一种可实现反应时间精准控制的一体式微通道超临界水热合成反应器
阅读说明：本技术 一种可实现反应时间精准控制的一体式微通道超临界水热合成反应器 (Integrated micro-channel supercritical hydrothermal synthesis reactor capable of realizing accurate control of reaction time ) 是由 王树众 李艳辉 李紫成 刘伟 赫文强 张凡 贺超 于 2021-10-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种可实现反应时间精准控制的一体式微通道超临界水热合成反应器,包括主体,主体上设置有N排超临界微型反应通道组,N为大于1的奇数,每排超临界微型反应通道组由多个并联的超临界微型反应子通道组成,其中第一排超临界微型反应通道组的顶端与物料流入口接通,第N排超临界微型反应通道组的底端与末级产物流出口接通,相邻排超临界微型反应通道组依次在顶端或底端连通,构成上下折返形式的物料通道,其中,在每个顶端连通处均开有产物流出口并在产物流出口下游设置高温高压针状阀。通过沿物料反应流程,启闭相应高温高压针状阀,可以按需选择反应产物流出口,从而精准控制反应停留时间,达到按需调控纳米粉体生成粒径的目的。(The invention discloses an integrated micro-channel supercritical hydrothermal synthesis reactor capable of realizing accurate control of reaction time, which comprises a main body, wherein N rows of supercritical micro reaction channel groups are arranged on the main body, N is an odd number larger than 1, each row of supercritical micro reaction channel group consists of a plurality of supercritical micro reaction sub-channels connected in parallel, the top end of the first row of supercritical micro reaction channel group is communicated with a material flow inlet, the bottom end of the Nth row of supercritical micro reaction channel group is communicated with a final-stage product flow outlet, adjacent rows of supercritical micro reaction channel groups are sequentially communicated at the top end or the bottom end to form a material channel in a vertically-folded form, a product flow outlet is formed at each top end communication part, and a high-temperature high-pressure needle valve is arranged at the downstream of the product flow outlet. By opening and closing the corresponding high-temperature and high-pressure needle valve along the material reaction process, the outflow port of the reaction product can be selected as required, so that the reaction residence time is accurately controlled, and the purpose of regulating and controlling the particle size of the generated nano powder as required is achieved.)
技术领域
本发明属于纳米材料制备技术领域，特别涉及一种可实现反应时间精准控制的一体式微通道超临界水热合成反应器。
背景技术
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。
超临界水热合成反应器是超临界水热合成技术中的关键性设备。由于微通道反应器尺寸较小而反应比表面积较大，大大地强化了反应过程中的传质效率，微观混合效率极高，有利于得到粒径较小、尺寸分布均匀的纳米颗粒，因此这种反应器在超临界水热合成领域得到广泛的应用。
然而，微通道反应器大多存在两个问题：一方面由于微通道反应器比表面积较大，从而由内部向外部散热极快，反应器内无法维持较高的反应温度，导致反应难以持续进行；另一方面由于大部分微通道反应器结构固定不可改变，无法精准控制不同流量下纳米材料的反应时间。
如何精准调控不同流量下纳米材料反应时间，获得粒径小、尺寸分布均匀的纳米颗粒，维持反应自主进行，是当前纳米材料制备领域的关键问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种可实现反应时间精准控制的一体式微通道超临界水热合成反应器，该反应器使用超临界水热合唱技术制备纳米材料，具有能耗低、反应速率高、产品粒径小、尺寸分布均匀等优点；内部集成了多个微通道反应流程，外部尺寸适中，便于添加保温措施，克服了一般微通道反应器散热能力强、不便保温的缺点；反应器还可以进行模块化组装，根据不同种类纳米粒子所需的反应时间可自由增加或减少反应器模块数量，降低实验装置成本；另外，该反应器还耦合了微通道效应与超声外场，可以有效地防止纳米颗粒团聚，反应通道堵塞。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种可实现反应时间精准控制的一体式微通道超临界水热合成反应器，包括主体，所述主体上设置有N排超临界微型反应通道组，N为大于1的奇数，每排超临界微型反应通道组由多个并联的超临界微型反应子通道组成，其中第一排超临界微型反应通道组的顶端与物料流入口接通，第N排超临界微型反应通道组的底端与末级产物流出口接通，相邻排超临界微型反应通道组依次在顶端或底端连通，构成上下折返形式的物料通道，其中，在每个顶端连通处均开有产物流出口。
在一个实施例中，每排超临界微型反应通道组中的各超临界微型反应通道位于同一直线上，各排超临界微型反应通道组对应的直线平行。
在一个实施例中，所述主体上位于每排超临界微型反应通道组的顶端分别设置有上端汇集槽，底端分别设置有下端汇集槽，每排超临界微型反应通道组中的各超临界微型反应通道均与相应的上端汇集槽、下端汇集槽连通，相邻排超临界微型反应通道组通过上端汇集槽或下端汇集槽连通。
在一个实施例中，在顶端连通的相邻排超临界微型反应通道组的连通通路上，设置有高温高压针状阀，高温高压针状阀位于相应产物流出口的下游。
在一个实施例中，除第N排之外，奇数排的超临界微型反应通道组的底端与下一排超临界微型反应通道组的底端连通；除第一排之外，奇数排的超临界微型反应通道组的顶端与上一排超临界微型反应通道组的顶端连通。
在一个实施例中，所述产物流出口为轴向孔，所述相邻排超临界微型反应通道组在顶端或底端的连通通路带有倾角。
在一个实施例中，所述超临界微型反应子通道当量内径为30μm～5mm。
在一个实施例中，反应器内反应压力为22-30MPa，反应温度为380-500℃。
在一个实施例中，反应器外部设置有一体式保温措施和超声波发生器，以稳定维持反应所需温度，抑制所生成纳米粉体发生团聚。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、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。
2、集成多反应流程，外部可设置保温措施和超声外场，避免热量散失和通道堵塞：本反应器内部集成多个微通道反应流程，外部尺寸适中，外部便于添加保温措施，维持反应所需温度；反应器外设置超声外场，有效防止纳米颗粒团聚及反应通道堵塞。
3、可精准控制不同流量下的反应时间：反应器上部设有多个由针状阀控制的出口，通过开启或关闭针状阀，控制反应物流出时机，精准控制不同流量下的反应时间，获得预期粒径的纳米颗粒。
4、采用超临界水热合成技术具有以下优势：成核率高，有利于形成较小粒径的纳米粒子；反应速率快，通常2s内即可完成，比常规方法高出几个数量级；粒径分布均匀，产品纯度较高(99％以上)，产品质量上乘；可以通过控制参数灵活控制产物形貌，满足各种应用要求；反应过程不需要高温煅烧，不带来二次污染，绿色环保。
附图说明
图1为本发明的示意图。
图2为本发明俯视图。
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和图2所示，本发明为一种可实现反应时间精准控制的一体式微通道超临界水热合成反应器，包括主体2，主体2配置有上端盖1和下端盖3。
需要说明的是，图2中代表流体垂直于纸面流入；“⊙”代表流体垂直于纸面流出。
本发明在主体2上设置有N排超临界微型反应通道组10，N为大于1的奇数，示例地，图1和图2所示结构中，N＝5。每排超临界微型反应通道组10由多个并联的超临界微型反应子通道组成。不同排的超临界微型反应子通道的数量可以相同，也可以不同。
其中，物料流入口4贯穿上端盖1，与第一排超临界微型反应通道组10的顶端接通，末级产物流出口9贯穿下端盖3，与第N排超临界微型反应通道组10的底端接通。
相邻排超临界微型反应通道组10依次在顶端或底端连通，构成上下折返形式的物料通道，其中，在每个顶端连通处均开有产物流出口。
具体地，顶端或底端连通的方式为：
除第N排之外，奇数排的超临界微型反应通道组10的底端与下一排超临界微型反应通道组10的底端连通；除第一排之外，奇数排的超临界微型反应通道组10的顶端与上一排超临界微型反应通道组10的顶端连通。即，物料在奇数排的超临界微型反应通道组10从上向下流动，在偶数排的超临界微型反应通道组10从下向上流动。
进一步的连通结构，主体2上位于每排超临界微型反应通道组10的顶端分别设置有上端汇集槽，底端则分别设置有下端汇集槽，每排超临界微型反应通道组10中的各超临界微型反应通道均与相应的上端汇集槽、下端汇集槽连通，相邻排超临界微型反应通道组10依次通过上端汇集槽或下端汇集槽连通。
本发明的一个实施例中，每排超临界微型反应通道组10中的各超临界微型反应通道位于同一直线上，各排超临界微型反应通道组10对应的直线平行，可自左向右依次布设。
本发明的一个实施例中，在顶端连通的相邻排超临界微型反应通道组10的连通通路上，设置有高温高压针状阀，高温高压针状阀位于相应产物流出口的下游。
本发明的一个实施例中，产物流出口为轴向孔，相邻排超临界微型反应通道组10在顶端或底端的连通通路可带有倾角。
示例地，在N＝5时，第一排微型超临界反应通道组10上端汇集槽与物料流入口4接通，其下端汇集槽与第二排微型超临界反应通道组10下端汇集槽接通；第二排超临界微型反应通道组10上端汇集槽上设有两条出路，顶部出路与A号产物流出口5接通，侧面出路经第一高温高压针状阀7接至第三排微型超临界反应通道组10上端汇集槽，第三排超微型超临界反应通道组10下端汇集槽接通第四排微型反应通道组10下端汇集槽；第四排微型超临界反应通道组10上端汇集槽上设有两条出路，顶部出路与B号产物流出口6接通，侧面出路经第二高温高压针状阀8接至第五排微型反应通道组10上端汇集槽，以此类推，该反应器上可依次设置C号、D号……多个产物流出口，末级产物流出口9设置于下端盖3上，其与最右侧的第五排微型超临界反应通道组10下端汇集槽接通。
此时，物料流入口4处流入物料，物料在第一排、第三排、第五排等奇数排微型超临界反应通道组10内向下流动，进行超临界水热合成反应，在第二排、第四排等偶数排微型超临界反应通道组10内向上流动，进行超临界水热合成反应；根据相应流量下纳米材料反应所需时间，通过启闭第一高温高压针状阀7、第二高温高压针状阀8等高温高压针状阀，可选择反应产物从A号产物流出口5、B号产物流出口6流出，结束反应或流入相邻下一排微型超临界反应通道组10继续反应，从而按需精准控制反应停留时间。
在本发明中，各个微型超临界反应子通道当量内径通常为30μm～5mm，单个微型超临界反应通道组10内微型超临界反应子通道数量及其当量内径不做限定。
在本发明中，反应器内反应压力通常为22-30MPa，反应温度为380-500℃；反应器外部设置有一体式保温措施和超声波发生器11，以稳定维持反应所需温度，抑制所生成纳米粉体发生团聚。
依据以上结构，本发明运行时需根据物料流量确定反应时间，从而决定各个高温高压针状阀开关状态以及产物的流出位置。物料由物料流入口4向下流入最左侧第一排微型反应通道10，在第一排、第三排、第五排等奇数排微型超临界反应通道组10中向下流动并反应，在第二排、第四排等偶数排微型超临界反应通道组10内向上流动并反应。反应过程中反应器内压力维持在22-30MPa，反应器外部设置保温措施，减少散热损失，维持超临界水热合成所需反应温度380-500℃；反应器外设置超声波发生器，超声波发生器持续产生超声波作用于反应器整体，抑制所生成纳米粉体发生团聚。
综上所述，本发明公开了一种可实现反应时间精准控制的一体式微通道超临界水热合成反应器，可精准控制不同流量下的反应时间；反应器外部尺寸适中，便于添加保温措施，维持反应所需温度；通过超临界水热合成技术，微通道反应器及超声外场协同作用，可绿色高效地合成粒径小，分布均匀的纳米颗粒，提高产物选择性，有效防止颗粒团聚，避免反应通道发生堵塞，为我国在纳米材料制备领域取得突破性进展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。
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