用于高粘性流体的快速混合的方法和装置制造方法及图纸

提供一种用于混合高度粘性流体以形成混合物的方法和装置。该混合物被快速产生并具有高水平的均匀性。通过在电场的影响下利用所引起的粘性流体融合来产生混合物。通过连接并行于电压源分配流体的管嘴并且使位于管嘴下面的收集板接地来引入电场。当施加某一电压时，共流粘性流体开始融合，因为电场在该流体的表面上产生应力，这导致粘性流体的几何形状和动力学的变化。电场的控制对混合物提供很好的控制。

Fast mixing method and device for high viscous fluid

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于高粘性流体的快速混合的方法和装置
本专利技术总体上涉及用于高效且快速混合具有大且不同的粘度的两种或更多种流体的方法和装置。更具体地，本专利技术依赖使粘性流体电气化并引起它们有力地融合（fold）。
技术介绍
两种或更多种液体的混合是一种通常为了使结果得到的混合物均匀而完成的操作。这样的混合操作控制许多化学或工业过程（诸如化学和生物反应）以及混悬制剂。最终产品的质量着重依赖于混合过程的效率和彻底性。差的混合可能导致各物质之间低效且不完全的反应，导致最终产品具有不满意的性能。在具有高雷诺数的湍流中混合通常是高效且快速的。然而，对于高粘性流体，尤其在受限空间中，流动是层流的，其具有低雷诺数。在没有湍流的情况下，混合主要受分子扩散支配。粘性流体内的缓慢扩散导致极其缓慢的混合或几乎没有明显的混合。当具有大粘度的各流体之间的快速混合是至关重要的过程时这提出了重大挑战。总是难以混合两种粘性流体，例如硅油类。按照惯例，通过利用机械叶轮搅动流体来混合粘性流体。然而，这种类型的混合仅工作在宏观尺度并且仅使叶轮周围的流体混合。能量消耗高并且随着流体的粘度增加而急剧增加。此外，在混合期间粘性流体中的热量传递一般很差，这造成在搅动过程期间的不便。参见R.K.Thakur,Ch.Vial,K.D.P.Nigam,E.B.NaumanandG.Djelveh,Trans.IChemE.,81,787(2003)。利用微流体通道中的压电盘可以稍微增强混合；但是仅在雷诺数处于10-2规模的受限区域中。然而，可以被管理的最高粘度是44.75mPa·s。参见S.Wang,X.Huang,andC.Yang,Lab.Chip.,11,2081(2011)。还可以通过使用粘性指形效应（fingeringeffect）来增强混合。该指形效应最大化各粘性流体之间的界面面积并且最小化混合时间。然而，它仅在各流体之间存在粘度反差的情况下起作用并且该反差必须在最佳范围内。参见B.Jha,L.Cueto-Felgueroso,R.Juanes,Phys.Rev.Lett.,106,194502(2011)。已经提出了用来增强处于低雷诺数流模式的不同液体之间的混合。例如，已经设计了复杂且弯曲的通道来生成混沌对流以被动地促进混合。备选地，已经引入了诸如超声微混合器、声学振荡气泡和附加泵之类的主动方法。这些主动混合器（mixer）通过使流体表面拉伸且融合来施加混沌混合。然而，可以利用这些方法处理的粘度被限于几十mPa·s内。与对于流体运动的大阻力相关联的高粘度对上面提到的方法构成关键限制。此外，对于被动方法，该原理是易懂的，但是它牵涉到复杂的通道制作、缺乏灵活性并通常与被困在通道中的死体积相关联。对于典型地牵涉外来物体的主动方法，用来移除这些物体的附加步骤会向操作添加复杂性。更重要地，混合器附近的流体比更远离混合器的流体更均匀。本领域中还已知，可以通过被称为静电纺丝法的方法来制造凝固的纳米纤维。为了从流体中汲取非常细小的纤维（通常是微尺度或纳米尺度），静电纺丝法使用在流体容器的出口管嘴和导电收集器板之间施加的电荷。当被压缩时，该纤维可以像弹力绳那样融合。然而，在静电纺丝法中使用的典型流体常常是导电且没有粘性的。而且，使用单一流体或预混合的流体。参见WETeo,SRamakrishna,Nanotechnology17,R89(2006)。具有一种可以在没有现有技术的缺点的情况下快速且有效地混合非常粘性流体的方法和装置将是有利的。
技术实现思路
本专利技术涉及一种用于以受控方式快速且有效地混合具有非常大粘度的流体且产生均匀结果的通用方法和装置。本专利技术基于使用电力（electricforce）来引起粘性流体有力地融合。粘性流体的快速融合导致流体界面的快速拉伸和融合，这使混合物迅速地处于均匀状态。可以在没有使用必须被稍后处理的外来混合器的必要性的情况下将它应用于快速混合具有大粘度的两种或更多种流体。粘性流体被充分且有效地混合而没有相关联的死体积。此外，所消耗的能量不会随着流体粘度的增加而增加。可以将本专利技术的方法应用于混合具有大且不同粘度的多种流体，只要通过体积平均得到的平均粘度足够大。在一个示例性实施例中，具有大粘度的两种或更多种流体被引入到悬挂在导电收集板上方的共用室顶部中。允许流体传递通过或共流通过该室并且在该室的底部处通过导电管嘴离开，该管嘴在该板上方一定距离处。通过将电源的正极端连接至管嘴或注入设备且将负极端连接至收集板来在该管嘴和板之间施加高电压。该电压创建促使流体在它们从管嘴通向板时彼此融合的电场。当流体在该板上聚集时发生进一步地融合。实际上，所施加的电场在粘性流体的表面上产生电气应力，从而改变它们的几何形状和动力学。通过施加不同的高电压，可以获得不同的混合结果。特别地，当电压增加时在相同的时间段期间流体的混合增加。由本专利技术（在其中电力引起粘性流体有利地融合）从不同粘性流体的混合制成的混合物是均匀的并且可以通过调整电力而被调整。不仅可以通过改变所施加的电压还可以通过改变各电极之间的距离来调整电力。通过融合频率以及两种粘性流体流过的管嘴或喷出物（jet）的直径来控制粘性流体之间的混合效率。可以通过电力或场强来有效地调整融合频率和喷出物直径二者。可以利用本专利技术来混合的流体的优选示例是具有大粘度的流体（具有≥2Pa·s粘度的硅油；硅油和正丁醇混合物；具有≥3.5Pa·s粘度的聚二甲基硅氧烷；大豆卵磷脂；聚甘油蓖麻醇酯；商用环氧树脂）。用来证实有效混合的粘性流体的优选示例是聚二甲硅氧烷和具有油溶性荧光染料油红O的聚二甲硅氧烷。用来证实电力控制融合频率和喷出物直径的粘性流体的优选示例是大豆卵磷脂、聚甘油蓖麻醇酯、以及具有不同体积比的硅油和正丁醇的混合物。用来证实所施加的电力的有效性的粘性流体的优选示例包括具有不同体积比的硅油和正丁醇的混合物。用来证实该混合的有效混合和性能的粘性流体的优选示例是具有可与彼此起反应的两个部分的商用环氧树脂。附图说明可以通过对附图进行参考的优选实施例的以下详细描述来更完全地理解本专利技术，在附图中：图1是用于实践本专利技术的方法的设备的图示；图2示出在其中当电压增加时引起硅油的共流以进行融合的一系列图像；图3示出对于混合流体的生长环图样；图4a是在不同的施加电压下温度相对时间的图，图4b是作为各环之间的距离ΔL的函数的在环氧反应期间生成的热通量q的双对数图，并且图4c是作为所施加的电压的函数的混合且反应的环氧的弹性模量的图；图5是示出当电场强度增加时流体的喷出物的直径变得更细且它融合得更快的一系列照片；图6a是示出对于不同电场所混合的流体的生长环图样之间的厚度的一系列照片，图6b是示出随着增加的电场的融合频率的增加以及喷出物半径的减小的图表，图6c是作为融合频率的函数的各环之间的距离的双对数图；以及图7a和7b分别是在不同的施加电压下且对于具有两种不同粘度的流体的融合频率和喷出物直径的图表。具体实施方式图1示出用于实践本专利技术的装置的简化设置。在图1中，用注射泵（未被示出）经过单独的入口向Y形连接器10并行注入两种粘性流体L1、L2。连接器的出口通向圆筒12。流体基本上在不混合的情况下通过该圆筒到达金属管嘴14。金属收集盘16被放置在金属管嘴下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于以高水平的均匀性产生两种大粘度流体的混合物的方法，包括以下步骤：促使两种流体彼此并行地共流通过具有导体部分的管嘴；向收集板提供用于容纳来自管嘴的共流流体的导体部分；以及通过在管嘴的导体部分和收集板的导体之间施加电压来在共流流体中感应在它们的流动方向上的电场，由此在流体中引起粘性流体融合以将它们混合。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于以高水平的均匀性产生两种大粘度流体的混合物的方法，包括以下步骤：促使两种流体彼此并行地共流通过具有导体部分的管嘴；向收集板提供用于容纳来自管嘴的共流流体的导体部分；以及通过在管嘴的导体部分和收集板的导体之间施加电压来在共流流体中感应在它们的流动方向上的电场，由此在流体中引起粘性流体融合以将它们混合。2.根据权利要求1所述的用于产生混合物的方法，其中该两种流体具有不同的粘度。3.根据权利要求1所述的用于产生混合物的方法，其中通过控制所感应的电压的幅度来控制融合的频率。4.根据权利要求1所述的用于产生混合物的方法，其中通过控制管嘴和收集板之间的距离来控制融合的频率。5.根据权利要求1所述的用于产生混合物的方法，其中该电场的强度在0到14kV/cm的范围中。6.根据权利要求1所述的用于产生混合物的方法，其中该管嘴具有在40微米到2.0mm的范围中的内径。7.根据权利要求1所述的用于产生混合物的方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔湉湉，刘洲，岑浩璋，王立秋，
申请(专利权)人：港大科桥有限公司，
类型：发明
国别省市：中国香港,81