CN101433815B - 一种膜分散式微通道反应器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种膜分散式微通道反应器，由一根外管和一根内管构成套管，在内、外管之间形成环形微通道，外管上设有流体进口和出口，内管上一端设有流体进口，另一端沿管壁周向为分布有多微孔的微孔膜。与普通的微通道反应器相比，本发明的反应器通道的截面积增大，处理量增大。强化了流体之间的混合和传质。在达到大处理量的同时，也保证了较强的微观混合。特别是在合成纳米颗粒中实现了快速微观混合，合成了平均粒径为37纳米的硫酸钡颗粒，本反应器操作简单，操作费用低，处理量大，在涉及到快速过程的工业生产中有很大的应用前景。

Description

一种膜分散式微通道反应器

技术领域

本发明涉及一种微反应器，特别是膜分散式微通道反应器，用于化学反应过程及纳米颗粒制备。

背景技术

20世纪90年代以来，自然科学与工程技术发展的一个重要趋势是向微型化迈进，尤其是纳米材料的发展，引起了研究者对小尺度和快速过程的极大兴趣。微反应器一般是指通过微加工和精密加工技术制造的小型反应系统，微反应器内流体的微通道尺寸在亚微米到亚毫米量级。

对于液相或气相混合过程来说，分子扩散是混合过程的最后步骤。由Fick定律可知，t～d²/D，其中D为扩散系数，d为扩散特征尺度，t为混合时间。由此可知，混合与扩散系数D和扩散距离d有关，除了高分子的聚合物以外，液体或可溶性固体的扩散系数相差不大。因此，为了减小混合时间，可通过减小扩散距离d来实现。微通道反应器正是基于这一原理提出来的。微反应器具有与大反应器完全不同的几何特性：狭窄规整的微通道、非常小的反应空间和非常大的比表面积。其几何特性决定了微反应器内流体的传递特性和宏观流动特性，并进而导致它具有温度控制好、反应器体积小、转化率和收率高及安全性能好等一系列超越传统反应器的独特的优越性，在化学合成、化学动力学研究和工艺开发等领域具有广阔的应用前景。

目前的微通道反应器多为管式单通道结构，由于通道尺寸较小，一般在亚毫米或微米级，因此反应器的处理量受到了较大的限制，若应用在实际生产中，通常需要大量的微反应器，平行放大并联操作，才可以达到工业生产所需要的生产量，同时要保证与单通道内的反应结果没有大的差别。这种数量放大的方法在实际工业生产中存在一些问题。比如加工精密复杂，费用过高，在实际的操作中也难以保证流体在各个微通道中均匀分布，通道中的流速过低，容易造成微通道的堵塞等。

膜分散式反应器是一种新型反应器，即通过微孔膜使流体分散成微小的液滴，从而强化微观传质过程，如中国专利001057790公开了一种膜分散式萃取器，该萃取器在一个柱形筒中置有膜管或平板膜，膜上有0.01-60微米的微孔，将液体分散成微小的液滴，增大传质面积，提高萃取效果。由于该萃取器是以萃取为目的，缺少对流体接触后的微尺寸限制，因此不太适宜应用在快速反应合成纳米颗粒的过程，如CN 1318429A一种膜分散制备超细颗粒的方法，即采用用该类型反应器，制备硫酸钡颗粒，将硫酸-正丁醇溶液通过微孔膜分散成微小的液滴，再与氯化钡溶液反应制备出硫酸钡颗粒，该专利仅利用微孔膜对液滴的初始粒径进行了限制，但流体接触后的混合特性(如流速、流体层的厚度等)没有得到较好的控制，因此制得的颗粒粒径偏大(平均粒径为1微米)。

发明内容

本发明提供一种膜分散式微通道反应器，不仅通过微孔膜分散增大传质面积，而且实现对流体接触后的微尺寸限制，同时在保证通道尺寸处于微米级的同时，有效地增大了微通道的截面积和流速，提高单反应器的处理量和保证较强的微观混合，使该反应器更适宜液液或气液快速反应过程中。

本发明提供的膜分散式微通道反应器，由一根外管和一根内管构成套管，在内、外管之间留有环隙构成环形微通道，外管上设有连续相进口和出口，内管一端设有分散相进口，另一端为管壁均布有多微孔的微孔膜结构。

本发明反应器的环形微通道，是根据不同传质过程的需要设计不同外径的内管和不同内径的外管套装后构成的环隙，间隙范围是100微米-5毫米，优选100-500微米。

本发明反应器的内管一端管壁上均布的微孔的孔径和开孔率根据物料的不同及反应需要设计，孔径范围为0.05-100微米，开孔率为3-60％。

本发明反应器的内、外管优选为金属管，内管为金属管微孔膜，内管外表面和外管内表面是通过抛光处理的光滑面。

本发明的效果：利用内外套管的形式构造的环形微通道，通道的截面积增大，从而反应器的处理量增大，与一般微通道反应器相比，处理量能提高10倍以上。通过在内管的一端设置微孔膜结构，保证从内管通过微孔膜出来的分散相具有较小的初始粒径，与从外管进入环形微通道的连续相发生错流接触，而环形微通道对流体的尺寸限制，强化了流体之间的混合和传质。特别是在合成纳米颗粒中实现了快速微观混合，合成了平均粒径为37纳米的硫酸钡颗粒和平均粒径为1.1微米的头孢呋辛酯颗粒，(见图2、图3)说明本反应器在达到大处理量的同时，也保证了流体接触过程中较强的微观混合。本反应器操作简单，操作费用低，处理量大，在涉及到快速过程的工业生产中有很大的应用前景。

附图说明

图1是带微孔膜的套管式环形微通道反应器的结构示意图。

图2是所制得的硫酸钡颗粒的场发射扫描电镜照片。

图3是所制得的超细头孢呋辛酯颗粒的扫描电镜照片。

具体实施方式：

本发明反应器结构如图1所示，由一根外管2和一根内管1构成套管，在内、外管之间有环隙构成环形微通道4，外管2上设有连续相进口6和出口3，内管上一端设有一个分散相流体进口7，另一端为管壁周向均布有多微孔的微孔膜5，内、外管由法兰8同轴心固定连接或直接焊接固定。内、外套管可以为高分子材料管或金属管，内管的外周面及外管的内周面为抛光处理的光滑面。内外管的流体进、出口的设置优选为使从内管经微孔流出来的流体与从外管进入的流体接触方式为错流。

本反应器的操作过程：分散相由内管进口7进入内管，随着分散相流体的不断进入，在压差的作用下，分散相流体通过内管一端的微孔膜5进入到环形微通道4，与此时从外管进口6进入的连续相流体形成错流接触，最后沿着微通道4从外管出口3流出。

下面结合实施例对本发明的实施方案进一步说明。但是本发明不限于所列出的实施例。

实施例1：采用BaCl₂和Na₂SO₄液相反应体系制备超细硫酸钡颗粒。

1)将氯化钡溶解在去离子水中，浓度为0.35mol/L，作为分散相。将硫酸钠溶解在去离子水中，浓度为0.1mol/L，作为连续相。采用本发明的反应器，内管的外径为15毫米，外管的内径为16.5毫米，形成的环形微通道径向间距为750微米，内管一端周向分布孔径为40微米的微孔膜，开孔率为30％。

2)氯化钡溶液在蠕动泵的作用下从进口进入内管，透过微孔分散到连续相中，形成微米量级的液滴，氯化钡的进口体积流量为2L/min，硫酸钠从外管进入，体积流量为7L/min。液滴内的氯化钡与从外管进入的硫酸钠反应，生成硫酸钡，当水相中的硫酸钡达到饱和后，界面处反应生成的硫酸钡析出，形成微小的硫酸钡颗粒随连续相流出设备。

3)将颗粒在硫酸钡饱和溶液中稀释并终止反应。超声分散后滴到玻片上常温下自然干燥，测量得到粒径范围为30-97纳米，平均粒径为37纳米的硫酸钡颗粒。其扫描电镜照片如图2所示。

实施例2：采用溶剂-反溶剂体系制备超细头孢呋辛酯颗粒。

1)将头孢呋辛酯溶解在丙酮中，浓度为10g/100ml，作为分散相。将反溶剂去离子水，作为连续相。

2)内管的外径采用15毫米，外管的内径采用16毫米，环形微通道径向间距为500微米，内管一端为沿周向分布的孔径为5微米的微孔膜，开孔率为55％。

3)头孢呋辛酯丙酮溶液在蠕动泵的作用下透过微孔分散到连续相中，形成微米量级的液滴，其进口体积流量为300ml/min，从外管进入的水的体积流量为6L/min。液滴内的头孢呋辛酯与水接触，头孢呋辛酯在丙酮中达到过饱和，析出头孢呋辛酯沉淀，形成的微小颗粒随连续相流出设备。

4)将颗粒收集，过滤。常温下自然干燥，测量得粒径范围为0.2-1.8微米，平均粒径为1.1微米。其扫描电镜照片如图3所示。

Claims (4)

1.一种膜分散式微通道反应器，其特征在于，由一根外管和一根内管构成套管，在内、外管之间留有环隙构成环形微通道，外管上设有连续相进口和出口，内管一端设有分散相进口，另一端为管壁均布有微孔的微孔膜结构，所述的环形微通道径向间距为100微米-5毫米。

2.根据权利要求1的反应器，其特征在于，所述的内管沿壁周向微孔孔径范围为0.05-100微米，开孔率为3-60％。

3.根据权利要求1的反应器，其特征在于，所述的内管外表面和外管内表面为抛光处理的光滑面。

4.根据权利要求1的反应器，其特征在于，内管流体出口与外管流体入口的布置使从内管经微孔流出来的流体与从外管进入的流体接触方式为错流。