物质处理装置及物质处理方法

专利名称：物质处理装置及物质处理方法
物质处理装置及物质处理方法技术领域：
本发明涉及一种物质处理装置及一种物质处理方法，尤其是一种具有良 好密封效果的定子一转子型物质处理装置及物质处理方法。背景技术：
现有的定子一转子型反应器包括设有圓柱状的定子和转子，转子可相对 旋转地安装在定子中。转子和定子间形成一个狭窄的环形物质处理通道，转成库特流，从而实现流体的充分混合。要形成库特流，需要使转子高转速运行，因此，密封装置的磨损非常迅 速。若仅以密封圈进行密封，因为磨损迅速需要经常更换。根据使用经验， 一般需要一天更换一次密封圈，为使用带来极大不便。另外，进行每一次实验之前一般需要清洗反应器，防止残留物污染下一次实验，尤其是高通量实验。若密封装置过于复杂，比如迷宫式密封，残留物进入密封装置后不易被清除，就会对下一次实验造成污染从而影响实验结 田不 鉴于现有定子一转子型高剪切力反应器存在的以上缺陷，有必要提供一 种全新的物质处理装置以满足高通量实验的需求。
发明内容本发明的一个目的在于提供一种物质处理装置，具有可靠持久的密封效田本发明的另一个目的在于提供一种物质处理方法，具有可靠持久的密封 效果。本发明并不限于以上目的。本发明的 一方面提供了 一种物质处理装置，包括设有第 一 圓柱面的第一 元件以及设有第二圓柱面的第二元件。其中，第一圆柱面与第二圆柱面之间 形成一环形物质处理通道，第一圆柱面与第二圓柱面之间的间距足够小，使 得当第一元件与第二元件相对旋转时，被处理物料可在所述物质处理通道中 形成库特流。所述物质处理装置还包括一密封腔，位于所述物质处理通道的 一端，以密封所述物质通道。所述物质处理装置还包括一第一端口 ，用于将 一第一流体引入所述密封腔。所述物质处理装置还包括一第二端口，用于输 出所述密封腔内的物质。其中，所述第一元件与第二元件位于所述密封腔内的部分可以是其他形 状，比如三角柱、四方柱、六角柱等。其中，所述密封腔由第一元件、第二元件、第一密封件和第二密封件包 围形成。本发明的另一方面提供了一物质处理装置，包括第一元件以及可相对旋 转地至少部分收容于该第 一元件内的第二元件，第 一元件和第二元件之间形 成一物质处理通道，第一元件与第二元件相对旋转时可使物质处理通道内的 被处理物质形成库特流。该物质处理装置还包括一密封腔，位于所述物质处 理通道的一端，以密封所述物质通道。所述物质处理装置还包括一第一端口 ， 用于将一第一流体引入所述密封腔。所述物质处理装置还包括一第二端口 ， 用于输出所述密封腔内的物质。本发明的另一方面提供了一种物质处理方法，包括以下步骤往一物质 处理通道中输入第一原料与第二原料；使所述第一原料与第二原料至少之一 在所述物质处理通道中形成库特流；使一第一流体通过一位于所述物质处理 通道一端的密封腔。进一步的，第二端口与第一流体收集装置连接。第一流体可以是气态物质也可以是液态物质。较优选的，第一流体是气 态物质。更优选的，第一流体可以是空气、氮气、惰性气体等气态物质。更 优选的，第一流体可以是不与物质处理通道内的物质发生反应的气态物质。 如果第一流体是空气，可以把从第二端口排出的空气直接排入大气，也可以 进行处理后，比如过滤，再排入大气；如杲第一流体是惰性气体等比较昂贵 的气态物质，可以把从第二端口排出的第一流体进行净化后再循环利用。对 于由第一流体带出的泄漏物可以集中收集处理。进一步的，第一流体以高速注入所述密封腔，具有冷却第一密封件与第 二密封件的作用，若第一密封件与第二密封件之一是密封圈，那么第一流体 可以防止其软化。同时高速的第 一流体可以及时把自物质处理通道泄漏至密 封腔的物质从第二端口吹扫出去，从而兼具清洗密封腔的作用。如果第一流 体是气态物质，且密封腔内的第一流体保持一定压力，比如通过在第二端口处设置一个压力流量控制装置(PFC)使密封腔内的第一流体保持一定压力，那么第一流体又同时具备了气密封的作用，优选的，密封腔内的压力小于物 质处理通道内的压力。另外，若第一流体为惰性气态物质(相对于物质处理 通道内的物质而言)，还可以防止空气从磨损产生的第二密封件与第二元件 之间的间隙进入物质处理通道影响被处理物质。进一步的，第一密封件和第二密封件可以采用但不限于以下密封方式， 比如螺紋密封、以各种材料制成的各种密封圈、石墨密封等等。进一步的，所述第一元件和第二元件相对旋转的速度可以是1000rpm(转 每分钟)至12000rpm,优选的，可以是3000rpm至8000rpm，根据具体情况进 行选择。
图l是本发明物质处理装置的结构示意图。图2A-2B是本发明物质处理装置的剖视图。 图3C-3E是图2B中A所示部分的局部放大图。 图4是本发明物质处理方法的流程图。
具体实施方式请参图l,在一个实施方案中， 一物质处理装置10包括一第一元件11、 一第二元件12以及一驱动装置14。其中，第一元件ll设有圓柱状收容腔lOO, 第二元件12可旋转地收容于收容腔100，其中，第二元件12收容于收容腔100 的部分为圆柱状。第一元件11与第二元件12之间形成环形物质处理通道110， 其包括预处理段111及处理段112。第二元件12对应物质处理通道预处理段 111的部分为第二元件预处理段121，第二元件对应物质处理通道处理段112 的部分为第二元件处理段122。收容腔周面为光滑表面，第二元件预处理段121周面设有连续条紋，第 二元件处理段122周面为光滑表面。如此，当驱动装置14驱动第二元件12旋 转时，物质处理通道预处理#更111可产生一沿轴向由物质处理通道预处理,殳 111指向物质处理通道处理段112的分力，利于物料进入物质处理通道处理段 112，并使物料分布均匀。其中，驱动装置14可以是电机，当然也可以是其 他动力装置，比如磁力驱动装置等。第一元件12对应物质处理通道预处理,爻111处设有第一进料端口 113，第 一进料端口113与固态原料输送装置20连接。其中，所述固态原料输送装置 20可以是螺旋加料装置。螺旋加料装置20包括储料室21、送料管道22、螺杆23以及驱动装置24。 储料室21用于存储固态原料。螺杆23收容于送料管道22。驱动装置24用于驱 动螺杆23旋转，从而把固态原料从储料室21通过第一进料端口 113输送至所 述物质处理通道IIO。在一个实施方案中，螺旋加料装置20还可以包括与储料室21连通的净化管道25,用于送料前抽空储料室21内的空气以免污染固态原料和物质处理通 道110内的反应。在一个实施方案中，螺旋加料装置20还可以包括与储料室21 连通的疏通管道26,用于向储料室21内通入一定压力的气体，以防止固态原 料造成堵塞。进一步的，通入所述疏通管道26的气体不与储料室21内的固态原料反 应，或者在一定条件下不与储料室21内的固态原料反应。进一步的，通入所述疏通管道26的气体可以是氮气、氦气、氖气、氩气 等的一种或多种。进一步的，如业内技术人员所知，还可以采用其他固态原料输送装置， 比如粉末输送泵、管链送料机等。进一步的，还可以在第一进料端口 113处设置振动装置，振动第一进料 端口 113以防止固态原料堵塞第一进料端口 113。振动装置可以是通过脉冲气 体提供振动的装置，也可以是通过机械碰撞提供振动的装置。第一元件11还设有第二进料端口114,其中，第二进料端口 114位于第一 进料端口113靠近处理段的一侧，用于输送液态原料。在一个实施方案中，可 以采用注射装置作为液态原料输送装置。当然，也可以采用其他液态原料输 送装置，比如泵等。在一个实施方案中，也可以通过第一进料端口 113进行液态原料输送， 通过第二进料端口 114进行固态原料输送。进一步的，可以把物质处理装置倾斜放置或者垂直放置，使预处理段lll 的水平位置高于处理段112，从而避免液态原料进入第一进料端口 113造成堵塞。进一步的，第一元件ll对应处理段处还设有产物收集端口 115。请参图2A，在本发明的一个实施方案中，物质处理装置10a包括第一元 件lla、第二元件12a、第一密封元件131a以及第二密封件132a。其中，第一 元件10a设有一圓柱状收容腔。第二元件a可旋转地收容于第一元件的收容腔，从而，第 一元件11 a与第二元件12a之间形成环状物质处理通道110a。在一个实施方案中，第一密封件131a是形成于第二元件12a上的螺紋密 封，第二密封件132a是密封圈，第二密封元件132a设于第一密封元件131a远 离物质处理通道110a的一侧。第一元件lla、第二元件12a、第一密封件131a 以及第二密封件132a包围形成密封腔130a。第一元件lla还设有与密封腔130a 连通的第一端口 133a和第二端口 134a。可以通过第一端口 133a输入一第一流 体，再通过第二端口 134a输出第一流体。 一方面，若密封腔130a内的第一流 体保持在一定的压力下，可以在一定程度上防止物质处理通道110a内的被处 理物质泄漏至密封腔130a。另一方面，第一流体还可将由物质处理通道110a 泄漏至密封腔130a的物质从第二端口 134a吹扫出以收集并进行相关处理，从 而防止泄露物泄漏至设备所处环境。请参图2B，在另一实施方案中，物质处理装置10b包括第一元件llb、第 二元件12b、第一密封元件131b以及第二密封件132b。其中，第一元件10b设 有一圓柱状收容腔。第二元件b可旋转地收容于第一元件的收容腔，从而， 第 一元件1 lb与第二元件12b之间形成环状物质处理通道l 10b。第一密封件131b和第二密封件132b都是密封圏。第一元件llb、第二元 件12b、第一密封件131b以及第二密封件132b包围形成密封腔130b。第一元 件llb还设有与密封腔130b连通的第一端口 133b和第二端口 134b。以下将结合图3C至图3E对图2B中A部分的密封结构进行更详细的说明。进一步的，请参图3C,第一密封件131c和第二密封件132c均采用普通密 封圈，当物质处理装置运行一段时间后密封圏就会被磨损成为零间隙配合， 在密封圈与第二元件12c之间形成间隙1310c和1320c。磨损后形成的间隙较 小，只要密封腔130c内的第一流体保持一定压力就可在一定程度上阻止物质 处理通道110c内的物质泄漏进入密封腔130c。另外，密封圈磨损后不再需要 润滑油以减小第一元件llc转动的阻力，也不再因磨擦从密封圈上脱落细微的 材料颗粒而污染物质处理通道内的^L处理物质。只要第一流体不与物质处理 通道内110c的被处理物质反应，相比密封圈磨损之前，因为没有润滑油以及 磨损产生的颗粒，因此，物质处理通道110c受到的污染得到了降低。在一个实施方案中，在第二元件12c上靠近第一端口 133c和第二端口 134c 处设置第一凹槽135c，在第一元件llc收容腔靠近第一端口 133c和第二端口 134c处设置第二凹槽136c,该设置可以在一定程度上防止泄漏物质从缝隙 1320c泄漏至物质处理装置外。由于液态物质容易进入但不容易流出第一凹槽 135c和第二凹槽136c，因此，可以阻碍^^人物质处理通道110c泄漏的液态物质 向第二密封件132c方向运动。另外，在第一流体的高速冲击下，第一凹槽135c 内的液态物质可被吹扫至第二凹槽136c内。在一个实施方案中，第二端口 134c 设置在第二凹槽136c内，被第一流体吹扫至第二凹槽136c内的液态物质可被 进一步通过第二端口134c吹扫出，进而被集中收集与处理。在一个实施方案 中，可以把第一凹槽13 5 c设计成利于4巴其内的液态物质吹扫至第二凹槽13 6c 的形状。在一个实施方案中，第一凹槽135c沿轴向设置在第二凹槽136c的范 围内。进一步的，可以把第一端口 135c设置在密封腔130c顶部，把第二端口 136c 设置在密封腔130c底部，从而利于把泄漏物质/人第二端口136c吹扫出。也可 以根据具体情况比如第一端口 135c的大小、第二元件12c的直径等设计成其他 分布，总之只要利于把泄漏物质从第二端口 136c吹扫出即可。请参图3D，在一个实施方案中，第一密封件131d和第二密封件132d是设 于第一元件lld的单唇密封圈，其唇部1311d和1321d都位于密封腔130d内，第 一密封件131 d和第二密封件132d磨损后与第二元件12d之间形成间隙1310d 和1320d。如杲密封腔130d内的压力大于物质处理通道110d，那么第一密封件 131d的唇部1311d将被压往第二元件12d从而形成密封，同样的，如果密封腔 130d内的压力大于物质处理装置所处环境的压力，那么唇部1321d将被压往 第二元件12d从而形成密封。另一方面，若从第一端口133d输入并从第二端 口 134d输出的第 一流体是具有一定压力的气态物质，那么密封装置就同时具 备了气密封的作用。进一步的，请参图3E,在一个实施方案中，第一密封件131e和第二密封 件132e是设于第一元件lle的单唇密封圈，其中，第一密封件13le的唇部131 le 位于物质处理通道110e内，而第二密封件132e的唇部1321e位于密封腔130e 内，第 一 密封件131 e和第二密封件132e磨损后与第二元件12e之间形成间隙1310e和1320e。如果密封月空130e内的压力小于物质处理通道110e，那么第一 密封件131e的唇部1311e将被压往第二元件12e从而形成密封，同样的，如果 密封腔130e内的压力大于物质处理装置所处环境的压力，那么第二密封件 132e的唇部1321e将被压往第二元件12e从而形成密封。另一方面，若从第一 端口 133e输入并从第二端口 134e输出的第一流体是气态物质，那么密封装置 就同时具备了气密封的作用。 ，就密封件的磨损而言，密封件磨损后与第二元件之间的间隙是最小间 隙，若第一流体是气态物质且密封腔保持一定压力，那么密封装置就具备了 气密封效果，与密封件结合后能达到较佳的密封效果。所述密封装置即使在 密封件磨损后依然具备较好的密封效果，所以即使密封件磨损后也不需要更 换，耐用程度高。另外，密封件磨损后与第二元件之间不再有摩擦，所以无 需再为其添加润滑油，从而减少了对物质处理通道内物质的污染，对于要求 较高的实验而言这点尤为重要。就物质处理通道的清洗而言，因为所述密封装置的特殊结构，即使第一 密封件不采用结构复杂的密封手段，密封装置也同样具有良好的密封效果， 而第一密封件的结构越简单就越利于清洗，所以所述密封装置的特殊结构利 于物质处理通道的清洗。就物质的泄漏而言，因为第 一流体从第 一端口输入并从第二端口输出， 可以4巴自物质处理通道泄漏进入密封腔的物质及时从第二端口冲刷走，这些 泄漏物质就不会从第二密封件泄漏出物质处理装置污染实验环境。本发明物质处理装置的第 一元件和第二元件可以使用相同的或者不相 同的材料制成。基于待处理物的特性、产物特性、反应或(和)混合过程的 所需条件、成本等因素考虑，本发明物质处理装置的元件可以由铸铁、不锈 钢、合金、铝等金属材料制成，也可以由塑料等高分子材料制成，也可以由 陶瓷、玻璃、石英玻璃等无机材料制成，还可以由复合材料制成。本发明的物质处理装置具有以下优点本发明的密封结构中，往密封腔内通入流体的设计具有冷却第一密封件和第二密封件的作用；同时通入的流体还具有清扫密封腔的作用，从而防止 泄漏物泄漏出物质处理装置污染物质处理装置所处环境；若通入密封腔的流体是气态物质，还具有气密封的作用；如果第一密封件为密封圈，还能因此 克服因第一密封件磨损而产生的密封问题；若所述流体为惰性气态物质(相对于物质处理通道内的物质而言)，藉吹扫或(和)压力，还可防止空气从 由磨损产生的第二密封件和第二元件之间的间隙进入密封腔，从而进一步经本发明的物质处理装置可用于使待处理物充分混合或者使待处理物充 分混合而得以充分反应。待处理物可以是具有一种成分的流体，也可以是具 有多种成分的混合流体，其中，流体可以是气体、液体、胶体、固体颗粒或 粉末等，只要流体的形状可以随着收容该流体的容器的形状的改变而改变即 可，待处理物中至少包括一种液体。本发明物质处理装置可以使可溶性的固体或液体完全溶于溶剂中，形成均匀溶液，例如在溶液中均匀添加催化剂等；使不可溶性的固体颗粒或气体暂时分布于溶剂中，形成悬浮液，例如利用悬 浮的石圭颗粒从含有细胞的液体内萃取核糖核酸，在润滑油中加入石墨颗粒以提高润滑效果等；使微溶性的液体以微小液滴分布于溶剂中形成乳状液，如充分混合水与燃油以制造新型节能燃料，用溶剂从原油中提取或剔除特定成分等；促使反应物充分对流，减少局部的浓度差异，从而使反应完全，例如 使不互溶的液体和气体充分混合而完全反应等；促使溶液对流，减少局部的 温度差异，从而保持溶液的温度一致；还可以使黏度较大的生物材料 (bio-derived feedstock)与其他原料进行充分混合或者反应；还可以用于研制 接枝聚合物、离子液体、纳米材料等。图4为本发明一物质处理方法300的流程图。所述物质处理方法300包括以 下步骤往物质处理通道中输入第一原料与第二原料(步骤301 );使所述第一 原料与第二原料至少之一在所述物质通道中形成库特流(步骤303 );通过第一 端口往位于所述物质通道一端的密封腔内输入一第 一流体，通过第二端口将所 述密封腔内的物质输出(步骤305 )。本发明申请中所列专利均是作为参考文献所援引的。上述例举的实施方 案中所涉及的描述，举例和数据仅作为演示和例证之用，并非限定本发明的范围。任何根据本发明所做的非实质性修改加工皆落入本发明权利要求范围 内。因此，附件权利要求书的精神和范围不局限于本申请对该发明的说明版 本。
权利要求
1.一种物质处理装置，包括第一元件；第二元件，可相对旋转地至少部分收容于所述第一元件内；物质处理通道，形成于所述第一元件和第二元件之间，当所述第一元件与第二元件相对旋转时可使被处理物质在所述物质处理通道内形成库特流；其特征在于，该物质处理装置还包括一密封腔，位于所述物质处理通道的一侧，以密封所述物质通道；所述物质处理装置还包括一第一端口，用于将一第一流体引入所述密封腔；以及一第二端口，用于输出所述密封腔内的物质。
2. 如权利要求l所述的物质处理装置，其特征在于所述密封腔由第一元件、 第二元件、第一密封件以及第二密封件包围形成。
3. 如权利要求2所述的物质处理装置，其特征在于所述第一密封件以及第 二密封件是密封圈。
4. 如权利要求3所述的物质处理装置，其特征在于所述第一密封件是单唇 密封圏，将所述物质处理通道与密封腔隔离，其唇部朝向密封腔内。
5. 如权利要求4所述的物质处理装置，其特征在于所述第二密封件是单唇 密封圈，将所述密封腔与外部环境隔离，其唇朝向于密封腔内。
6. 如权利要求l所述的物质处理装置，其特征在于所述第一流体是气态物质。
7. 如权利要求6所述的物质处理装置，其特征在于所述第一流体是在所处 条件下对被处理物质惰'f生的气态物质。
8. 如权利要求l所述的物质处理装置，其特征在于所述物质处理通道包括 预处理段和处理段，其中，第一元件与第二元件相对旋转时，预处理段 产生 一 沿轴向由预处理段指向处理段的分力。
9. 如权利要求l所述的物质处理装置，其特征在于所述第一元件为定子， 所述第二元件为转子。
10. —种物质处理方法，包括以下步骤往一物质处理通道中输入第一原料与第二原料；使所述第一原料与第二原料至少之一在所述物质处理通道中形成层流； -使一第一流体通过一位于所述物质处理通道一侧的密封腔。
全文摘要
一种物质处理装置以及一种物质处理方法，其中所述物质处理装置包括第一元件以及可相对旋转地至少部分收容于该第一元件内的第二元件，第一元件和第二元件之间形成一物质处理通道，第一元件与第二元件相对旋转时可使物质处理通道内的被处理物质形成库特流。该物质处理装置还包括一密封腔，位于所述物质处理通道的一端，以密封所述物质通道。所述物质处理装置还包括一第一端口，用于将一第一流体引入所述密封腔，以及一第二端口，用于输出所述密封腔内的物质。所述物质处理装置和物质处理方法具有良好的密封效果，并有效防止被处理物质泄漏至外部环境。
文档编号B01F7/02GK101274233SQ20071030743
公开日2008年10月1日 申请日期2007年12月29日 优先权日2006年12月30日
发明者王尤崎, 王文戈, 王文辉, 王桂林, 谢广平, 赵贤忠 申请人:亚申科技研发中心(上海)有限公司;美国亚申公司