CN105944638B - 一种磁热反应器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种磁热反应器装置，由磁热电源(1)、冷却系统(5)、磁热变压器(7)、磁热线圈(8)和反应器(16)组成；其中反应器(16)上设有四个开口，左上方开口接冷凝装置(11)，反应器内的搅拌装置(15)从中间顶部开口与旋转电机(12)相连；右上方开口接导气管(17)后与惰性气体罐(18)相连，侧前方设有物料进口(14)，红外测温装置(9)固定在反应器(16)左上方的铁架台(10)上面，正对着反应器(16)里面的反应物，通过动力线(4)与磁热电源相连；反应器(16)固定在磁热线圈(8)上面，磁热线圈(8)通过螺丝固定在磁热变压器(7)上；冷却系统(5)和磁热变压器(7)分别通过动力线(4)与磁热电源(1)连接，冷却系统(5)与磁热变压器(7)之间通过冷却水管(6)连接。解决了传统反应器中存在的效率低、成本高、加热速度慢、不能满足环保要求等缺点。

Description

一种磁热反应器装置
技术领域
本发明涉及一种磁热反应器装置，更具体的说是一种利用磁热效应来加热反应的反应器装置。
背景技术
反应器是实现反应过程的设备，广泛应用于化工、炼油、冶金、轻工等工业部门。目前各国生产企业和科研单位使用的反应器大多采用气体、焦煤、油炉、电炉等气体燃烧加热和通电加热方式，这些热量只有通过热传递(热传导、热对流、热辐射)的方式才能传递到需要加热的物体上，才能达到加热反应物的目的。由于这些加热方式，被加热的物体是通过吸收外部热量实现升温的。因此，它们都属于间接加热方式。我们知道，热量的自然传递规律是：热量只能从高温区向低温区，高温体向低温体，高温部分向低温部分自然的传递。因此，只有当外部的热量、温度明显多于、高于被加热物体时，才能将其有效地加热。这就需要用很多的能量来建立一个比被加热物体所需要的热量多的多、温度高的多的高温区，如炉，烘箱等。因此，传统加热方式存在许多缺点：能量利用率低，造成很大的能源浪费；加热时间长；在燃烧、加热的过程中，还会产生大量的有害性物质和气体，既会对被加热物体造成腐蚀性的损害，又会对大气造成污染。即便是使用电炉等电能加热方式，虽然无污染，但仍然存在着效率低、成本高、加热速度慢等缺点。工业的飞速发展，科学的日益进步，让人们对能源的利用率和环保的要求越来越高。因此需要开发一种新的反应器来解决传统反应器在加热过程中所存在的问题。
磁热反应是近期发展出的一种利用磁热效应来加热反应的新型反应模式。在外加磁场的作用下铁磁或顺磁原子会进行有序排列，当它们自由移动受到限制时，振动就会加强，温度也随之增加，这种现象被称为磁热效应。目前，磁热反应主要用在淬火、煅烧和焊接上面，而将磁热反应用在反应器上面基本上没有，主要是存在几个问题：一是没有找到加热反应物的最合适的磁感应介质；二是主要利用磁制冷，而磁制热基本上没有；三是大部分用的磁热反应大部分缺乏温控装置、冷却装置和惰性气体保护装置；三是没有摸索出磁性介质加入的量与升温温度之间的关系。
发明内容
本发明的目的是为了改进现有技术的不足而提供一种磁热反应器装置，将磁热反应应用到反应器上面，利用磁热效应来对反应进行加热；主要是解决传统反应器中存在的效率低、成本高、加热速度慢、不能满足环保要求等缺点。同时，扩大磁热反应的应用领域，解决磁热反应在反应器领域的应用中存在的控温难，没有冷却装置和惰性气体保护装置等问题。
本发明的技术方案为：一种磁热反应器装置，其特征在于由磁热电源1、冷却系统5、磁热变压器7、磁热线圈8和反应器16组成；其中磁热电源1上设有第一控制面板2和电源开关3；反应器16上设有四个开口，左上方开口接冷凝装置11，反应器内的搅拌装置15从中间顶部开口与旋转电机12相连，旋转电机12与第二控制面板13相连，右上方开口接导气管17后与惰性气体罐18相连，侧前方设有物料进口14，红外测温装置9固定在反应器16左上方的铁架台10上面，正对着反应器16里面的反应物，通过动力线4与磁热电源相连；反应器16固定在磁热线圈8上面，磁热线圈8通过螺丝固定在磁热变压器7上；冷却系统5和磁热变压器7分别通过动力线4与磁热电源1连接，冷却系统5与磁热变压器7之间通过冷却水管6连接。
常温下，将磁性介质和反应物一起通过物料入口14加入到反应器16中，打开旋转电机12开关，通过第二控制面板13来调节旋转电机12转速，让反应物和磁感应介质混合均匀。打开冷却装置11开关，通入冷却水。同时，打开惰性气体罐18开关，向反应器16中通入惰性气体。打开磁热电源1开关3，通过第一控制面板2设定好操作程序，反应就可以进行。
本发明将磁性介质加入到反应物中，利用磁热效应来对反应进行加热。优选加入磁性介质的加入质量为反应物质量的5～100％；升温范围为25～800oC。优选加入的磁性介质粒径在10nm～1μm。
所述的反应器16的体积可以根据磁热线圈8的大小来调节，可以是10mL、50mL、100mL、250mL、500mL或1000mL。
优选反应器中加入的磁性介质为四氧化三铁、铁粉、Co或Ni。
该反应器既能加热固体反应，也能加热液体反应。能加热的液体包括：水、甘油、十八烯、导热油、反应型单体(HEA、NVP、VI、HPA、NMA、VCL)。
有益效果：
利用磁热效应来对反应物进行加热，整个反应过程从接触式反应转变为非接触式反应，可控性得到加强并且更为节能省时，安全高效；高适用性，与普通反应器相比，可用于固体、液体、固液混合反应且操作简单；高能效性，磁热反应器具有能量利用率高，温度升幅快，几秒甚至几分钟之内就能升温到300度以上，且温度稳定性好，受热均匀；低损耗性，反应中所用的磁感应介质方便回收并可反复使用；反应器的体积可以根据磁热线圈的大小来调节，从而可以实现大规模制备。因此，本发明能够满足反应器的要求，工艺简单，操作方便，能够满足大规模工业化生产的要求。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图；其中1-磁热电源，2-第一控制面板，3-电源开关，4-动力线，5-冷却系统，6-冷却水管，7-磁热变压器，8-磁热线圈，9-红外测温装置，10-铁架台，11-冷凝装置，12-旋转电机，13-第二控制面板，14-物料进口，15-搅拌装置，16-反应器，17-导气管，18-惰性气体罐。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明型。这些实例仅用于说明本发明型而不用于限制本发明型的范围。
实施例1
本发明的一种利用磁热效应来加热反应的磁热反应器装置，其主要由：磁热电源1、冷却系统5、磁热变压器7、磁热线圈8和反应器16组成。其中，磁热电源1上有第一控制面板2和电源开关3；反应器16包含有红外测温装置9、冷凝装置11、物料进口14、搅拌装置15、惰性气体罐18。反应器16有四个开口，其中左边开口接冷凝装置11，正中间开口接搅拌装置15，右边开口接导气管17，侧前方开口为物料进口14。冷却系统5和磁热变压器7与磁热电源之间通过动力线4连接，冷却系统5与磁热变压器7之间通过冷却水管6连接，磁热线圈8通过螺丝固定在磁热变压器7上。红外测温装置9固定在反应器16左上方的铁架台10上面，正对着反应器16里面的反应物，通过动力线4与磁热电源相连。反应器16固定在磁热线圈8上面，搅拌装置15与旋转电机12相连，旋转电机与第二控制面板13相连，惰性气体18与反应器16之间通过导气管17相连接。所述的通过在反应器16中加入磁感应介质，通过与反应物混合，利用磁热效应来对反应加热。所述的反应器16配备有测温装置9，测温范围20℃～800℃。所述的反应器16配有搅拌装置15和惰性气体保护装置18。
常温下，将磁性介质和反应物一起通过物料入口14加入到反应器16中，打开旋转电机12开关，通过第二控制面板13来调节旋转电机12转速，让反应物和磁感应介质混合均匀。打开冷却装置11开关，通入冷却水。同时，打开惰性气体24开关，向反应器16中通入惰性气体。打开磁热电源开关3，通过第一控制面板2设定好操作程序，反应就可以进行。
通过设定磁热电源输入功率，和加入不同质量分数的磁性介质，可以来调节反应器在不同温度下反应。同时，通过设计不同大小的磁热线圈，可以设计出不同尺寸的反应器。因此，本发明能够进一步满足大规模工业化生产的要求，并且反应器结构简单，操作方便，加热速度快、能量利用率高，使之更加节能环保安全高效。
实施例2
装置如实施例1所述，取无水柠檬酸3.8437g，L-苏氨酸2.3833g，加入0.6339g(质量分数10％)粒径为20nm的四氧化三铁，搅拌混合均匀，打开惰性气体开关，通入氮气。打开磁热电源开关，设定恒功率程序运行模式，设定功率范围为12KW，运行时间为100秒。按下反应开关，反应就会进行。反应结束后，取出的固体加水溶解，用磁铁将磁性介质吸出，上清液便为合成出的荧光碳纳米颗粒溶液。与其他制备碳纳米颗粒相比，本方法具有的优势是：加热速度快，100秒便能合成出荧光纳米材料；我们得到了4.5333g碳点固体粉末，该方法可以大规模来制备荧光材料；产率达到72.8％，高于其他如水热(产率50％)、高温煅烧(产率30％)等方法制备纳米颗粒的产率。
实施例3
装置如实施例1所述，丙烯酸羟丙酯(HPA)，乙烯基吡咯烷酮(NVP)，亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)，氧化还原剂组合过硫酸铵(APS)混溶在甘油中，在反应器中搅拌均匀，然后加入四甲基乙二胺(TMEDA)。各组分的关系是：HPA/NVP＝3:1wt/wt(3g：1g)，甘油6g，APS＝0.4wt％(0.04g)，[APS]/[TMEDA]＝1:4mol/mol，MBAA＝0.01wt％(0.001g)。然后，在反应器中加入50nm的四氧化三铁0.2g(质量分数20％)，搅拌混合均匀。打开磁热电源开关，设定恒功率运行模式，设定设定功率为14KW，按下开关，约30秒即可提供足够的能量来激发磁性粒子振动以产生热能，从而制备出水凝胶材料。利用磁热效应来引发前端聚合，这是一种新的前端聚合方式；同时，制备出来的水凝胶具有两亲性，在水和三氯甲烷中的溶胀率分别达到2056.9％和3280.3％。
实施例4
装置如实施例1所述，取氧化石墨烯粉末10g，加入9g(质量分数90％)粒径为100nm的铁粉，搅拌混合均匀，打开惰性气体开关，通入氮气。打开磁热电源开关，设定恒功率程序运行模式，设定功率为18KW，运行时间为300秒。按下反应开关，反应就会进行。反应结束后，用磁铁将四氧化三铁吸出，便可以将氧化石墨烯还原为石墨烯。与其他方法相比，该方法具有加热速度快，几分钟之内就能升温到800oC，传统的高温煅烧还原氧化石墨烯升温到800度通常要加热几个小时；X射线光电子能谱技术(XPS)显示该方法制备的石墨烯C(1s)89％,N(1s)3％,和O(1s)8％，而传统高温煅烧制备的石墨烯C(1s)86％,N(1s)5％,O(1s)9％，表明磁热还原效果更好。
实施例5
装置如实施例1所述，称取0.240gNa2S，0.456gCdCl2，巯基乙酸0.230g，溶解在50g水中。称取500nm的Co粉0.4g(质量分数8％)，通过物料入口加入到反应器中，同时调节溶液pH为9，打开搅拌装置、冷凝装置和惰性气体保护装置。打开磁热电源开关，设定恒功率程序运行模式，设定功率为15KW，运行时间为180秒。按下反应开关，反应就会进行。反应结束后，用磁铁将四氧化三铁吸出，便可以制备出水溶性CdS。与传统的油浴制备CdS相比，该方法具有加热速度快，100秒内便会升温到100℃。同时，该方法制备的CdS比油浴做的荧光强度提高了80％。
实施例6
装置如实施例1所述，准确称取0.0316gSe粉，加入0.5mL三正辛基膦，溶解在小瓶子中，待Se粉完全溶解，加1.5mL十八烯，混合均匀。准确称取0.2054gCdO，加1.808g油酸，再加30mL十八烯，称取200nm的Ni2.0g(质量分数30％)，打开搅拌装置搅拌混合均匀，同时注入小瓶子中的液体，打开冷凝装置和惰性气体保护装置。打开磁热电源开关，设定恒功率程序运行模式，设定功率为20KW，运行时间为420秒。按下反应开关，反应就会进行。反应结束后，用磁铁将四氧化三铁吸出，便可以制备出油溶性CdSe。与传统反应制备油溶性CdSe相比，磁热反应器加热速度快，120秒便可升温到290℃,传统的加热到290℃通常需要1个小时；反应速度快，420秒便可制备出CdSe，传统的一般需要10分钟；制备的CdSe量子产率达到了80％，高于传统方法做的50％。
实施例7
装置如实施例1所述，准确称取50g导热油，然后称取粒径为200nm的四氧化三铁12.5g(质量分数25％)打开搅拌装置搅拌混合均匀。打开磁热电源开关，设定恒功率程序运行模式，设定功率为18.5KW，运行时间为300秒。按下反应开关，反应就会进行，红外测温装置显示200秒时便会加热导热油到260度。与传统的电加热、气体加热导热油相比，磁热反应器加热导热油更环保，不会产生污染气体；加热速度快，几分钟之内便会加热到260度，传统的一般需要加热几个小时。

Claims (4)

1.一种磁热反应器装置，其特征在于由磁热电源(1)、冷却系统(5)、磁热变压器(7)、磁热线圈(8)和反应器(16)组成；其中磁热电源(1)上设有第一控制面板(2)和电源开关(3)；反应器(16)上设有四个开口，左上方开口接冷凝装置(11)，反应器内的搅拌装置(15)从中间顶部开口与旋转电机(12)相连，旋转电机(12)与第二控制面板Ⅱ(13)相连；右上方开口接导气管(17)后与惰性气体罐(18)相连，侧前方设有物料进口(14)，红外测温装置(9)固定在反应器(16)左上方的铁架台(10)上面，正对着反应器(16)里面的反应物，通过动力线(4)与磁热电源相连；反应器(16)固定在磁热线圈(8)上面，磁热线圈(8)通过螺丝固定在磁热变压器(7)上；冷却系统(5)和磁热变压器(7)分别通过动力线(4)与磁热电源(1)连接，冷却系统(5)与磁热变压器(7)之间通过冷却水管(6)连接；反应器(16)反应物中加入磁性介质。
2.根据权利要求1所述的磁热反应器装置，其特征在于加入磁性介质的加入质量为反应物质量的5～100％；升温范围为25～800℃。
3.根据权利要求1所述的磁热反应器装置，其特征在于加入的磁性介质粒径在10nm～1μm。
4.根据权利要求1所述的磁热反应器装置，其特征在于反应器中加入的磁性介质为四氧化三铁、铁粉、Co或Ni。
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