CN2597069Y - 用于制备超微颗粒的反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型是关于一种用于制备超微颗粒的反应器，尤其有关一种含有复数个多孔性旋转叶片的用于制备超微颗粒的反应器。本实用新型揭示一种内部含有复数个多孔性旋转叶片的反应器。该多孔性旋转叶片将从一旋转轴心喷出的液体打散成为微液滴状，一被导入该反应器的气体透过微液滴的表面与液体进行质量交换，并进行长晶反应。由于晶体成长所需要的反应物被微液滴所限制，使得长晶反应由于缺少需要的反应物而停止，进而控制结晶颗粒于纳米的范围。本实用新型的反应器也适用于液－液之间的反应，其中两不同的液体分别被从旋转轴心喷出，而为该多孔性旋转叶片打散成为微液滴状，并互相接触反应，形成超微颗粒。

Description

用于制备超微颗粒的反应器

                       技术领域

本实用新型是关于一种用于制备超微颗粒的反应器，尤其有关一种含有复数个多孔性旋转叶片的用于制备超微颗粒的反应器。

                       背景技术

超微颗粒例如金属氧化物、有机化合物、无机化合物及复合颗粒为可运用在微电子、信息、航天、化工、机械、汽车、生物等诸多领域中的性能优越的新材料。目前超微颗粒的制备方法分为物理法和化学法。化学法中又以在搅拌槽或搅拌釜反应器中及在常重力场下进行化学沉淀反应的沉淀法最为常用。沉淀法存在着如下缺点：(1)颗粒粒度分布不均匀，且难于控制；(2)产品批与批间品位重复性较差；(3)传质慢，反应时间长，能耗大，生产效率不高。究其原因主要是反应器内微观混合不均，微观传质不理想等所致。

1981年Ramshaw等人于美国专利4283255号揭示一种使用旋转填充床的进行质传的工艺。此工艺主要的应用为气液的接触与反应，其中借助高速旋转的填充床，提高气液的质传效率。类似的旋转填充床亦揭示于美国专利4382045；4382900及4400275号。

1996年陈建峰等人发表以超重力法制备碳酸钙微粉(CN1116185A)的方法，将原来于反应釜中进行的碳化反应借助使用超重力反应装置而加予改良，该方法缩短碳化时间，并使颗粒超微细化，粒径可以控制在10～100nm，粒径分布均匀。

2000年陈建峰等人发表以超重力法制备氢氧化铝微粉(CN1258639A)，制程包括碳分分解与水热处理二部分。经过水热处理后，粒径可以控制在1～5nm，长径比为5～100的针状结晶。

2001年陈建峰等人发表以超重力法制备二氧化硅微粉(CN1288856A)，该方法使用超重力反应装置而有效缩短水玻璃的碳化时间，得到粒径为15～30nm的二氧化硅微粉。

2001年Han等人发表使用水热法制备氧化铁微粉(US6203774)，做法为将α-FeOOH溶解于乙二醇之后以水热法加上晶习改质剂(habitmodifier)的使用控制所得到的氧化铁晶型。

超重力装置(旋转填充床)于操作时会出现：(1)质传效率不均匀，愈靠旋转床外部效率愈差；(2)由于持续进行旋转的离心力作用，容易产生填充料外围密度高于内层的情况；(3)旋转填充床构造复杂，容易失去动态平衡，造成常需停车维修。

                       发明内容

本实用新型的主要目的在于提出一种不具有前述先前技艺缺点的制备超微颗粒的反应器。

本实用新型的另一目的在于提出一种具有增进的混合效率的制备超微颗粒的反应器。

本实用新型的又一目的在于提出一种制备超微颗粒的方法。

本实用新型的一种用于制备超微颗粒的反应器，包括：

一反应舱；

位于该反应舱的复数个间隔开的多孔性结构，当该反应器被操作时，该复数个多孔性结构绕一轴心旋转，且每一个该复数个多孔性结构包括相对于该轴心具不同角速度的部份；及

一进料机构，用于将该反应舱外的一或多种液态进料分别从该轴心方向射向该复数个多孔性结构，于是当该反应器被操作且该一或多种液态进料被导入该进料机构时，该一或多种液态进料为该复数个多孔性结构所拍击并且分割成微液滴。

所述的该复数个多孔性结构包括绕该轴心呈等角度间隔开的2-8个多孔性结构。其进一步包括一转盘，该转盘的一表面被固定有该复数个多孔性结构，而其另一表面则被设有一垂直于该转盘的转轴，其中该多孔性结构是实质上垂直于该转盘的该表面，及该转轴的一部份是伸出于该反应舱且该部份适于为一马达所驱动绕该轴心旋转。

所述的该多孔性结构包括一金属网、一具筛孔的板或一可让液体穿过并将其分割的多孔性无机或高分子材料。

所述的该多孔性结构包括一金属网。

所述的该复数个多孔性结构相对于该轴心是径向的被固定于该转盘的该表面上。

所述的该多孔性结构向该轴心延伸的一想象平面未通过该轴心。

所述的该多孔性结构为平面、波状(corrugated)或曲面的。

所述的该多孔性结构为平面的。

所述的该进料机构包括平行于该轴心的一或多根进料管，且一或多根进料管，其中每一根该一或多根进料管包括适于连接一液态进料的一进料端；相对于该进料端的一封闭端；及介于该进料端与封闭端之间且为该复数个多孔性结构所包围的穿孔部，该穿孔部沿该轴心方向被设有面向该复数个多孔性结构的复数个穿孔。

所述的该进料机构包括两根进料管，且它们的进料端连接于两不同液态进料。

所述的该进料机构包括一根进料管。

所述的反应器进一步包括一位于该反应舱外周壁上的一气体入口及一连接于该反应舱近该轴心的一位置上的一气体排出管，其中该气体入口用于将一外界气体导入该反应舱内，及该气体排出管用于将该反应舱内的气体排出该反应舱。

所述的反应器进一步包括一位于该反应舱外周壁上的一气体入口及一连接于该反应舱近该轴心的一位置上的一气体排出管，其中该气体入口用于将一外界气体导入该反应舱内，及该气体排出管包围该一或多根进料管伸出于该反应舱的部份，于是形成一用于排出该反应舱内的气体的环形信道。

所述的反应器进一步包括一位于该反应舱外周壁上的反应产物出口，该反应产物出口被设置在一位置使得形成于该反应舱内的反应产物可借助重力从该反应产物出口排出该反应舱。

本实用新型揭示了一种新型高剪切、高涡流反应装置，其最主要的特点在于使用的复数个多孔性旋转叶片。在传统的超重力装置中主要的气液接触方式为透过覆盖于填充物表面的液体薄膜进行质量交换，而装置中质传的速率依照流体的粘度、填充料的比表面积等因素决定，是属于将一般的填充床操作进行改善的方式。本实用新型的新型高剪切、高涡流反应装置是将轴心所流出的液体以高速旋转的多孔性叶片加以打散成为微液滴状，气体透过微液滴的表面与液体进行质量交换，所产生的单位液体表面积自然远大于覆盖于填充物表面的液体薄膜所拥有的表面积，因而能够提升质传速率。同时在进行奈米微粉生产时，晶体成长所需要的反应物被微液滴所限制，使得长晶反应由于缺少需要的反应物而停止，进而控制结晶颗粒于奈米的范围。

本实用新型的反应装置所适用范围除气液之间的接触反应之外，同时也适用于液液之间的反应。

在沉淀结晶反应过程中，晶体的成核反应与长晶反应为序列竞争反应，也就是当反应发生的同时，相当程度的晶体过饱和度即已经形成，此时成核反应开始发生，而当成核反应引发之后，长晶反应也同时相继开始。成核反应的速度愈快，所消耗的反应物也就愈多，而可供长晶反应的反应起始原料浓度也就愈低，在竞争反应的原则之下，抑制长晶反应同时也就可以抑制成品晶体的大小，完成超微细颗粒的制备效果。

完成此种方式的手段包括有加强反应装置中微观混合的程度，以使绝大多数反应物在第一时间即为成核反应所消耗，而无多余的反应物进行长晶反应。另一个在几何上控制晶体大小的方式为限制晶体长晶的环境，一般常用的微乳液制程就是使用此种方式，将晶体控制于微乳液滴所形成的微小反应器中，限制所长成晶体的大小。

本实用新型的新型高剪切高涡流反应装置可以同时以物理手段完成以上目的，除加强微观混合效率之外，被旋转多孔性叶片所反复切割的微液滴也同时具有加强微观混合度与限制晶体成长的空间效果。因此与传统的超重力反应装置相比较，除改善微观混合度，以及操作上所发生填充物容易变形的缺点以外，反应器中所产生的微液滴更具有与微乳液制程相同效果的微小反应器功能，达到对晶体成长的粒径与粒径分布更佳的控制效果。

                       附图说明

图1为显示依本实用新型的一较佳具体实施例所完成的高剪切、高涡流反应器的示意剖视图。

图2为仅显示图1中的反应器的部份组件的示意上视图。

图3为显示本实用新型的另一较佳具体实施例所完成的高剪切、高涡流反应器的部份组件的示意上视图。

                       附图标记

1.液体进料管         2.穿孔           3.气体入口

4.外框               5.不锈钢网       6.旋转轴

7.反应产物出口       8.气体排出管     10.反应舱

20，20’，20”，20a.多孔性旋转叶片

30.转盘

                     具体实施方式

依本实用新型的一较佳具体实施例所完成的高剪切、高涡流反应器被示于图1及2，其中图2为仅显示图1中的反应器的部份组件的上视图。该高剪切、高涡流反应器包括：一密闭的反应舱10、两液体进料管1、一位于该反应舱10外周壁上气体入口3、八个多孔性旋转叶片20、转盘30、旋转轴6、一位于该反应舱10外周壁且近其底部的反应产物出口7、及一气体排出管8。

该多孔性旋转叶片20包括一长方形外框4及一支撑于该外框的60-80网目的不锈钢网5所组成，其中该外框4是垂直的固定于该转盘30的上表面上。该八个旋转叶片20相对于该旋转轴6的轴心是径向、呈等角度间隔开的被固定于该转盘30的上表面上。于本实用新型的另一较佳具体实施例中，该多孔性旋转叶片包括固定于该转盘的上表面的两垂直柱及套于该两垂直柱的一不锈钢网的环带。

该转盘30通过固定于其下表面的旋转轴6而为一外界马达(未示于图中)所驱动旋转，于是该八个多孔性旋转叶片20跟着绕该旋转轴6的轴心高速旋转。

该两液体进料管1的每一根包括一伸出于该反应舱10的一进料端部份1a及为该八个旋转叶片20所包围的穿孔部1b。该穿孔部1b沿该轴心方向被设有面向该旋转叶片20的复数个穿孔2；且该穿孔部1b的底端系被封闭。

该气体排出管8是连接于该反应舱10并与该轴心呈一直线。该气体排出管8包围该两进料管1的进料端部份1a，于是形成一用于排出该反应舱30内的气体的环形信道。

进行气液接触时，液体由该液体进料管1的进料端部份1a的上方入口进入该反应舱10，经过这些穿孔2喷入包括该多孔性旋转叶片20的反应区域，于此处液体为该多孔性旋转叶片20所拍击、分割为微液滴并与由该气体入口3注入的反应气体接触、反应。反应完毕后的产物由该反应产物出口7流出，气体则由该气体排出管8排出。

进行液液接触时，两不同液体分别由该两液体进料管1被导入该反应舱10，分别通过这些穿孔2喷入包括该多孔性旋转叶片20的反应区域，于此处液体为该多孔性旋转叶片20所拍击、分割为微液滴，并互相接触、反应。反应完毕后的产物由该反应产物出口7流出。若同时有气体产生，则由该气体排出管8排出。

前述实施例中的多孔性旋转叶片20可以有多种变化，包括(但不限于)，如图3所示，一多孔性旋转叶片20’其向该轴心延伸的一想象平面(如虚线所示)未通过该轴心；另一多孔性旋转叶片20”，其为波状的；及另一多孔性旋转叶片20a，其为曲面的。实施例1.微观混合度比较

为比较本案所提出的高剪切高涡流反应装置与传统超重力反应装置的微观混合度，因此采用Fournier等人于1996年所提出的H₂BO₃ ^-、I^-、IO₃ ^-的平行竞争反应作为微观混合度比较的基准，反应动力机制如下

                             (1)

                       (2)

                                   (3)

反应式(1)为酸碱中和反应，反应速度极快；反应式(2)为氧化还原反应，反应速速也相当快。当微观混合接近完全时，由于酸碱中和反应的速度都相当快，使得氢离子几乎全部为H₃BO₃所反应，因而不会有I₂与I₃ ^-的产生，因此测量溶液中I₃ ^-的浓度变化，就可以得知微观混合效率。

当H₂BO₃ ^-、I^-、IO₃ ^-过量时，反应式(2)的产率可以定义为 $Y=\frac{2(n_{I_2}+n_{I_3^{-}})}{{\left({\mathrm{nH}}^{+}\right)}_0}---\left(4\right)$

而当微观混合无限慢的情形之下，反应式(2)的产率可以定义为 $Y_{\mathrm{ST}}=\frac{{6\left({\mathrm{IO}}_3^{-}\right)}_0/{\left(H2B{O}_3^{-}\right)}_0}{{6\left({\mathrm{IO}}_3^{-}\right)}_0/{\left(H2B{O}_3^{-}\right)}_0+1}---\left(5\right)$

因此分离指针可以定义为 $X_s=\frac{Y}{Y_{\mathrm{ST}}}---\left(6\right)$

在完美混合的状况下，Xs＝0；而混合极差时Xs＝1。一般CSTR的Xs介于0.15～0.7之间；静态混合器(Static mixer)介于0.02～0.7之间；而超音波混合介于0.01～0.8之间。

本实施例所使用的本实用新型的高剪切、高涡流反应器，使用60～80网目的金属网叶6片，叶片径向的长度为4cm，轴向高度为2cm；而所使用的超重力填充床反应器，其内、外径分别为2cm与4cm，轴向高度为2cm，所使用的填充料为2mm直径的压克力珠。

本实施例使用二种液体进料，其中液体A包括的反应物种类与浓度分别为：

[KIO^3-]：3.8×10^-4(mol/l)

[KI]：1.9×10^-3(mol/l)

[H₂BO₃]：4.7×10^-2(mol/l)

[H⁺]：3.3×10^-2(mol/l)

液体B则为硫酸水溶液，作为氢离子的来源。

以下表1为使用本案的高剪切、高涡流反应器与传统的旋转填充床反应器在不同操作条件之下，分离指针的实验结果。

               表1.不同操作条件之下分离指针的实验结果

流量比	流量(ml/min)	转速(rpm)	Xs(本案)	转速(rpm)	Xs(超重力)
						11.7	Vtot：260VA：240VB：20.5	1184	0.0141	1200	0.0724
1950	0.0082	1800	0.0581
				2360	0.0070			2300	0.0561
11.1	Vtot：454VA：416VB：37.5	1184	0.0159							1200	0.0675
				1950	0.0080	1800	0.0536
		2360	0.0070					2300	0.0478
				11.0	Vtot：668VA：612VB：55.6	1184	0.0209			1200	0.0698
1950	0.0113	1800	0.0531
						2360	0.0112	2300	0.0445
64.9	Vtot：422VA：416VB：6.4	1184	0.0619							1200	0.1214
				1950	0.0420	1800	0.1017
		2360	0.0434					2300	0.0845

由表1可以看出，在不同的操作条间之下，本案的高剪切高涡流反应器的分离指针介于0.007～0.06之间，远较以上所提到的CSTR、静态混合器(Static Mixer)、超音波混合为低，表示其微观混合效率相当高。而与一般传统填充床式超重力反应装置相比较，其分离指针也为其1/2～1/10，可见高剪切高涡流反应装置具有超越传统旋转填充床反应器的微观混合效果。

本实用新型的高剪切、高涡流反应器与传统的旋转填充床反应器的主要差异被列于以下表2：

                              表2

比较项目	旋转填充床反应器	本实用新型的高剪切、高涡流反应器
			反应原料混合方法	旋转填充床	旋转多孔性叶片
分离指针Xs	0.014～0.12	0.007～0.060
			机械构造	复杂	简单，易制作大直径
稳定性	填充床易变形而失去动平衡	叶片均匀固定不易失去动平衡
			维护性	填充床不易清洁	叶片易于擦拭清洁

实施例2.氧化铁微粉制备

相同当量(0.1N/mole)的FeSO₄与NH₄OH水溶液分别置于不同进料槽中，同时以300ml/min的流量经由两不同进料管注入转速为1800rpm的相同于实施例1的本实用新型高剪切、高涡流反应器中进行反应，得到含有氢氧化铁FeOOH微粒的产物混合物。所得到的产物混合物再以500ml/min的流量注入转速为1800rpm的相同的高剪切、高涡流反应器中与流量为10l/min的空气接触在70℃常压下进行氧化反应，而将其中的FeOOH微粒氧化为氧化铁Fe₃O₄。将含有氧化铁Fe₃O₄微粒的产物混合物收集后置于一槽中，在70℃常压下进行水热处理，而得到粒径为30nm以下的Fe₂O₃微粉。实施例3.氢氧化铝微粉制备

相同当量(0.1N/mole)的NaAlO₂与Al₂(SO₄)₃水溶液分别置于两不同进料槽中，同时以300ml/min的流量经由两不同进料管注入转速为1800rpmd相同于实施例1的本实用新型高剪切、高涡流反应器中，在70℃常压下进行反应，得到粒径小于20nm的Al(OH)₃微粉。

Claims (15)

1.一种用于制备超微颗粒的反应器，包括：

一反应舱；

位于该反应舱的复数个间隔开的多孔性结构，当该反应器被操作时，该复数个多孔性结构绕一轴心旋转，且每一个该复数个多孔性结构包括相对于该轴心具不同角速度的部份；及

一进料机构，用于将该反应舱外的一或多种液态进料分别从该轴心方向射向该复数个多孔性结构，于是当该反应器被操作且该一或多种液态进料被导入该进料机构时，该一或多种液态进料为该复数个多孔性结构所拍击并且分割成微液滴。

2.如权利要求1所述的反应器，其特征是：所述的该复数个多孔性结构包括绕该轴心呈等角度间隔开的2-8个多孔性结构。

3.如权利要求2所述的反应器，其特征是：所述的该多孔性结构包括一金属网、一具筛孔的板或一可让液体穿过并将其分割的多孔性无机或高分子材料。

4.如权利要求3所述的反应器，其特征是：所述的该多孔性结构包括一金属网。

5.如权利要求2所述的反应器，其特征是：其进一步包括一转盘，该转盘的一表面被固定有该复数个多孔性结构，而其另一表面则被设有一垂直于该转盘的转轴，其中该多孔性结构是实质上垂直于该转盘的该表面，及该转轴的一部份是伸出于该反应舱且该部份适于为一马达所驱动绕该轴心旋转。

6.如权利要求5所述的反应器，其特征是：所述的该复数个多孔性结构相对于该轴心是径向的被固定于该转盘的该表面上。

7.如权利要求5所述的反应器，其特征是：所述的该多孔性结构向该轴心延伸的一想象平面未通过该轴心。

8.如权利要求5所述的反应器，其特征是：所述的该多孔性结构为平面、波状或曲面的。

9.如权利要求8所述的反应器，其特征是：所述的该多孔性结构为平面的。

10.如权利要求1所述的反应器，其特征是：所述的该进料机构包括平行于该轴心的一或多根进料管，且一或多根进料管，其中每一根该一或多根进料管包括适于连接一液态进料的一进料端；相对于该进料端的一封闭端；及介于该进料端与封闭端之间且为该复数个多孔性结构所包围的穿孔部，该穿孔部沿该轴心方向被设有面向该复数个多孔性结构的复数个穿孔。

11.如权利要求10所述的反应器，其特征是：所述的该进料机构包括两根进料管，且它们的进料端连接于两不同液态进料。

12.如权利要求10所述的反应器，其特征是：所述的该进料机构包括一根进料管。

13.如权利要求1所述的反应器，其特征是：其进一步包括一位于该反应舱外周壁上的一气体入口及一连接于该反应舱近该轴心的一位置上的一气体排出管，其中该气体入口用于将一外界气体导入该反应舱内，及该气体排出管用于将该反应舱内的气体排出该反应舱。

14.如权利要求10所述的反应器，其特征是：其进一步包括一位于该反应舱外周壁上的一气体入口及一连接于该反应舱近该轴心的一位置上的一气体排出管，其中该气体入口用于将一外界气体导入该反应舱内，及该气体排出管包围该一或多根进料管伸出于该反应舱的部份，于是形成一用于排出该反应舱内的气体的环形信道。

15.如权利要求1所述的反应器，其特征是：其进一步包括一位于该反应舱外周壁上的反应产物出口，该反应产物出口被设置在一位置使得形成于该反应舱内的反应产物可借助重力从该反应产物出口排出该反应舱。

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