一种形成稳定环状流的三通组合式微通道装置的制作方法

本发明属于微化工设备领域，特别涉及一种能形成稳定环状流的微通道装置。

背景技术：

微通道装置在液液萃取上应用广泛，关于微通道内液液两相流型的研究备受关注，因为流型会显著影响传质速率和出口流体的分相。微通道内两相流体的研究表明，在微通道内液液两相流体可形成弹状流、滴状流、并行流和环状流等一系列流型。环状流与其它流型相比，其形成时环状流两相流体的流量比范围更大{当外环流体为水相、内环流体为油相时，油相与水相的流量比为1：(0.43～2.4)都能形成环状流，见陈丹.微通道内液液两相流型和传质特性研究[d].天津大学.2012.}，因而适用范围更广，更能满足实际应用需要。但是现有微通道内液液两相形成的环状流存在下述问题：(1)环状流两相界面会随着流速增大而出现随机波动现象，且波动幅度随着流速的增加而变大，两相流体之间不能保持界面清晰稳定，导致两相流体不能即时分相；(2)在两相流量比超过一定值时，内环相会被剪切成分散液滴，破坏流型，两相流体不再呈双连续相流动，影响两相分离。

此外，常见的微通道装置制备工序较多，导致成本增大，不能满足需要低成本获得微通道装置的使用者的需要。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种形成稳定环状流的三通组合式微通道装置，以使液液两相流体能以稳定环状流的流型在微通道内流动，在流出微通道时即时分相及拓宽形成环状流的两相流量比范围，并简化制备工序，降低成本。

本发明所述形成稳定环状流的三通组合式微通道装置，包括底座、进流引导夹具、出流引导夹具、第一内管、第二内管、外管、线状中心插件和支撑柱组，当线状中心插件用亲油材料制作时，外管用亲水材料制作，当线状中心插件用亲水材料制作时，外管用亲油材料制作；所述进流引导夹具由第一三通组件和第二三通组件组成；第一三通组件包括第一三通、第一进液管、接头和橡胶密封塞，第一三通的第一流道中心线与第二流道中心线重合，第一三通的第三流道中心线与第一流道和第二流道中心线垂直，第一三通的三个流道接口端部均安装有接头，第一进液管穿过第一三通的第三流道所安装的接头内孔插入该第三流道，由刃环固定，橡胶密封塞安装在第一三通的第一流道所安装的接头内孔中；第二三通组件包括第二三通、第二进液管和接头，第二三通的第一流道中心线与第二流道中心线重合，第二三通的第三流道中心线与第一流道和第二流道中心线垂直，第二三通的三个流道接口端部均安装有接头，第二进液管穿过第二三通的第三流道所安装的接头内孔插入该第三流道，由刃环固定；所述出流引导夹具由第三三通组件和第四三通组件组成；第三三通组件包括第三三通、第一出液管、接头和橡胶密封塞，第三三通的第一流道中心线与第二流道中心线重合，第三三通的第三流道中心线与第一流道和第二流道中心线垂直，第三三通的三个流道接口端部均安装有接头，第一出液管穿过第三三通的第三流道所安装的接头内孔插入该第三流道，由刃环固定，橡胶密封塞安装在第三三通的第一流道所安装的接头内孔中；第四三通组件包括第四三通、第二出液管和接头，第四三通的第一流道中心线与第二流道中心线重合，第四三通的第三流道中心线与第一流道和第二流道中心线垂直，第四三通的三个流道接口端部均安装有接头，第二出液管穿过第四三通的第三流道所安装的接头内孔插入该第三流道，由刃环固定；所述第一三通组件、第三三通组件分别固定在底座的两端，固定时应使第一三通组件中第一三通的第一流道接口端部所安装的接头朝向底座之外，第三三通组件中第三三通的第一流道接口端部所安装的接头朝向底座之外，且第一三通的第一流道中心线与第三三通的第一流道中心线重合；第二三通组件固定在底座上，固定时应使第二三通组件中第二三通的第一流道接口端部所安装的接头与所述第一三通的第二流道接口端部所安装的接头相接触且第二三通的第一流道中心线与第一三通的第二流道中心线重合；第四三通组件固定在底座上，固定时应使第四三通组件中第四三通的第一流道接口端部所安装的接头与所述第三三通的第二流道接口端部所安装的接头相接触且第四三通的第一流道中心线与第三三通的第二流道中心线重合；所述支撑柱为两根，分别安装在底座的两端并分别位于第一三通组件、第三三通组件的外侧；第一内管的一端穿过第二三通组件内孔插入第一三通组件中的第一三通的第二流道并通过刃环固定，其另一端位于第二三通组件之外；第二内管的一端穿过第四三通组件内孔插入第三三通组件中第三三通的第二流道并通过刃环固定，其另一端位于第四三通组件之外；外管的一端与第一内管套装并穿过第二三通的第二流道所安装的接头内孔插入该第二流道通过刃环固定，外管的另一端与第二内管套装并穿过第四三通的第二流道所安装的接头内孔插入该第二流道通过刃环固定；线状中心插件插装在第一内管、第二内管和外管中，其两端分别伸出第一三通组件、第三三通组件并分别固定在两根支撑柱上，固定时应使线状中心插件处于拉紧状态。

上述形成稳定环状流的三通组合式微通道装置，所述外管内径不大于1.5mm，第一内管和第二内管的内径不大于0.8mm，第一内管外壁与外管内壁之间的间隙及第二内管外壁与外管内壁之间的间隙为0.1～0.4mm，外管的长度至少为50mm。

上述形成稳定环状流的三通组合式微通道装置，所述线状中心插件为等直径圆形横截面线状体或外形轮廓规则变化的线状体。当线状中心插件为等直径圆形横截面线状体时，线状中心插件的线径不大于内管(包括第一內管、第二內管)内径的1/2；当线状中心插件为外形轮廓规则变化的线状体时，线状中心插件的径向最大尺寸不大于内管(包括第一內管、第二內管)内径的1/2。

上述形成稳定环状流的三通组合式微通道装置，所述外形轮廓规则变化的线状体为麻花状或扭绳状线状体。

上述形成稳定环状流的三通组合式微通道装置，所述线状中心插件的一端或两端连接有弹簧，以便在固定线状中心插件时，易于使其处于拉紧状态。

上述形成稳定环状流的三通组合式微通道装置，制作线状中心插件的亲油材料优选聚乙烯、聚丙烯或尼龙，制作线状中心插件的亲水材料优选低碳钢、中碳钢、不锈钢或钛；制作外管的亲油材料优选聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或尼龙，制作外管的亲水材料优选石英玻璃、不锈钢或钛。

上述形成稳定环状流的三通组合式微通道装置，主要适用于教学实验中的液液萃取或液液反应实验。形成外环的流体可以是水相，也可以是有机相；当形成外环的流体为水相、形成内环的流体为有机相时，线状中心插件用亲油材料制作，外管用亲水材料制作；当形成外环的流体为有机相、形成内环的流体为水相时，线状中心插件用亲水材料制作，外管用亲油材料制作。操作时控制形成内环的流体的流量为0.1～2ml/min，形成内环的流体与形成外环的流体的流量比为1:(1～10)，即可在微通道中形成稳定的环状流。

本发明所述形成稳定环状流的三通组合式微通道装置具有以下有益效果：

1、本发明所述微通道装置由于设置了一根线状中心插件，且线状中心插件用亲油材料制作时，外管用亲水材料制作，线状中心插件用亲水材料制作时，外管用亲油材料制作，因而可使液液两相流体在较宽的流量比范围内能形成稳定的环状流，拓宽了形成环状流的两相流量比范围。

2、由于本发明所述微通道装置可使液液两相流体在微通道内形成稳定的环状流，因而两相流体在流出微通道时可即时分相(见实施例)。

3、由于本发明所述微通道装置的进流引导夹具和出流引导夹具均由三通组件组成，而三通和接头、刃环等构件可通过市场直接购买，且价格低，因而制备工序大为简化，成本降低(就目前的市场价格，1000元人民币左右就可组装一台本发明所述微通道装置)，便于教学单位等使用量大的用户接受。

4、由于本发明所述微通道装置的组合方式简单且便于拆卸，因而使用时便于根据需要(实验目的)更换不同形状、材质的线状中心插件及改变微通道的尺寸。

附图说明

图1为本发明所述形成稳定环状流的三通组合式微通道装置的结构示意图；

图2为本发明所述形成稳定环状流的三通组合式微通道装置的内部流路示意图；

图3为一种变径三通的示意图；

图4为另一种变径三通的示意图；

图5为等直径圆形横截面线状中心插件的示意图；

图6为麻花状线状中心插件的示意图；

图7为扭绳状线状中心插件的示意图；

图8为实施例2中微通道内两相流体的流型图片；

图9为实施例3中微通道内两相流体的流型图片。

图中，1—支撑柱，2—弹簧，3—第一进液管，4—第二进液管，5—一体接头，6-1—第一三通，6-1-1—第一三通的第一流道，6-1-2—第一三通的第二流道，6-1-3—第一三通的第三流道，6-1-4—第一三通的安装孔，6-2—第三三通，6-2-1—第三三通的第一流道，6-2-2—第三三通的第二流道，6-2-3—第三三通的第三流道，6-2-4—第三三通的安装孔，7—分体接头，8-1—第二三通，8-1-1—第二三通的第一流道，8-1-2—第二三通的第二流道，8-1-3—第二三通的第三流道，8-1-4—第二三通的安装孔，8-2—第四三通，8-2-1—第四三通的第一流道，8-2-2—第四三通的第二流道，8-2-3—第四三通的第三流道，8-2-4—第四三通的安装孔，9-1—第一内管，9-2—第二内管，10—外管，11—线状中心插件，12—固位螺钉，13—条形孔，14—第二出液管，15—第一出液管，16—底座，17—刃环，18—橡胶密封塞，19—水相流体，20—有机相流体。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明所述形成稳定环状流的三通组合式微通道装置及其使用作进一步说明。显然，所描述实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

下述实施例中，微通道内两相流体的流型图片使用数码相机连接倒置光学显微镜从外管的下方拍摄。

实施例1

本实施例中的形成稳定环状流的三通组合式微通道装置如图1、图2所示，由底座16、进流引导夹具、出流引导夹具、第一内管9-1、第二内管9-2、外管10、线状中心插件11、弹簧2、支撑柱1和固位螺钉12构成。

所述外管10为石英玻璃毛细管，外径为1.5mm、内径为0.9mm、长度为120mm，第一内管9-1和第二内管9-2为316l不锈钢毛细管，外径均为0.7mm、内径均为0.5mm、长度均为70mm，第一内管外壁与外管内壁之间的间隙及第二内管外壁与外管内壁之间的间隙均为0.1mm，线状中心插件1为图5所示的等直径圆形横截面尼龙线，线径为0.2mm。

所述进流引导夹具由第一三通组件和第二三通组件组成。第一三通组件包括第一三通6-1、第一进液管3、接头和橡胶密封塞18；第一三通6-1选用图3所示的变径三通，其第一流道6-1-1中心线与第二流道6-1-2中心线重合，其第三流道6-1-3中心线与第一流道和第二流道中心线垂直，三个流道均为1/16"标准接口；所述第一流道6-1-1接口端部和第三流道6-1-3接口端部分别安装有一体接头5(一体接头是指接头的螺柱下端组合有刃环的接头)，第二流道6-1-2接口端部安装有分体接头7(分体接头是指接头的螺柱下端未组合有刃环的接头)；第一进液管3穿过第一三通6-1的第三流道6-1-3所安装的接头内孔插入该第三流道，由设置在所述一体接头5螺柱下端自带的刃环及再设的刃环17固定，橡胶密封塞18安装在第一三通6-1的第一流道6-1-1所安装的接头内孔中。第二三通组件包括第二三通8-1、第二进液管4和接头；第二三通8-1选用图4所示的变径三通，其第一流道8-1-1中心线与第二流道8-1-2中心线重合，其第三流道8-1-3中心线与第一流道和第二流道中心线垂直，第一流道8-1-1为1/32"标准接口，第二流道8-1-2和第三流道8-1-3为1/16"标准接口；所述第二流道8-1-2接口端部和第三流道8-1-3接口端部分别安装有一体接头5，所述第一流道8-1-1接口端部安装有分体接头7；第二进液管4穿过第二三通8-1的第三流道8-1-3所安装的接头内孔插入该第三流道，由设置在所述一体接头5螺柱下端自带的刃环及再设的刃环17固定。

所述出流引导夹具由第三三通组件和第四三通组件组成。第三三通组件包括第三三通6-2、第一出液管15、接头和橡胶密封塞18；第三三通6-2选用图3所示的变径三通，其第一流道6-2-1中心线与第二流道6-2-2中心线重合，其第三流道6-2-3中心线与第一流道和第二流道中心线垂直，三个流道均为1/16"标准接口；所述第一流道6-2-1接口端部和第三流道6-2-3接口端部分别安装有一体接头5，第二流道6-2-2接口端部安装有分体接头7；第一出液管15穿过第三三通6-2的第三流道6-2-3所安装的接头内孔插入该第三流道，由设置在所述一体接头5螺柱下端自带的刃环及再设的刃环17固定，橡胶密封塞18安装在第三三通6-1的第一流道6-2-1所安装的接头内孔中。第四三通组件包括第四三通8-2、第二出液管14和接头；第四三通8-2选用图4所示的变径三通，其第一流道8-2-1中心线与第二流道8-2-2中心线重合，其第三流道8-2-3中心线与第一流道和第二流道中心线垂直，第一流道8-2-1为1/32"标准接口，第二流道8-2-2和第三流道8-2-3为1/16"标准接口；所述第二流道8-2-2接口端部和第三流道8-2-3接口端部分别安装有一体接头5，所述第一流道8-2-1接口端部安装有分体接头7；第二出液管14穿过第四三通8-2的第三流道8-2-3所安装的接头内孔插入该第三流道，由设置在所述一体接头5螺柱下端自带的刃环及再设的刃环17固定。

所述底座如图1所示，其上设置有中心线在一条直线上的两个用于安装进流引导夹具和出流引导夹具的条形孔13。进流引导夹具的第一三通组件、出流引导夹具的第三三通组件分别通过固位螺钉12、条形孔13和螺母固定在底座16的两端，固定时应使第一三通组件中第一三通6-1的第一流道接口端部所安装的接头朝向底座之外，第三三通组件中第三三通6-2的第一流道接口端部所安装的接头朝向底座之外，且第一三通6-1的第一流道6-1-1中心线与第三三通6-2的第一流道6-2-1中心线重合。进流引导夹具的第二三通组件通过固位螺钉12、条形孔13和螺母固定在底座16上，固定时应使第二三通组件中第二三通8-1的第一流道8-1-1接口端部所安装的接头与所述第一三通6-1的第二流道6-1-2接口端部所安装的接头相接触，且第二三通8-1的第一流道8-1-1中心线与第一三通6-1的第二流道6-1-2中心线重合。出流引导夹具的第四三通组件通过固位螺钉12、条形孔13和螺母固定在底座16上，固定时应使第四三通组件中第四三通8-2的第一流道8-2-1接口端部所安装的接头与所述第三三通6-2的第二流道6-2-2接口端部所安装的接头相接触，且第四三通8-2的第一流道8-2-1中心线与第三三通6-2的第二流道6-2-2中心线重合。

所述支撑柱1为两根，分别安装在底座16的两端并分别位于第一三通组件、第三三通组件的外侧。第一内管9-1的一端穿过第二三通组件内孔插入第一三通组件中的第一三通6-1的第二流道6-1-2并通过刃环17固定，其另一端位于第二三通组件之外；第二内管9-2的一端穿过第四三通组件的内孔插入第三三通组件中的第三三通6-2的第二流道6-2-2并通过刃环17固定，其另一端位于第四三通组件之外。外管10的一端与第一内管9-1套装并穿过第二三通8-1的第二流道接口端部所安装的接头内孔插入该第二流道，通过一体接头5螺柱下端自带的刃环固定，外管10的另一端与第二内管9-2套装并穿过第四三通8-2的第二流道接口端部所安装的接头内孔插入该第二流道，通过一体接头5螺柱下端自带的刃环固定。线状中心插件11插装在第一内管9-1、第二内管9-2和外管10中，其两端分别伸出第一三通组件、第三三通组件与弹簧2连接后再分别固定在两根支撑柱1上，固定时应使线状中心插件处于拉紧状态。

实施例2

本实施例以去离子水为水相、以染上苏丹红ⅲ的甲苯为有机相，使用实施例1所述三通组合式微通道装置，对形成稳定环状流进行验证。

控制水相和有机相流体的温度为25℃，通过注射器将形成外环的水相流体以2ml/min的流量经第二进液管4输入微通道，待形成外环的流体充满微通道后，再将形成内环的有机相流体以2ml/min的流量经第一进液管3、第一内管9-1输入微通道，在微通道内，有机相流体20环绕线状中心插件11并紧贴线状中心插件流动，水相流体19环绕有机相流体并在与有机相流体和外管10内壁接触的状态下流动，且水相流体与有机相流体接触的界面稳定、清晰，即两种流体在微通道内以稳定的环状流流型流动(见图8)；形成外环的水相流体19经外管10右端进入第四三通8-2，再经第二出液管14、流出微通道装置，形成内环的有机相流体20经第二内管9-2进入第三三通6-2，再经第一出液管15流出微通道装置。

实施例3

本实施例将实施例1中形成稳定环状流的三通组合式微通道装置的线状中心插件11更换为径向最大尺寸为0.2mm的麻花状线状体(见图6)，以去离子水为水相、以染上苏丹红ⅲ的甲苯为有机相对形成稳定的环状流进行验证。

控制水相和有机相流体的温度为25℃，通过注射器将形成外环的水相流体以3.4ml/min的流量经第二进液管4输入微通道，待形成外环的流体充满微通道后，再将形成内环的有机相流体以1.7ml/min的流量经第一进液管3、第一内管9-1输入微通道，在微通道内，有机相流体20贴附于麻花状线状中心插件11沿水平方向流动，水相流体19环绕有机相流体并在与有机相流体和外管10内壁接触的状态下形成规律变形的稳定环状流(见图9)；形成外环的水相流体19经外管10右端进入第四三通8-2，再经第二出液管14流出微通道装置，形成内环的有机相流体20经第二内管9-2进入第三三通6-2，再经第一出液管15流出微通道装置。