CN104001349B

CN104001349B - 用于液液两相分离的微通道分离器

Info

Publication number: CN104001349B
Application number: CN201410279919.9A
Authority: CN
Inventors: 陈晓; 赵志刚; 曹耿; 潘美英
Original assignee: Southwest Minzu University
Current assignee: Southwest Minzu University
Priority date: 2014-06-20
Filing date: 2014-06-20
Publication date: 2015-08-05
Anticipated expiration: 2034-06-20
Also published as: CN104001349A

Abstract

本发明公开了一种液液两相分离器，尤其是一种用于液液两相分离的微通道分离器。本发明提供了一种简化分离过程、提高分离效率的用于液液两相分离的微通道分离器，包括主体和微通道，所述主体由至少一层亲水通道板和至少一层疏水通道板叠合而成；所述微通道呈三维螺旋状，所述微通道沿着主体的叠合方向盘旋穿透而形成。本分离器采用了三维螺旋状的微通道、亲水通道板和疏水通道板，混合液沿着微通道盘旋前进，不断的经过亲水通道板和疏水通道板，基于Dean涡流耦合的液滴惯性迁移机理，以及亲水疏水面的界面作用，促使液滴的碰撞聚并，使得两相混合液最终分离，提升微通道在高通量下对小液滴的捕捉分离作用。

Description

用于液液两相分离的微通道分离器

技术领域

本发明涉及一种液液两相分离器，尤其是一种用于液液两相分离的微通道分离器。

背景技术

液-液两相分离在石油、化工、纺织、环保、陶瓷等行业中占有重要地位，是工艺保障、流体净化、产品提纯、原料回收以及设备保护等必不可缺的关键单元操作。液-液两相分离被广泛应用于反应分离、萃取、石油输送、污水处理等众多过程。随着现代工业的发展，液-液两相分离过程必须面对复杂的分离体系和日益严格的环保、能耗及分离效率要求。

传统的液-液两相分离技术无法满足现代工业的要求，如化学破乳会造成二次污染，重力沉降对液滴粒径和两相密度差极为敏感，正逐渐被旋流分离、电破乳、斜板沉降、膜法、生物法等新型分离技术替代。因此研究新型、高效的液-液两相分离技术是满足现代工业分离要求的有效途径。新技术通过外加力场、电场、破坏液液两相混合液液膜强度等方法实现强化分离作用、提高分离效率的目的。(1)旋流分离技术是通过流道设计使流体形成旋流，利用强力离心力实现两相分离的新技术。在旋流设备中，流体自旋流器顶端进口处沿切线方向进入，流体中的重相在离心力作用下加速向壁面运动，并沿壁面流至下端出口，而轻相在内环流作用下上升至上端出口，最终实现两相分离。通常分离效率较低，不能完全分离。(2)电破乳技术是将W/O两相混合液置于交流、直流或高频脉冲的高压电场(10～20kV)中，加速液滴的聚结速度，最终实现破乳，但存在潜在的安全问题。(3)斜板沉降的基本分离原理仍为重力沉降，在液液两相分离方面，斜板沉降技术被广泛应用在石油工业中的油水分离、化工方面的有毒废液处理、环境污水处理和液体净化等方面。(4)膜技术采用选择性透过膜作为分离介质，以压力差、浓度差、温度差或者电位差等推动力控制不同物质的过膜速度，实现浓缩或分离的目的。膜技术还具有设备简单、操作条件温和、能耗低等优点。但膜污染会降低膜的分离效果，是目前影响膜应用的主要问题。(5)微生物破乳适用于O/W和W/O两相混合液的分离，特别是成分复杂的原油生产中的两相混合液。该方法的缺点：一方面微生物的培养成本较高，另一方面微生物的生长会受到多种因素的影响，所以其适用范围受到一定限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种简化分离过程，提高分离效率的用于液液两相分离的微通道分离器。

本发明解决其技术问题所采用的用于液液两相分离的微通道分离器，包括主体和微通道，所述主体由至少一层亲水通道板和至少一层疏水通道板叠合而成；所述微通道呈三维螺旋状，所述微通道沿着主体的叠合方向盘旋穿透而形成。主体实际上一个多层复合结构，亲水通道板和疏水通道板可以交替设置，也可以按其它方式排列；微通道是沿着主体的叠合方向，也就是厚度方向开设，以穿过每层；从另一方面来看，微通道实际上也是由主体每层上的分段通道密封拼接而成；微通道的开设方式不是沿直线前进，而是三维螺旋体的方式，这种三维螺旋体结构可以在小的设备体积内极大的增加微通道的长度，从而大幅度延长作用时间、提高分离效率。

进一步的是，所述主体还包括至少一层中空垫板，所述亲水通道板和疏水通道板在叠合方向上交替设置，所述中空垫板叠合设置在亲水通道板和疏水通道板之间。

进一步的是，所述微通道位于中空垫板处的分段呈圆弧形；所述微通道为镂空型通道或刻蚀型通道。这种结构的优点就是：可以通过增加中空垫板、亲水通道板和疏水通道板的个数来增加微通道的螺旋角度和长度。微通道的螺旋角度和长度可以在压力装置允许的前提下不断增加。

进一步的是，所述主体还包括两块微通道压板，在叠合的顺序上，两块所述微通道压板分别叠合在第一块和最后一块。微通道压板、中空垫板、亲水通道板和疏水通道板通过螺栓、螺钉、螺旋压板等方式密封，防止分离过程中漏液。

进一步的是，所述微通道包括一个进口、两个出口和至少一条盘旋通道体，所述盘旋通道体的一端与进口相连通，另一端和两个出口连通。

进一步的是，所述盘旋通道体至少设置两条，并且所有盘旋通道共用进口和出口。多个盘旋通道体可以使本分离器的处理量成倍的增加，同时不会增加主体的体积。

进一步的是，亲水通道板采用的材料为：铜、铝、不锈钢、硅片、玻璃；或者是，将PTFE、PMMA、PC、PVC、COC、铜、铝、不锈钢、硅片、玻璃等进行亲水或超亲水修饰所得的材料。

进一步的是，疏水通道板采用的材料为：PTFE、PMMA、PC、PVC、COC，或者是，将PTFE、PMMA、PC、PVC、COC、铜、铝、不锈钢、硅片、玻璃等进行疏水或超疏水修饰所得的材料。

进一步的是，中空垫板采用PTFE、PMMA、PC、PVC、COC、铜、铝、不锈钢、硅片、玻璃或其结合的材料制成。

进一步的是，微通道压板采用PTFE、PMMA、PC、PVC、COC、铜、铝、不锈钢、硅片、玻璃或其结合的材料制成。

本发明的有益效果是：本分离器采用了三维螺旋状的微通道、亲水通道板和疏水通道板，液液两相混合液沿着微通道盘旋前进，不断的经过亲水通道板和疏水通道板，基于螺旋状通道中Dean涡流耦合的液滴惯性迁移机理，以及亲水疏水表面的界面作用，促使分散相液滴的碰撞聚并，使得两相混合液最终分离，提升微通道在高通量下对小液滴的捕捉分离作用。本分离器操作简单、能够在数秒内完成液液分离，简化分离过程，提高分离效率，具有绿色、高效、安全等优点，在液液分离的相关领域具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的示意图；

图2是图1的爆炸示意图；

图3是微通道的示意图；

图中零部件、部位及编号：主体1、微通道2、疏水通道板3、亲水通道板4、中空垫板5、微通道压板6、出口7、进口8。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、图2和图3所示，图中的箭头方向表示液体的流向，本发明包括主体1和微通道2，所述主体1由至少一层亲水通道板4和至少一层疏水通道板3叠合而成；所述微通道2呈三维螺旋状，所述微通道2沿着主体1的叠合方向盘旋穿透而形成。如图3所示，本发明的微通道2水力直径通常为5～1000μm，螺旋体的形状可以是方形，也可以是圆弧形；整个分离器的工作原理如下：主体1具有亲水和亲油层，也就是亲水通道板4和疏水通道板3，两相混合液在泵或压力的作用下，进入微通道分离器，基于Dean涡流耦合的液滴惯性迁移机理，以及亲水疏水面的界面作用，促使液滴的碰撞聚并，并最终分离成两股互不混合的液体。本发明的优势体现在三维螺旋状的微通道2，两相混合液在通过三维螺旋状的微通道2时，会产生Dean漩涡造成液滴的惯性运动，同时流体流经亲水通道板4和疏水通道板3时液滴会在表面作用下产生碰撞聚并，从而极大的提高了两相混合液的分离效果，进一步提升微通道在高通量下对小液滴的捕捉分离作用。

为了便于调节微通道2的盘旋角度和长度，如图2所示，所述主体1还包括至少一层中空垫板5，所述中空垫板5叠合设置在亲水通道板4和疏水通道板3之间。微通道2实际上是由主体每层上的分段通道密封拼接而成。作为优选实施方式，如图2所示，所述微通道2位于中空垫板5处的分段呈圆弧形；中空垫板5的厚度可以是10～1000μm，通过增加中空垫板5、亲水通道板4和疏水通道板3的个数来增加微通道2的螺旋角度和长度。微通道2的螺旋角度和长度可以在压力装置允许的前提下不断增加。

为了便于安装组合，如图1所示，所述主体1还包括两块微通道压板6，在叠合的顺序上，两块所述微通道压板6分别叠合在第一块和最后一块。微通道压板6、中空垫板5、亲水通道板4和疏水通道板3通过螺栓、螺钉、螺旋压板等方式密封，防止分离过程中漏液。

具体的，如图3所示，所述微通道包括一个进口8、两个出口7和至少一条螺旋通道体，所述进口8和出口7分别设置在螺旋通道体的两端。所述螺旋通道体至少设置两条，并且所有螺旋通道共用进口8和出口7。

在只有一条螺旋通道体的情况下，两相混合液首先从进口8进入，沿螺旋通道体盘旋前进，在主体1的各层功能板的作用下逐渐分离，最终分化为两股互不混合的液体分别从两个出口7中流出。上述工作过程也说明了整个微通道2的结构。

在具有多个盘旋通道体的情况下，两相混合液首先从进口8进入，然后分为多股进入到各个盘旋通道体，每股在各自的盘旋通道体分离，分离出的液体最终在各自的出口汇合。这种结构可以成倍的提高处理量，并且不会增加主体1的体积。

本分离器可以采用以下制造方法制造，当然也可以采用其它方法制作：

(1)利用计算机辅助设计软件设计与绘制出微通道分离器中微通道压板6、中空垫板5、亲水通道板4、疏水通道板3的微观结构与图形。

(2)通过微加工技术加工微通道压板6、亲水通道4板和疏水通道板3上所需的微结构及其微通道2出口与进口，并对微通道压板6进行打磨，以便于微通道的密封。

(3)利用微加工技术加工出具有不用弧度的中空垫板5，同时，通过改变中空垫板5的厚度来改变微通道的高度。

(4)按照一定的顺序排列微通道压板6、中空垫板5、亲水通道板4和疏水通道板3，得到三维螺旋非对称微通道2，并进行密封。

实施例1

利用计算机辅助设计软件设计和绘制微通道压板6、中空垫板5、亲水通道板4和疏水通道板3的内部结构图形。利用数控铣刻出微通道压板6、中空垫板5和亲水通道板4，其材质分别为不锈钢，100μm铜板和不锈钢，同时，用清水和丙酮对其进行清洗以去掉表面的油污。另外，疏水通道板3是通过热塑法所得的PTFE薄膜。按照图2组装成5×360°的微通道分离器，利用蠕动泵将含油率为50％，平均粒径为12μm的油水两相混合液注入微通道分离器中，两相混合液在数秒内完成破乳过程，实现液液分离。

实施例2

利用计算机辅助设计软件设计和绘制微通道压板6、中空垫板5、亲水通道板4和疏水通道板3的内部结构图形。利用化学腐蚀法制备出微通道压板6、100μm中空垫板5、亲水通道板4和疏水通道板3，其材质均为玻璃，另外，疏水通道板3通过玻璃表面发生烷基化反应，使其疏水化。将微通道压板6、中空垫板5、亲水通道板4和疏水通道板3置于乙醇和清水中清洗，除去表面残留的化学腐蚀剂。按照图1组装成5×360°的微通道分离器，利用空气压缩机在特定压力下将含油率为50％，平均粒径为12μm的两相混合液注入微通道分离器中，两相混合液在数秒内完成破乳过程，实现液液分离。

Claims

1.用于液液两相分离的微通道分离器，其特征在于：包括主体(1)和微通道(2)，所述主体(1)由至少一层亲水通道板(4)和至少一层疏水通道板(3)叠合而成；所述微通道(2)呈三维螺旋状，所述微通道(2)沿着主体(1)的叠合方向盘旋穿透而形成。

2.如权利要求1所述的用于液液两相分离的微通道分离器，其特征在于：所述主体(1)还包括至少一层中空垫板(5)，所述亲水通道板(4)和疏水通道板(3)在叠合方向上交替设置，所述中空垫板(5)叠合设置在亲水通道板(4)和疏水通道板(3)之间。

3.如权利要求2所述的用于液液两相分离的微通道分离器，其特征在于：所述微通道(2)位于中空垫板(5)处的分段呈圆弧形；所述微通道(2)为镂空型通道或刻蚀型通道。

4.如权利要求1所述的用于液液两相分离的微通道分离器，其特征在于：所述主体(1)还包括两块微通道压板(6)，在叠合的顺序上，两块所述微通道压板(6)分别叠合在第一块和最后一块。

5.如权利要求1所述的用于液液两相分离的微通道分离器，其特征在于：所述微通道包括一个进口(8)、两个出口(7)和至少一条盘旋通道体，所述盘旋通道体的一端与进口(8)相连通，另一端和两个出口(7)连通。

6.如权利要求5所述的用于液液两相分离的微通道分离器，其特征在于：所述盘旋通道体至少设置两条，并且所有盘旋通道共用进口(8)和出口(7)。

7.如权利要求1至6任一权利要求所述的用于液液两相分离的微通道分离器，其特征在于：亲水通道板(4)采用的材料为：铜、铝、不锈钢、硅片、玻璃；或者是，将PTFE、PMMA、PC、PVC、COC、铜、铝、不锈钢、硅片、玻璃进行亲水或超亲水修饰所得的材料。

8.如权利要求1至6任一权利要求所述的用于液液两相分离的微通道分离器，其特征在于：疏水通道板(3)采用的材料为：PTFE、PMMA、PC、PVC、COC，或者是，将PTFE、PMMA、PC、PVC、COC、铜、铝、不锈钢、硅片、玻璃进行疏水或超疏水修饰所得的材料。

9.如权利要求2所述的用于液液两相分离的微通道分离器，其特征在于：中空垫板(5)采用PTFE、PMMA、PC、PVC、COC、铜、铝、不锈钢、硅片、玻璃或其结合的材料制成。

10.如权利要求4所述的用于液液两相分离的微通道分离器，其特征在于：微通道压板(6)采用PTFE、PMMA、PC、PVC、COC、铜、铝、不锈钢、硅片、玻璃或其结合的材料制成。