣性遷移機(jī)理，以及親水疏水面的界面作用，促使液滴的碰撞聚并，并最終分離成兩股互不混合的液體。本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在三維螺旋狀的微通道2，兩相混合液在通過(guò)三維螺旋狀的微通道2時(shí)，會(huì)產(chǎn)生Dean漩渦造成液滴的慣性運(yùn)動(dòng)，同時(shí)流體流經(jīng)親水通道板4和疏水通道板3時(shí)液滴會(huì)在表面作用下產(chǎn)生碰撞聚并，從而極大的提高了兩相混合液的分離效果，進(jìn)一步提升微通道在高通量下對(duì)小液滴的捕捉分離作用。
[0022]為了便于調(diào)節(jié)微通道2的盤旋角度和長(zhǎng)度，如圖2所示，所述主體I還包括至少一層中空墊板5，所述中空墊板5疊合設(shè)置在親水通道板4和疏水通道板3之間。微通道2實(shí)際上是由主體每層上的分段通道密封拼接而成。作為優(yōu)選實(shí)施方式，如圖2所示，所述微通道2位于中空墊板5處的分段呈圓弧形；中空墊板5的厚度可以是10?1000 μ m，通過(guò)增加中空墊板5、親水通道板4和疏水通道板3的個(gè)數(shù)來(lái)增加微通道2的螺旋角度和長(zhǎng)度。微通道2的螺旋角度和長(zhǎng)度可以在壓力裝置允許的前提下不斷增加。
[0023]為了便于安裝組合，如圖1所示，所述主體I還包括兩塊微通道壓板6，在疊合的順序上，兩塊所述微通道壓板6分別疊合在第一塊和最后一塊。微通道壓板6、中空墊板5、親水通道板4和疏水通道板3通過(guò)螺栓、螺釘、螺旋壓板等方式密封，防止分離過(guò)程中漏液。
[0024]具體的，如圖3所示，所述微通道包括一個(gè)進(jìn)口 8、兩個(gè)出口 7和至少一條螺旋通道體，所述進(jìn)口 8和出口 7分別設(shè)置在螺旋通道體的兩端。所述螺旋通道體至少設(shè)置兩條，并且所有螺旋通道共用進(jìn)口 8和出口 7。
[0025]在只有一條螺旋通道體的情況下，兩相混合液首先從進(jìn)口 8進(jìn)入，沿螺旋通道體盤旋前進(jìn)，在主體I的各層功能板的作用下逐漸分離，最終分化為兩股互不混合的液體分別從兩個(gè)出口 7中流出。上述工作過(guò)程也說(shuō)明了整個(gè)微通道2的結(jié)構(gòu)。
[0026]在具有多個(gè)盤旋通道體的情況下，兩相混合液首先從進(jìn)口 8進(jìn)入，然后分為多股進(jìn)入到各個(gè)盤旋通道體，每股在各自的盤旋通道體分離，分離出的液體最終在各自的出口匯合。這種結(jié)構(gòu)可以成倍的提高處理量,并且不會(huì)增加主體I的體積。
[0027]本分離器可以采用以下制造方法制造，當(dāng)然也可以采用其它方法制作:
[0028](I)利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)與繪制出微通道分離器中微通道壓板6、中空墊板5、親水通道板4、疏水通道板3的微觀結(jié)構(gòu)與圖形。
[0029](2)通過(guò)微加工技術(shù)加工微通道壓板6、親水通道4板和疏水通道板3上所需的微結(jié)構(gòu)及其微通道2出口與進(jìn)口，并對(duì)微通道壓板6進(jìn)行打磨，以便于微通道的密封。
[0030](3)利用微加工技術(shù)加工出具有不用弧度的中空墊板5，同時(shí)，通過(guò)改變中空墊板5的厚度來(lái)改變微通道的高度。
[0031](4)按照一定的順序排列微通道壓板6、中空墊板5、親水通道板4和疏水通道板3，得到三維螺旋非對(duì)稱微通道2，并進(jìn)行密封。[0032]實(shí)施例1
[0033]利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)和繪制微通道壓板6、中空墊板5、親水通道板4和疏水通道板3的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖形。利用數(shù)控銑刻出微通道壓板6、中空墊板5和親水通道板4，其材質(zhì)分別為不銹鋼，100 μ m銅板和不銹鋼，同時(shí)，用清水和丙酮對(duì)其進(jìn)行清洗以去掉表面的油污。另外，疏水通道板3是通過(guò)熱塑法所得的PTFE薄膜。按照?qǐng)D2組裝成5X360°的微通道分離器，利用蠕動(dòng)泵將含油率為50%，平均粒徑為12 μ m的油水兩相混合液注入微通道分離器中，兩相混合液在數(shù)秒內(nèi)完成破乳過(guò)程，實(shí)現(xiàn)液液分離。
[0034]實(shí)施例2
[0035]利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)和繪制微通道壓板6、中空墊板5、親水通道板4和疏水通道板3的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖形。利用化學(xué)腐蝕法制備出微通道壓板6、100 μ m中空墊板5、親水通道板4和疏水通道板3，其材質(zhì)均為玻璃，另外，疏水通道板3通過(guò)玻璃表面發(fā)生烷基化反應(yīng)，使其疏水化。將微通道壓板6、中空墊板5、親水通道板4和疏水通道板3置于乙醇和清水中清洗，除去表面殘留的化學(xué)腐蝕劑。按照?qǐng)D1組裝成5X360°的微通道分離器，利用空氣壓縮機(jī)在特定壓力下將含油率為50%，平均粒徑為12 μ m的兩相混合液注入微通道分離器中，兩相混合液在數(shù)秒內(nèi)完成破乳過(guò)程，實(shí)現(xiàn)液液分離。
【權(quán)利要求】
1.用于液液兩相分離的微通道分離器，其特征在于:包括主體(I)和微通道(2)，所述主體(I)由至少一層親水通道板(4)和至少一層疏水通道板(3)疊合而成；所述微通道(2)呈三維螺旋狀，所述微通道(2)沿著主體(I)的疊合方向盤旋穿透而形成。
2.如權(quán)利要求1所述的用于液液兩相分離的微通道分離器，其特征在于:所述主體(I)還包括至少一層中空墊板(5)，所述親水通道板(4)和疏水通道板(3)在疊合方向上交替設(shè)置，所述中空墊板(5)疊合設(shè)置在親水通道板(4)和疏水通道板(3)之間。
3.如權(quán)利要求2所述的用于液液兩相分離的微通道分離器，其特征在于:所述微通道(2)位于中空墊板(5)處的分段呈圓弧形；所述微通道(2)為鏤空型通道或刻蝕型通道。
4.如權(quán)利要求1所述的用于液液兩相分離的微通道分離器，其特征在于:所述主體(I)還包括兩塊微通道壓板出)，在疊合的順序上，兩塊所述微通道壓板(6)分別疊合在第一塊和最后一塊。
5.如權(quán)利要求1所述的用于液液兩相分離的微通道分離器，其特征在于:所述微通道包括一個(gè)進(jìn)口(8)、兩個(gè)出口(7)和至少一條盤旋通道體，所述盤旋通道體的一端與進(jìn)口(8)相連通，另一端和兩個(gè)出口(7)連通。
6.如權(quán)利要求5所述的用于液液兩相分離的微通道分離器，其特征在于:所述盤旋通道體至少設(shè)置兩條，并且所有盤旋通道共用進(jìn)口(8)和出口(7)。
7.如權(quán)利要求1至6任一權(quán)利要求所述的用于液液兩相分離的微通道分離器，其特征在于:親水通道板(4)采用的材料為:銅、鋁、不銹鋼、硅片、玻璃；或者是，將PTFE、PMMA、PC、PVC, COC、銅、鋁、不銹鋼、硅片、玻璃等進(jìn)行親水或超親水修飾所得的材料。
8.如權(quán)利要求1至6任一權(quán)利要求所述的用于液液兩相分離的微通道分離器，其特征在于:疏水通道板(3)采用的材料為:PTFE、PMMA、PC、PVC、COC，或者是，將PTFE、PMMA、PC、PVC、C0C、銅、鋁、不銹鋼、硅片、玻璃等進(jìn)行疏水或超疏水修飾所得的材料。
9.如權(quán)利要求2所述的用于液液兩相分離的微通道分離器，其特征在于:中空墊板(5)采用PTFE、PMMA、PC、PVC、COC、銅、鋁、不銹鋼、硅片、玻璃或其結(jié)合的材料制成。
10.如權(quán)利要求4所述的用于液液兩相分離的微通道分離器，其特征在于:微通道壓板(6)采用PTFE、PMMA、PC、PVC、COC、銅、鋁、不銹鋼、硅片、玻璃或其結(jié)合的材料制成。
【文檔編號(hào)】B01D17/022GK104001349SQ201410279919
【公開(kāi)日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年6月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月20日
【發(fā)明者】陳曉, 趙志剛, 曹耿, 潘美英 申請(qǐng)人:西南民族大學(xué)