CN110882663A - 一种超重力微反应装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超重力微反应装置。其中微反应盘设置在转鼓和填料层组成的密闭腔中部。原料在高速旋转的微反应盘中均匀混合并快速流动，有效防止了微反应通道的堵塞，同时强化了混合原料在甩出雾化盘后的雾化效果。通过转动轴及联动装置实现了微反应盘与转鼓及填料层之间的同轴反向旋转，强化了传质效果，降低了产物的成核尺寸，提高了纳米材料的分散性和均匀性，减少了能耗。

Description

一种超重力微反应装置

技术领域

本发明涉及一种超重力场微反应装置。

背景技术

微通道反应器是一种单元反应界面尺度为微米量级的微型化的化学反应系统，具有比表面积大，传递速率高，接触时间短，副产物少等特点。但在制备纳米材料过程中，微通道反应器容易发生通道堵塞和清理困难等为题。

超重力场技术是利用比地球重力加速度大得多的超重力环境对传质和微观混合过程进行强化的一种技术。该技术使反应物分子在超重力环境下产生流动接触，巨大的剪切力使液体破碎成纳米级的膜、丝和滴，产生巨大的和快速更新的新界面，是传质过程得到极大的强化，可实现反应转化率和选择性的提高。

因此，将微通道反应设备在超重力场中制备纳米材料，在进一步强化反应传质过程的同时，可有效避免反应通道堵塞。

发明内容

本发明提供一种超重力微反应装置，目的是将微反应装置在超重力场中应用，一方面可大幅强化反应传质过程，提高纳米材料的分散性和均匀性，另一方面可有效解决微反应通道的堵塞等技术问题。

本发明的目的是通过下面技术方案具体实现，然而本发明可以不同的形式来实施，并且不应该被解释为限于本文所阐述的实施方式。相反，提供这些实施方式，以使得本发明对于本领域技术人员来说是彻底和完整的，并且将充分地传达本发明的范围。

除非另有定义，否则本文所用的所有技术和科学术语具有如本发明所属技术领域的普通技术人员所通常理解的相同含义。在本文的描述中所使用的术语是用于描述特定的实施方式，而不是对其进行限制。

本发明提供了一种超重力微反应装置，其特征在于：包括壳体总成、超重力微反应系统、进样轴和动力传动系统；所述壳体总成由外壳、顶板、底座、隔板和用于连接固定的固定件组成，其中外壳、顶板和第一隔板组成反应腔室，在位于所述反应腔室下部的外壳上设置有出样口；所述超重力微反应系统由转鼓、填料层和微反应盘组成，填料层与转鼓形成密闭腔，微反应盘置于密闭腔中部，且微反应盘外缘与填料层之间的水平距离为10～100mm；所述进样轴通过固定件与顶板固定，在高出顶板一端设有进样口，进样轴内部设有进样管。其中，进样口与进样轴的轴向方向垂直，进样管与进样轴的轴向方向平行；

动力传动系统包括传动轴、电机和轴承，其中第一传动轴为空心装置，所述第一传动轴在穿过第二隔板上的第二轴承和第一隔板上的第一轴承后通过1#固定底座与转鼓连接；所述第二传动轴穿过第三隔板上的第三轴承、第二隔板上的第四轴承和第一传动轴的空心部分后通过2#固定底座与微反应盘连接；

1#联动装置包括设在第一传动轴内壁上的内齿圈、第二传动轴上的1#齿轮和2#齿轮组，通过固定架和固定轴来固定2#齿轮组的相对位置，最终实现转鼓及填料层与微反应盘之间的同轴反向转动；其中第二转动轴与转鼓之间通过密封圈密封连接，并且进样轴、转鼓、密闭腔、微反应盘、第一传动轴、第二传动轴具有共同的轴心线。

在本发明所述的超重力微反应装置中，进样系统和超重力微反应系统有两种不同的设计。

在其中一种装置中，微反应盘由上盘和下盘组成并通过螺栓将上下盘固定，上盘与下盘之间形成混料腔和微反应通道，混料腔位于微反应盘的中心位置并由多个挡板均匀分割，微反应通道与混料腔连通且其尺寸随着向微反应盘的外缘的延伸而缩小，并在接近于微反应盘外缘处呈扩径结构；上盘轴心位置设置有圆孔，圆孔外缘设有高于上盘外表面的台面；下盘内侧轴心位置设有柱状凹槽。进样轴内部还设有一个或多个与进样口连通的环形进料腔，环形进料腔与进样轴同轴心且其环形半径随其与进样轴顶端轴向距离的增加而增大；所述进样轴在穿过上盘的圆孔后尺寸收缩呈锥形结构并在最末端形成实心柱状凸起并楔入到下盘的柱状凹槽中；进样管与环形进料腔底部连通并延伸至进样轴的锥形面上；进样轴与转鼓之间、进样轴与圆孔之间、柱状凸起与柱状凹槽之间均通过密封圈连接。另外，微反应通道尺寸范围为0.01～5mm并呈直线型放射状或弧线型放射状分布。

在另外一种装置中，进样轴通过3#固定底座与雾化盘连接，其中雾化盘半径尺寸不大于微反应盘半径尺寸，不小于进样轴的半径尺寸。进样管与进样口连接并延伸至进样轴末端，在雾化盘中心位置设有与进样管位置相对应且呈文丘里形的进样孔道；微反应盘与雾化盘的间距为0.01～1mm，微反应盘的顶面与雾化盘的底面分布有尺寸范围为0.01～5mm微反应凹槽。其中雾化盘上的微反应凹槽呈蜂窝状分布，微反应盘上的微反应凹槽呈蜂窝状分布，或着在雾化盘投影部位上呈蜂窝中分布而在投影部位之外处呈直线型放射状或弧型放射状分布。

优选的，可将电机与第三传动轴连接，并通过2#联动装置带动第二传动轴转动；所述2#联动装置由套在第二转动轴上的1#锥齿轮和套在第三传动轴上的2#锥齿轮组成；可通过改变1#锥齿轮和2#锥齿轮之间的齿数比调整第二转动轴与第三转动轴之间的转速比为（0.5～2）:1；可通过改变1#齿轮、2#齿轮以及内齿圈之间的齿数比使微反应盘与转鼓之间的转速比为（1～5）:1。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明所述的超重力微反应装置通过联动装置实现了转鼓及填料层和微反应盘之间的同轴反向转动，提高了填料层和雾化盘之间的相对转速，降低了能耗。

2、本发明中所述的微反应盘，通过高速旋转使原料快速均匀混合，同时产生的离心力提高了反应物的流动性，强化了传质效果，并有效防止微反应通道的堵塞。

3、本发明中可有效提高反应物的雾化效果，同时使雾化后的混合原料通过填料层，在填料层反向旋转所产生的超重力和剪切力的作用下被不断的破碎成纳米级的膜、丝和滴，产生巨大的和快速更新的新界面，强化了传质效果，降低了产物的成核尺寸，提高了纳米材料的分散度和均匀性。

4、本发明通过调整联动装置内齿轮的齿数比即可使雾化盘和转鼓获得不同的转速，操作简单方便。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对被发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。

图1是本发明超重力微反应装置的结构示意图；

图2是本发明超重力微反应装置的另一种结构示意图；

图3是1#联动装置的结构示意图；

图4是1#联动装置的俯视图；

图5是2#联动装置的结构示意图；

图6是对图1中微反应盘的结构示意图；

图7是对图6的展开示意图；

图8是对图1中微反应盘上盘部分的俯视图；

图9是对图1中微反应盘下盘部分的示意图，微反应通道呈直线型放射状分布；

图10是对图1中微反应盘下盘部分的示意图，微反应通道呈弧型放射状分布；

图11是对图1中A部分的示意图；

图12是对图11沿A'-A'的剖视图；

图13是对图11沿B'-B'的剖视图；

图14是对图11沿C'-C'的剖视图；

图15是对图11沿D'-D'的剖视图；

图16是对图2中进样轴、雾化盘及微反应盘的结构示意图；

图17是图2中雾化盘底面微反应凹槽分布图；

图18是图2中微反应盘顶面微反应凹槽分布图，呈蜂窝装分布；

图19是图2中微反应盘顶面微反应凹槽分布图，雾化盘投影部分呈蜂窝状分布，投影部分之外呈直线型放射状分布；

图20是图2中微反应盘顶面微反应凹槽分布图，雾化盘投影部分呈蜂窝状分布，投影部分之外呈弧型放射状分布。

附图标记说明

11 外壳，12 顶板，13 底座，14 第一隔板隔板，15 第二隔板隔板，16 第三隔板隔板，17 固定件，18 出样口；

21 转鼓，22 填料层，23 微反应盘，23-1 上盘，23-2 下盘，23-3 混料腔，23-4 挡板，23-5微反应通道，23-6 圆孔，23-7 台面，23-8 柱形凹槽，23-9 螺栓，23-10 微反应凹槽；

31 进样轴，31-1柱状凸起，31-2 雾化盘，32 进样口，33 环形进料腔，34 进样管，35进样孔道；

41 第一传动轴，42 第二传动轴，43 第三传动轴，44 1#固定底座，45 2#固定底座，463#固定底座，47 电机；

51 第一轴承，52 第二轴承，53 第三轴承，54 第四轴承，55 密封圈；

61 1#联动装置，61-1 内齿圈，61-2 1#齿轮，61-3 2#齿轮，61-4 固定架，61-5 固定轴，62 2#联动装置，62-1 1#锥齿轮，62-2 2#锥齿轮。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚完整地描述。此处所描述的实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明，本发明的保护范围仍以权利要求书所公开的内容为准。

基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1所示，本发明所述的超重力微反应装置包括壳体总成、超重力微反应系统、进样轴和动力传动系统。其中，壳体总成包括外壳、顶板、底座、隔板和用于连接固定的固定件组成，外壳、顶板和第一隔板组成反应腔室，在位于所述反应腔室下部的外壳上设置有出样口。

超重力微反应系统由转鼓、填料层和微反应盘组成，填料层与转鼓形成密闭腔，微反应盘置于密闭腔中部。微反应盘由上盘和下盘组成并通过螺栓将上下盘固定，上盘与下盘之间形成混料腔和微反应通道，混料腔位于微反应盘的中心位置并由多个挡板均匀分割。微反应通道尺寸范围为0.01～5mm并呈弧型放射状分布，当微反应通道向微反应盘的外缘的延伸时其尺寸逐渐减小并在外缘处呈扩径结构。同时，上盘轴心位置设置有圆孔，圆孔外缘设有高于上盘外表面的台面，下盘内侧轴心位置设有柱状凹槽；

进样轴通过固定件与顶板固定，在高出顶板一端设有4个进样口，每个进样口末端与对应环形进料腔连通，在每个环形进料腔底部设置有3个进样管。其中，环形进料腔的环形半径随着环形进料腔与进样轴顶端距离的增加而增加。进样轴的底端在穿过上盘的圆孔后尺寸收缩，在最末端形成实心柱状凸起并楔入到下盘的柱状凹槽中，两者之间通过密封圈连接。

第一传动轴在穿过第二隔板上的第二轴承和第一隔板上的第一轴承后通过1#固定底座与转鼓连接。第二传动轴穿过第三隔板上的第三轴承、第二隔板上的第四轴承和第一传动轴的空心部分后通过2#固定底座与下盘连接。第一传动轴与第二传动轴之间通过1#联动装置实现同轴反向转动，从而带动微反应盘与转鼓之间的同轴反向旋转。1#联动装置为位于第一隔板和第二隔板之间，包括设在第一传动轴内壁上的内齿圈、第二传动轴上的1#齿轮和2#齿轮，并且通过固定架和固定轴来固定2#齿轮组的相对位置。另外，电机连接第三传动轴，并通过2#联动装置带动第二传动轴转动，该锥齿轮转动轴包括套在第二转动轴上的1#锥齿轮和套在第三传动轴上的2#锥齿轮。在操作过程中，可通过调整1#锥齿轮和2#锥齿轮之间的齿数比，使得第三转动轴与第二转动轴之间的转速比为1.5:1，同时也可通过改变1#齿轮、2#齿轮以及内齿圈之间的齿数比使微反应盘与转鼓之间的转速比为2:1。

实施例2:

如图2所示，本发明所述制备纳米材料的超重力场装置包括壳体总成、超重力场系统、进样轴和动力传动系统。其中，壳体总成包括外壳、顶板、底座、隔板和用于连接固定的固定件组成，外壳、顶板和第一隔板组成反应腔室，在位于所述反应腔室下部的外壳上设置有出样口。超重力场系统由转鼓、填料层和微反应盘组成，其中填料层与转鼓形成密闭腔，微反应盘置于密闭腔中部。

进样轴通过固定件与顶板固定，在高出顶板一端设有2个进样口，进样口与对应的进样管连通。进样轴通过3#固定底座与雾化盘连接，在雾化盘中心位置设有进样孔道，进样孔道与进样管位置相对应且呈文丘里形。微反应盘与雾化盘的间距为0.05mm。微反应盘的顶面与雾化盘的底面分布有尺寸为0.1mm的微形凹槽，其中雾化盘底部微形凹槽呈蜂窝状分布。在微反应盘顶部，微形凹槽在雾化盘投影部位呈蜂窝状分布，在投影部位之外呈弧型放射状分布。进样轴与转鼓之间通过密封圈密封连接，进样轴与雾化盘之间通过3#固定底座固定连接。

第一传动轴在穿过第二隔板上的第二轴承和第一隔板上的第一轴承后通过1#固定底座与转鼓连接。第二传动轴穿过第三隔板上的第三轴承、第二隔板上的第四轴承和第一传动轴的空心部分后通过2#固定底座与微反应盘连接，并且第二转动轴与转鼓之间通过密封圈密封连接。第一传动轴与第二传动轴之间通过1#联动装置实现同轴反向转动，从而带动微反应盘与转鼓填料层之间的同轴反向旋转。其中，1#联动装置为位于第一隔板和第二隔板之间，包括设在第一传动轴内壁上的内齿圈、第二传动轴上的1#齿轮和2#齿轮，并且通过固定架和固定轴来固定2#齿轮组的相对位置。另外，电机连接第三传动轴，并通过2#联动装置带动第二传动轴转动，该锥齿轮转动轴包括套在第二转动轴上的1#锥齿轮和套在第三传动轴上的2#锥齿轮。在实际操作中，可通过通过改变1#联动装置中1#齿轮、2#齿轮以及内齿圈之间的齿数比调节微反应盘与转鼓之间的转速，同时通过调整2#联动装置中1#锥齿轮和2#锥齿轮之间的齿数比调变第三转动轴与第二转动轴之间的转速比。其中微反应盘与转鼓之间的转速比为（1～5）:1，第二转动轴与第三转动轴之间的转速比为（0.5～2）:1。

在本发明所述的超重力微反应装置中，通过进样轴向微反应盘中加入原料，高速旋转的微反应盘使原料快速均匀混合并甩出，防止了微反应通道的堵塞，同时提高了混合原料在甩出微反应盘时的雾化效果。雾化后的混合原料通过填料层，在填料层反向旋转所产生的超重力和剪切力的作用下被不断的破碎成纳米级的膜、丝和滴，产生巨大的和快速更新的新界面，强化了传质效果，降低了产物的成核尺寸，提高了纳米材料的分散度和均匀性。

Claims (10)

1.一种超重力微反应装置，其特征在于：包括壳体总成、超重力微反应系统、进样轴和动力传动系统；所述壳体总成由外壳、顶板、底座、隔板和用于连接固定的固定件组成，其中外壳、顶板和第一隔板组成反应腔室，在位于所述反应腔室下部的外壳上设置有出样口；所述超重力微反应系统由转鼓、填料层和微反应盘组成，填料层与转鼓形成密闭腔，微反应盘置于密闭腔中部，且微反应盘外缘与填料层之间的水平距离为10～100mm；所述进样轴通过固定件与顶板固定，在高出顶板一端设有进样口，进样轴内部设有进样管；其中，进样口与进样轴的轴向方向垂直，进样管与进样轴的轴向方向平行；

所述动力传动系统包括传动轴、电机和轴承，其中第一传动轴为空心装置，所述第一传动轴在穿过第二隔板上的第二轴承和第一隔板上的第一轴承后通过1#固定底座与转鼓连接；所述第二传动轴穿过第三隔板上的第三轴承、第二隔板上的第四轴承和第一传动轴的空心部分后通过2#固定底座与微反应盘连接；

所述动力传动系统还包括1#联动装置，包括设在第一传动轴内壁上的内齿圈、第二传动轴上的1#齿轮和2#齿轮组，通过固定架和固定轴来固定2#齿轮组的相对位置，最终实现转鼓及填料层与微反应盘之间的同轴反向转动；

所述第二转动轴与转鼓之间通过密封圈密封连接；所述进样轴、转鼓、密闭腔、微反应盘、第一传动轴、第二传动轴具有共同的轴心线。

2.根据权利要求1所述的超重力微反应装置，其特征在于：所述微反应盘由上盘和下盘组成并通过螺栓将上下盘固定，上盘与下盘之间形成混料腔和微反应通道，混料腔位于微反应盘的中心位置并由多个挡板均匀分割，微反应通道与混料腔连通且其尺寸随着向微反应盘的外缘的延伸而缩小，并在接近于微反应盘外缘处呈扩径结构；上盘轴心位置设置有圆孔，圆孔外缘设有高于上盘外表面的台面；下盘内侧轴心位置设有柱状凹槽；

进样轴内部还设有与进样口连通的环形进料腔，所述环形进料腔与进样轴同轴心；所述进样轴在穿过上盘的圆孔后尺寸收缩呈锥形结构并在最末端形成实心柱状凸起并楔入到下盘的柱状凹槽中；进样管与环形进料腔的底部连通并延伸至进样轴的锥形面上；进样轴与转鼓之间、进样轴与圆孔之间、柱状凸起与柱状凹槽之间均通过密封圈连接。

3.根据权利要求2所述的超重力微反应装置，其特征在于：进样轴上设有多个环形进料腔及与之连接的进样口，所述环形进料腔的环形半径随其与进样轴顶端轴向距离的增加而增大。

4.根据权利要求2所述的超重力微反应装置，其特征在于：所述微反应通道尺寸范围为0.01～5mm并呈直线型放射状或弧线型放射状分布。

5.根据权利要求1所述的超重力微反应装置，其特征在于：还包括雾化盘，所述雾化盘通过3#固定底座与进样轴连接；进样管与进样口连接并延伸至进样轴的末端；所述雾化盘中心位置设有与进样管位置相对应且呈文丘里形的进样孔道；微反应盘与雾化盘的间距为0.01～1mm，微反应盘的顶面与雾化盘的底面分布有尺寸范围为0.01～5mm微反应凹槽。

6.根据权利要求5所述的超重力微反应装置，其特征在于：所述雾化盘及微反应盘上微反应凹槽均呈蜂窝状分布。

7.根据权利要求5所述的超重力微反应装置，其特征在于：所述雾化盘底面微反应凹槽呈蜂窝状分布；在微反应盘顶面，雾化盘投影部位的微反应凹槽呈蜂窝状分布，投影部位之外处的微反应凹槽呈直线型放射状分布或弧型放射状分布。

8.根据权利要求1-7任一项所述的超重力微反应装置，其特征在于：电机与第三传动轴连接，并通过2#联动装置带动第二传动轴转动；所述2#联动装置由套在第二转动轴上的1#锥齿轮和套在第三传动轴上的2#锥齿轮组成。

9.根据权利要求8所述的超重力微反应装置，其特征在于：通过改变1#锥齿轮和2#锥齿轮之间的齿数比调整第二转动轴与第三转动轴之间的转速比为（0.5～2）:1。

10.根据权利要求8所述的超重力微反应装置，其特征在于：通过改变1#齿轮、2#齿轮以及内齿圈之间的齿数比使微反应盘与转鼓之间的转速比为（1～5）:1。

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