CN113813897A - 用于超临界水热合成纳米材料的一体式超声外场辅助型微通道反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于超临界水热合成纳米材料的一体式超声外场辅助型微通道反应器，包括由多个超临界微通道反应模块轴向对接组成的主体，超临界微通道反应模块上沿轴向设置有多个微型反应通道，微型反应通道在主体的顶端或底端相连，构成上下折返形式的物料流道，上下折返形式包括在不同径向上的上下折返以及在相同径向不同周向上的上下折返。反应器可根据不同种类纳米颗粒的反应时间确定超临界微通道反应模块数量，精准调控反应时间；反应器内部集成多个反应流程，在微尺度多流程超临界水热合成反应及超声波发生器协同作用下，可绿色高效地合成粒径小、分布均匀的金属及金属氧化物纳米粉体，同时有效防止颗粒团聚，避免反应通道堵塞等问题。

Description

用于超临界水热合成纳米材料的一体式超声外场辅助型微通 道反应器

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，特别涉及一种用于超临界水热合成纳米材料的一体式超声外场辅助型微通道反应器。

背景技术

纳米材料是新材料中的高端产品分支，其尺寸通常在1-100nm之间。由于纳米材料所具有的独特的电学、热学、磁学、光学及力学性能，使其在军工科技、电子信息、高端制造、新能源、绿色化工、生命医学等领域的应用引发了所在领域的革命性技术突破。目前制备纳米材料的技术主要有高温固相法、化学气相沉积法、喷雾热解法、水热法、溶胶凝胶法以及共沉淀法等，但这些传统的制备技术普遍存在着能耗高、反应效率低、产品粒径大、尺寸分布不均匀等缺点。

超临界水热合成技术是一项先进的纳米材料制备技术，该技术的原理主要是将前驱物溶液与添加剂等通入混合器中进行混合后，在反应器中快速升温，使得晶体迅速成核并且析出纳米粒子。该技术主要是利用了超临界水的特殊环境。在超临界水中，其密度和介电常数相比于普通水来说显著下降，可以使水热合成反应以极快的速度进行；另一方面，一些纳米粒子的溶解度在超临界水中急剧下降，如果能将前驱物溶液快速升温至超临界状态时，将产生较高的过饱和度，晶体快速析出从而有利于获得粒径较小的纳米粒子。该反应过程具有能耗低、反应速率高、产品粒径小、尺寸分布均匀的优点。

微通道反应器中的微型反应通道尺寸通常在10μm-1000μm之间，具有较大的比表面积，可大大地强化了反应过程中的传质效率，实现分子层面上的高效混合，有利于得到粒径较小、尺寸分布均匀的纳米颗粒，在超临界水热合成领域具有独特的优势。然而，微通道反应器体积较小，容易堵塞，散热性能极强，不便添加保温措施，导致反应器内无法维持水热合成反应所需的温度，严重制约了微通道反应器在合成纳米材料领域大规模应用。另外，大部分微通道反应器结构固定不可改变，一个微通道反应器无法精准调控不同种类纳米材料的反应时间，若要合成不同种类的纳米材料，则需使用其他反应装置，大大增加实验成本。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，实现精准控制不同种类纳米材料的反应时间，获得粒径小、尺寸分布均匀的纳米颗粒，本发明的目的在于提供一种用于超临界水热合成纳米材料的一体式超声外场辅助型微通道反应器，该反应器由多个超临界微通道反应模块组成，可依据不同种类纳米材料的反应时间自由增减模块数量，精准调控反应时间，节约实验成本；内部集成多个微通道反应流程，外部尺寸适中，便于添加保温措施，维持反应所需温度；克服了微通道反应器不便保温，易堵塞，无法精准控制不同种类纳米材料的反应时间等缺点，通过超临界水热合成技术，可高效制备粒径小、尺寸分布均匀的纳米颗粒。此外，该反应器通过水热合成技术、超临界微通道反应模块以及超声波发生器协同作用，可以有效地防止纳米颗粒团聚，避免反应通道发生堵塞。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于超临界水热合成纳米材料的一体式超声外场辅助型微通道反应器，包括由多个超临界微通道反应模块轴向对接组成的主体，所述超临界微通道反应模块上沿轴向设置有多个微型反应通道，所述微型反应通道在主体的顶端或底端相连，构成上下折返形式的物料流道，所述超临界微通道反应模块数量随合成纳米材料所需反应时间自由增减，并不局限于特定数量，上下折返形式包括在不同径向上的上下折返以及在相同径向不同周向上的上下折返。

在本发明的一个实施例中，所述上下折返为沿若干微型反应通道同时上行与若干微型反应通道同时下行的组合。

在本发明的一个实施例中，所述微型反应通道由如下部分组成：

E流程微型反应通道，设置于超临界微通道反应模块的中心；

A流程微型反应通道，数量有多个，设置在环绕所述E流程微型反应通道的圆周一上；

B流程微型反应通道、C流程微型反应通道和D流程微型反应通道，设置在环绕所述圆周一的圆周二上，所述B流程微型反应通道、C流程微型反应通道和D流程微型反应通道分别有多个；

多个所述A流程微型反应通道并联，其顶端连接物料入口；

多个所述B流程微型反应通道并联，其底端与所述A流程微型反应通道的底端连通；

多个所述C流程微型反应通道并联，其顶端与所述B流程微型反应通道的顶端连通；

多个所述D流程微型反应通道并联，其底端与所述C流程微型反应通道的底端连通；

所述E流程微型反应通道的顶端与所述D流程微型反应通道的顶端连通，E流程微型反应通道的底端连接产物出口。

在本发明的一个实施例中，所述A流程微型反应通道的顶端设置有环形汇集槽A1，底端设置有环形汇集槽A2，B流程微型反应通道的顶端设置有扇形汇集槽B1，底端设置有扇形汇集槽B2，C流程微型反应通道的顶端设置有扇形汇集槽C1，底端设置有扇形汇集槽C2，D流程微型反应通道的顶端设置有扇形汇集槽D1，底端设置有扇形汇集槽D2，所述环形汇集槽A2接通扇形汇集槽B2，扇形汇集槽B1接通扇形汇集槽C1，扇形汇集槽C2接通扇形汇集槽D2，扇形汇集槽D1接通E流程微型反应通道的顶端。

在本发明的一个实施例中，所述主体配有上端盖和下端盖，其中上端盖轴心处设有物料流入通道，物料流入通道底部连通多个流注子通道，多个流注子通道汇入环形汇集槽A1，所述产物出口设置在下端盖中心。

在本发明的一个实施例中，所述扇形汇集槽B1、扇形汇集槽C1和扇形汇集槽D1围成一个圆环，圆环上设置分割肋一和分割肋二，将圆环分为两部分，扇形汇集槽B1、扇形汇集槽C1位于一部分，扇形汇集槽D1位于另一部分；所述扇形汇集槽B2、扇形汇集槽C2和扇形汇集槽D2围成一个圆环，圆环上设置分割肋三与分割肋四，将圆环分为两部分，扇形汇集槽C2、扇形汇集槽D2位于一部分，扇形汇集槽B2位于另一部分。

在本发明的一个实施例中，所述扇形汇集槽B1、扇形汇集槽C1、扇形汇集槽D1、扇形汇集槽B2、扇形汇集槽C2和扇形汇集槽D2的弧长相等。

在本发明的一个实施例中，所述主体外部设置有一体式保温结构和超声波发生器，以维持反应所需温度，防止颗粒团聚。

在本发明的一个实施例中，所述反应器内反应压力为22～30MPa，反应温度为380～500℃。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、可精准调控不同种类纳米材料的反应时间：反应器由多个超临界微通道反应模块轴向组装，可根据不同种类纳米材料的反应时间自由增减反应模块数量，精准调控反应时间。

2、利用微通道反应器，实现高效传质，提高产物选择性：微通道反应器具有反应空间小，比表面积大等特点，可提供较大的传质动力，实现分子层面上的高效混合，大幅提高产物选择性，减少副产物，提高反应产率。

3、集成多反应流程，外部可设置保温措施，维持反应所需温度：本反应器内部集成多个微通道反应流程，外形尺寸适中，便于添加保温措施，维持反应所需温度。

4、超临界水热合成技术、微通道反应器以及超声波发生器协同作用，有效地防止纳米颗粒团聚,避免反应通道发生堵塞：微通道反应器为反应提供良好的混合效果和流场，通过超临界水热合成技术产生粒径小，尺寸分布均匀的纳米颗粒，超声波发生器持续作用于反应器，保证颗粒不发生团聚，避免堵塞反应器。

附图说明

图1为本发明模块主体俯视图。

图2为本发明A-A视图。

图3为本发明B-B视图。

其中 1-上端盖、2-主体、3-下端盖、4-物料流入通道、5-A流程微型反应通道、6-B流程微型反应通道、7-C流程微型反应通道、8-D流程微型反应通道、9-E流程微型反应通道、10-产物出口、11a/11b/11c/11d-分割肋、12-超声波发生器、13-流注子通道、A1-A流程微型反应通道上端环形汇集槽、A2-A流程微型反应通道下端环形汇集槽、B1-B流程微型反应通道上端扇形汇集槽、B2-B流程微型反应通道下端扇形汇集槽、C1-C流程微型反应通道上端扇形汇集槽、C2-C流程微型反应通道下端扇形汇集槽、D1-D流程微型反应通道上端扇形汇集槽、D2-D流程微型反应通道下端扇形汇集槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1、图2和图3所示，本发明为一种用于超临界水热合成纳米材料的一体式超声外场辅助型微通道反应器，包括主体2，在主体2的顶部与底部，可分别配置上端盖1和下端盖3。物料流入通道4设置在上端盖1轴心处，产物出口10则设置在下端盖3中心。需要说明的是，图1中

代表流体垂直于纸面流入；“⊙”代表流体垂直于纸面流出。

主体2由多个超临界微通道反应模块沿轴向对接组成，显然，超临界微通道反应模块数量随合成纳米材料所需反应时间自由增减，并不局限于特定数量，从而精确调控反应时间。

在超临界微通道反应模块上沿轴向设置有多个微型反应通道，微型反应通道在主体2的顶端或底端相连，构成上下折返形式的物料流道。物料流道为超临界水热合成反应提供反应空间。

其中，上下折返形式包括了在不同径向上的上下折返以及在相同径向不同周向上的上下折返。例如，上下折返的每次“上”，可为沿多个微型反应通道的同时上行，也可为沿单个微型反应通道上行。相应地，每次“下”，可为沿多个微型反应通道的同时下行，也可为沿单个微型反应通道下行。

在本发明的一个实施例中，提供了物料流道的一种具体结构。

如图1、图2和图3所示，在该结构中，微型反应通道由如下部分组成：

E流程微型反应通道9，设置于超临界微通道反应模块的中心，数量为一个。

A流程微型反应通道5，数量有3-6个，为并联结构，设置在环绕E流程微型反应通道9的圆周一上，各A流程微型反应通道5的顶端连接物料入口。

B流程微型反应通道6、C流程微型反应通道7和D流程微型反应通道8，设置在环绕圆周一的圆周二上，B流程微型反应通道6、C流程微型反应通道7和D流程微型反应通道8分别有3-6个。各B流程微型反应通道6并联，其底端与A流程微型反应通道5的底端连通；各C流程微型反应通道7并联，其顶端与B流程微型反应通道6的顶端连通；各D流程微型反应通道8并联，其底端与C流程微型反应通道7的底端连通；E流程微型反应通道9的顶端与D流程微型反应通道8的顶端连通，E流程微型反应通道9的底端连接产物出口10。

示例地，A流程微型反应通道5、B流程微型反应通道6、C流程微型反应通道7、D流程微型反应通道8和E流程微型反应通道9的截面均为圆形。

进一步地，为实现均匀配流，A流程微型反应通道5的顶端设置有环形汇集槽A1，底端设置有环形汇集槽A2，各A流程微型反应通道5连通环形汇集槽A1和环形汇集槽A2。

B流程微型反应通道6的顶端设置有扇形汇集槽B1，底端设置有扇形汇集槽B2，各B流程微型反应通道6连通扇形汇集槽B1和扇形汇集槽B2。

C流程微型反应通道7的顶端设置有扇形汇集槽C1，底端设置有扇形汇集槽C2，各C流程微型反应通道7连通扇形汇集槽C1和扇形汇集槽C2。

D流程微型反应通道8的顶端设置有扇形汇集槽D1，底端设置有扇形汇集槽D2，各D流程微型反应通道8连通扇形汇集槽D1和扇形汇集槽D2。

环形汇集槽A1通过多个流注子通道13连通物料流入通道4的底部，环形汇集槽A2与扇形汇集槽B2在周向截面上连通，扇形汇集槽B1与扇形汇集槽C1在周向截面上连通，扇形汇集槽C2与扇形汇集槽D2在周向截面上连通，扇形汇集槽D1与E流程微型反应通道9的顶端在周向截面上连通。

由此，形成的物料流道中，物料流动方式为：

物料从物料流入通道4送入，经多个流注子通道13汇入环形汇集槽A1，再分配至各A流程微型反应通道5，沿各A流程微型反应通道5下行后，汇入环形汇集槽A2，之后沿径向流入扇形汇集槽B2，再分配至各B流程微型反应通道6，沿B流程微型反应通道6上行后，汇入扇形汇集槽B1，之后沿周向流入扇形汇集槽C1，再分配至各C流程微型反应通道7，沿C流程微型反应通道7下行后，汇入扇形汇集槽C2，之后沿周向流入扇形汇集槽D2，再分配至各D流程微型反应通道8，沿D流程微型反应通道8上行后，汇入扇形汇集槽D1，再沿径向流入E流程微型反应通道9的顶端，沿E流程微型反应通道9下行，最终从产物出口10流出。

示例地，扇形汇集槽B1、扇形汇集槽C1和扇形汇集槽D1围成一个圆环，圆环上设置分割肋一11a和分割肋二11b，将圆环分为两部分，扇形汇集槽B1、扇形汇集槽C1位于一部分，扇形汇集槽D1位于另一部分。扇形汇集槽B2、扇形汇集槽C2和扇形汇集槽D2围成一个圆环，圆环上设置分割肋三11c与分割肋四11d，将圆环分为两部分，扇形汇集槽C2、扇形汇集槽D2位于一部分，扇形汇集槽B2位于另一部分。分割肋用于确保物料流动顺序。并且，扇形汇集槽B1、扇形汇集槽C1、扇形汇集槽D1、扇形汇集槽B2、扇形汇集槽C2和扇形汇集槽D2的弧长可完全相等。

此时，分割肋11c可引导物料流入扇形汇集槽B2，分割肋11a可引导物料流入扇形汇集槽C1，分割肋11d可引导物料流入扇形汇集槽D2，分割肋11b可引导物料流入E流程微型反应通道9。

示例地，本发明中同类型的流程微型反应通道的截面可相同，也可不同，例如，可采用等截面的A流程微型反应通道5，也可采用截面变化的A流程微型反应通道5。B流程微型反应通道6、C流程微型反应通道7和D流程微型反应通道8也是如此。

在本发明的一个实施例中，主体2外部设置了一体式保温结构和超声波发生器12，以维持反应所需温度，防止颗粒团聚，避免发生反应通道堵塞。本发明中，反应器内反应压力为22～30MPa，反应温度为380～500℃。

综上本发明公开了一种适用于超临界水热合成纳米材料的一体式超声外场辅助型微通道反应器，可根据不同种类纳米颗粒的反应时间确定超临界微通道反应模块数量，精准调控反应时间；反应器内部集成多个反应流程，外形尺寸适中，便于实现一体式保温以精确恒定反应温度以及超声波发生器设置。在微尺度多流程超临界水热合成反应及超声波发生器协同作用下，可绿色高效地合成粒径小、分布均匀的金属及金属氧化物纳米粉体，同时有效防止颗粒团聚，避免反应通道堵塞等问题，为超细纳米材料制备提供有效的合成设备。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于超临界水热合成纳米材料的一体式超声外场辅助型微通道反应器，其特征在于，包括由多个超临界微通道反应模块轴向对接组成的主体(2)，所述超临界微通道反应模块上沿轴向设置有多个微型反应通道，所述微型反应通道在主体(2)的顶端或底端相连，构成上下折返形式的物料流道，所述上下折返形式包括在不同径向上的上下折返以及在相同径向不同周向上的上下折返。

2.根据权利要求1所述用于超临界水热合成纳米材料的一体式超声外场辅助型微通道反应器，其特征在于，所述超临界微通道反应模块数量随合成纳米材料所需反应时间自由增减，上下折返为沿若干微型反应通道同时上行与若干微型反应通道同时下行的组合。

3.根据权利要求1所述用于超临界水热合成纳米材料的一体式超声外场辅助型微通道反应器，其特征在于，所述微型反应通道由如下部分组成：

E流程微型反应通道(9)，设置于超临界微通道反应模块的中心；

A流程微型反应通道(5)，数量有多个，设置在环绕所述E流程微型反应通道(9)的圆周一上；

B流程微型反应通道(6)、C流程微型反应通道(7)和D流程微型反应通道(8)，设置在环绕所述圆周一的圆周二上，所述B流程微型反应通道(6)、C流程微型反应通道(7)和D流程微型反应通道(8)分别有多个；

多个所述A流程微型反应通道(5)并联，其顶端连接物料入口；

多个所述B流程微型反应通道(6)并联，其底端与所述A流程微型反应通道(5)的底端连通；

多个所述C流程微型反应通道(7)并联，其顶端与所述B流程微型反应通道(6)的顶端连通；

多个所述D流程微型反应通道(8)并联，其底端与所述C流程微型反应通道(7)的底端连通；

所述E流程微型反应通道(9)的顶端与所述D流程微型反应通道(8)的顶端连通，E流程微型反应通道(9)的底端连接产物出口(10)。

4.根据权利要求3所述用于超临界水热合成纳米材料的一体式超声外场辅助型微通道反应器，其特征在于，所述A流程微型反应通道(5)的顶端设置有环形汇集槽A1，底端设置有环形汇集槽A2，B流程微型反应通道(6)的顶端设置有扇形汇集槽B1，底端设置有扇形汇集槽B2，C流程微型反应通道(7)的顶端设置有扇形汇集槽C1，底端设置有扇形汇集槽C2，D流程微型反应通道(8)的顶端设置有扇形汇集槽D1，底端设置有扇形汇集槽D2，所述环形汇集槽A2接通扇形汇集槽B2，扇形汇集槽B1接通扇形汇集槽C1，扇形汇集槽C2接通扇形汇集槽D2，扇形汇集槽D1接通E流程微型反应通道(9)的顶端。

5.根据权利要求4所述用于超临界水热合成纳米材料的一体式超声外场辅助型微通道反应器，其特征在于，所述主体(2)配有上端盖(1)和下端盖(3)，其中上端盖(1)轴心处设有物料流入通道(4)，物料流入通道(4)底部连通多个流注子通道(13)，多个流注子通道(13)汇入环形汇集槽A1，所述产物出口(10)设置在下端盖(3)中心。

6.根据权利要求5所述用于超临界水热合成纳米材料的一体式超声外场辅助型微通道反应器，其特征在于，所述扇形汇集槽B1、扇形汇集槽C1和扇形汇集槽D1围成一个圆环，圆环上设置分割肋一(11a)与分割肋二(11b)，将圆环分为两部分，扇形汇集槽B1、扇形汇集槽C1位于一部分，扇形汇集槽D1位于另一部分；所述扇形汇集槽B2、扇形汇集槽C2和扇形汇集槽D2围成一个圆环，圆环上设置分割肋三(11c)与分割肋四(11d)，将圆环分为两部分，扇形汇集槽C2、扇形汇集槽D2位于一部分，扇形汇集槽B2位于另一部分。

7.根据权利要求6所述用于超临界水热合成纳米材料的一体式超声外场辅助型微通道反应器，其特征在于，所述扇形汇集槽B1、扇形汇集槽C1、扇形汇集槽D1、扇形汇集槽B2、扇形汇集槽C2和扇形汇集槽D2的弧长相等。

8.根据权利要求1所述用于超临界水热合成纳米材料的一体式超声外场辅助型微通道反应器，其特征在于，所述主体(2)外部设置有一体式保温结构和超声波发生器(12)，以维持反应所需温度，防止颗粒团聚。

9.根据权利要求1所述用于超临界水热合成纳米材料的一体式超声外场辅助型微通道反应器，其特征在于，所述反应器内反应压力为22～30MPa，反应温度为380～500℃。

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