撞擊流?微波加熱耦合反應裝置的制作方法

本發明屬于微波水熱合成反應裝置的技術領域，具體是一種撞擊流-微波加熱耦合反應裝置。

背景技術：

水熱合成是指溫度為100～1000 ℃、壓力為1 MPa～1 GPa 條件下利用水溶液中物質化學反應所進行的合成。在亞臨界和超臨界水熱條件下，反應處于分子水平，反應性的提高使水熱反應可以替代某些高溫固相反應。由于水熱反應的均相成核及非均相成核機理與固相反應的擴散機制不同，因而可以創造出其它方法無法制備的新化合物和新材料。目前主要應用于晶體、超細顆粒、無機薄膜、微孔材料的合成，在電子材料、磁性材料、光學材料、傳感器材料等領域也得到了廣泛應用。

撞擊流是利用兩股或多股流體快速撞擊，在兩進料管之間形成強烈的湍流核心區域，進行高動量的傳遞，湍動能耗散率急劇增加，由于巨大的動能作用，在碰撞處轉為靜壓能，靜壓能作用使其流向垂直于原來的方向，從而產生強烈的微觀混合。微觀混合時間與湍動能耗散率成反比，即湍動能耗散率越大，微觀混合時間越小，微觀混合的效果越好。微觀混合的效果可直接影響產品的質量。現有的撞擊流結構通常包括兩個進液管，進液管上設有噴嘴，兩噴嘴相向設置：進液管與噴嘴呈90度角連接，兩噴嘴噴出的液體相向撞擊。例如：中國專利201310338819.4，中國專利200610102107.2都公開了這種形式的撞擊流結構，但目前并沒有高效撞擊流加熱裝置。

微波是一種波長極短的電磁波，微波的頻率范圍是300MHz~300KMHz，即波長在1mm~1000mm。微波加熱就是將微波作為一種能源來加以利用，當微波與物質分子相互作用，產生分子極化、取向、摩擦、碰撞、吸收微波能而產生熱效應。微波加熱是物體吸收微波后自身發熱，加熱從物體內部、外部同時開始，能做到里外同時加熱，具有加熱快速、均勻、操作方便等優點。目前，微波水熱合成技術是先將反應物經傳統攪拌方式進行混合，混合后倒入聚四氟乙烯反應釜，最后放入微波裝置中加熱。操作過程繁瑣不連續，且傳統攪拌方式混合不均勻，所需混合時間較長，將會導致產品質量低、生產效率下降等問題。

技術實現要素：

本發明旨在提供一種結構簡單、反應物同時快速混合和快速升溫的水熱合成反應裝置。本裝置能有效強化反應物的混合效率的同時實現快速升溫，具有縮短工藝時間、使產品分散性好、粒徑分布均勻，且運行連續、穩定、低能耗的特點。

本發明采用如下的技術方案實現：

一種撞擊流-微波加熱耦合反應裝置，包括撞擊流-微波加熱耦合反應器，撞擊流-微波加熱耦合反應器包括殼體，殼體頂部裝有微波發生器和撞擊流裝置，撞擊流裝置包括進液管Ⅰ和進液管Ⅱ，進液管Ⅰ和進液管Ⅱ長度相等且并排設置，進液管Ⅰ和進液管Ⅱ下方分別設有低壓精細霧化噴嘴Ⅰ和低壓精細霧化噴嘴Ⅱ，且低壓精細霧化噴嘴Ⅰ和低壓精細霧化噴嘴Ⅱ相向對稱設置，殼體內部安裝內膽，且低壓精細霧化噴嘴Ⅰ和低壓精細霧化噴嘴Ⅱ設置于內膽之中，內膽中設有測溫系統，內膽的中部及下部裝有篩板、底部設有出料口接出殼體之外，殼體一側裝有冷卻器，在低于撞擊流-微波加熱耦合反應器的兩側分別設有儲液槽A和儲液槽B，儲液槽A通過泵Ⅰ、流量計Ⅰ連接撞擊流-微波加熱耦合反應器的進液管Ⅰ，儲液槽B通過泵Ⅱ、流量計Ⅱ連接撞擊流-微波加熱耦合反應器的進液管Ⅱ。

殼體為金屬壁封閉的矩形多模箱體，殼體用能夠反射微波的材料制成，殼體上裝有控制面板以及爐門。微波發生器的微波輸出功率1800W。在微波輻射下成為多模反射器，可使內部液體快速加熱。

內膽為圓柱形嵌套在殼體內，體積約為殼體的1/2-2/3，內膽采用塑料材料制成。

內膽的中部及下部安裝有采用聚四氟乙烯或其它潤濕性好且適用于微波加熱的材料制成的篩板，該篩板上均勻分布有直徑為0.8 cm ~1.2 cm的篩孔，在保障強度和使用壽命的同時，篩板盡可能的薄，這樣能降低加工難度，增加傳熱速率，并降低成本。該篩板面積為內膽底板的1/3 ~ 3/4，具有大的表面積和好的液體潤濕性，液體撞擊后流到篩板上，液體會潤濕鋪展成膜，增大相界面，降低液體向下流動的速度，從而延長停留時間，提高傳質效率，促進化學反應。

冷卻器分別與進水管Ⅰ和出水管Ⅱ相連，進水管Ⅰ接有調節閥。冷卻器能實現調節降溫。

選用噴嘴孔徑為0.5 mm~0.8 mm的市售低壓精細霧化噴嘴，低壓精細霧化噴嘴Ⅰ（1.3）和低壓精細霧化噴嘴Ⅱ（1.4）之間的距離L為L=(0.6~4) d₀，其中d₀為噴嘴孔徑。

儲液槽A和儲液槽B為密閉槽，避免原料揮發，阻斷與空氣接觸發生化學反應。儲液槽A和儲液槽B以及進液管Ⅰ和進液管Ⅱ外壁均設有加熱保溫裝置。

測溫系統包括鍍四氟鉑電阻溫度傳感器，鍍四氟鉑電阻溫度傳感器信號輸出端連接控制面板的信號輸入端。

殼體采用碳纖維復合材料制成，內膽采用聚四氟乙烯材料或其他或其他塑料材料制成，可被微波穿透且不吸收微波能量，所述加熱保溫裝置是加熱帶。

與現有技術相比，本發明克服了目前傳統攪拌方式混合時間長、混合效率低和升溫緩慢，不能適應分子篩等合成反應需求等缺點，具有液體快速混合均勻的同時快速升溫的優點，實現了良好的微觀混合；同時，與微波加熱耦合，使水熱合成效率大大提高，尤其適用于制備分子篩的反應體系。

對于傳統的水熱合成法制備分子篩工藝而言，首先，鋁源與硅源的混合步驟需通過磁力攪拌器完成，由于磁子只是局部攪拌，因此，混合效果不佳，效率較低，一般攪拌時間為3h。其次，所得混合物需轉入水熱合成反應釜中進行晶化，晶化所需時間長短與所制分子篩種類、陳化時間、晶化溫度有關，從幾小時到幾天不等。而本發明可使液-液在微觀環境下實現快速均勻混合，其混合時間僅為微秒級，并利用微波這一高效加熱方式對其進行晶化，不同的反應所需的微波晶化時間不同。本發明在快速混合的同時實現快速升溫，兩者連續同時完成，從而極大地縮短了反應時間。原料經撞擊流設備混合更為均勻，所得產物粒徑更小，更均勻從而提高產品質量。另外，本發明所述的裝置結構簡單、體積小、易操作、能耗低且易維護。

附圖說明

圖1是撞擊流-微波加熱耦合反應裝置工藝流程圖；

圖2是撞擊流-微波加熱耦合反應器結構示意圖；

圖中1為撞擊流-微波加熱耦合反應器；2為電源；3為流量計Ⅰ；4為流量計Ⅱ；5為閥門Ⅰ；6為閥門Ⅱ；7為泵Ⅰ；泵Ⅱ8；9為儲液槽A；10為儲液槽B；

1.1為進液管Ⅰ；1.2為進液管Ⅱ；1.3為低壓精細霧化噴嘴Ⅰ；1.4為低壓精細霧化噴嘴Ⅱ；1.5為微波發生器；1.6為控制面板；1.7為鍍四氟鉑電阻溫度傳感器；1.8為篩版；1.9為出料口；1.10為內膽；1.11為爐門；1.12為調節閥；1.13為進水管；1.14為出水管；1.15為殼體。

具體實施方式

下面通過實施例來進一步說明本發明，但不局限于以下實施例。

撞擊流-微波加熱耦合反應裝置，包括撞擊流-微波加熱耦合反應器（1），包括殼體（1.15）殼體（1.15）為一金屬壁封閉的矩形多模箱體，頂部分別安裝微波發生器（1.5）和撞擊流裝置，其中撞擊流裝置所用噴嘴為低壓精細霧化噴嘴，中部安裝內膽（1.10），內膽（1.10）中設有測溫系統（測溫系統可以為光纖測溫、紅外測溫或者鉑金電阻測溫），測溫系統優選鍍四氟鉑電阻溫度傳感器（1.7），在內膽（1.10）的中部及下部裝有篩板（1.8），底部設有出料口（1.9），殼體（1.15）左側裝有冷卻器，冷卻器分別進水管Ⅰ（1.13）和出水管Ⅱ（1.14）相連，進水管Ⅰ（1.13）接有調節閥（1.12），能夠實現調節降溫。殼體（1.15）安裝有控制面板（1.6），可控制開關及溫度。位于此裝置下端兩側分別設有儲液槽A（9）和儲液槽B（10），并分別通過泵、流量計連接撞擊流裝置。其結構和工藝流程圖如圖1所示。

殼體（1.15）用碳纖維復合材料或其他可反射微波的材料制成，在微波輻射下成為多模反射器，可使內部液體快速加熱。

內膽（1.10）為圓柱形嵌套在殼體（1.15）內，體積約為殼體（1.15）的1/2-2/3，殼體（1.15）采用聚四氟乙烯材料或其他塑料材料制成，可被微波穿透且不吸收微波能量。

殼體（1.15）的中部及下部裝有篩板（1.8），篩孔直徑為0.8 cm~1.2 cm，可增加物料的停留時間和傳質速率。

撞擊流裝置安裝于聚四氟乙烯內膽的中心位置上方，包括進液管Ⅰ（1.1）和進液管Ⅱ（1.2），進料管均采用不銹鋼制成，可反射微波，使管內液體不被加熱，而在液體撞擊后加熱。

進液管Ⅰ（1.1）和進液管Ⅱ（1.2）長度相等且并排設置。進液進液管Ⅰ（1.1）和進液管Ⅱ（1.2）的下端內側的噴嘴為低壓精細霧化噴嘴，且兩噴嘴相向對稱設置，噴嘴間距離為L=(0.6~4) d₀。

微波發生器（1.5）由磁控管及配套部件組成，并與內膽（1.10）內測溫系統（光纖測溫、紅外測溫、鉑金電阻測溫）相連，液體加熱溫度控制在100~180℃。

儲液槽A（9）和儲液槽B（10）分別通過泵、流量計連接反應器的進液管Ⅰ（1.1）和進液管Ⅱ（1.2），儲液槽設置為密閉槽，避免原料液與空氣接觸發生化學反應，在儲液槽和進液管外壁均設有加熱保溫裝置。所述加熱保溫裝置是加熱帶。

實施例1：撞擊流-微波加熱耦合反應裝置應用于合成納米ZSM-5分子篩。

本實施例中提供的撞擊流-微波加熱耦合反應裝置，包括微波發生器（1.5）、鍍四氟鉑電阻溫度傳感器（1.7）、控制面板（1.6）組成溫度控制系統；內膽（1.10）置于殼體（1.15）內部，內膽（1.15）為聚四氟乙烯材料；液體分布器由與正硅酸乙酯、氫氧化鈉、晶種混合溶液進液口相連的進液管和硫酸鋁溶液進液口相連的進液管組成；殼體（1.15）底部開孔焊接出料口（1.9），反應合成的分子篩懸浮液直接從出料口（1.9）排出。兩精細霧化噴嘴間距離L為3mm。

取氫氧化鈉8g，硫酸鋁1.1g，四丙基溴化銨17.8g，用去離子水504.3g溶解，并加入2.8g晶種，將此含晶種的鋁源混合液和133g的硅膠分別加入到儲液槽A和B中，由耐腐蝕泵7和8以20L/h的流量輸入反應器，兩股液體由噴嘴1.3和1.4噴出，在聚四氟乙烯內膽1.10中撞擊混合，實現快速、均勻的微觀混合、反應。與此同時，由微波發生器1.5發出功率為1800W的微波對聚四氟乙烯內膽1.10中的液體進行微波加熱，加熱20mins后，最終從液體出口1.8排出，經過濾、洗滌、干燥、煅燒后制得粒度為150~200nm的ZSM-5分子篩粉末。

合成納米ZSM-5分子篩具體步驟如下：

（1）開啟攪拌裝置，在A儲液槽中配置正硅酸乙酯、氫氧化鈉、晶種混合溶液,其摩爾比為4.4TPAOH:0.1Na₂O:25SiO₂:756H₂O:100EtOH，在B儲液槽中配置1.5mol/L的硫酸鋁溶液；

（2）開啟耐腐蝕泵，通過調節流量計將A、B兩種溶液的體積流量均控制在20L/h，將兩種原料液同時輸送至反應器中進行液液接觸反應，在接觸面形成扇形液面；

（3）開啟反應器，通過調節控制面板將反應器的溫度調節為180℃，循環反應二十分鐘后，反應物從出液口排出；

合成的ZSM-5分子篩漿液經過過濾、洗滌、干燥、煅燒后制得ZSM-5分子篩粉體，平均粒徑為200nm。