專利名稱：一種多功能超聲微波協同化學反應器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及化學反應設備領域，特別涉及一種高強度、低噪音、可變頻率及功 率的多功能超聲微波協同化學反應器。
背景技術：
快速、高效、可控合成藥物、有機化合物、無機化合物及納米材料等是當前化學、材 料、物理領域研究的熱點。在液相中控制合成目標產物更是人們關注的重點。因為液相法 價廉，效率高，容易實現產業化。在這些眾多液相合成方法中，超聲波技術和微波技術的應 用發展較為廣泛。超聲波對化學反應的作用主要是來自空化效應和其他非線性現象，經超聲波輻射 的液體介質中空化氣泡發生膨脹和壓縮、產生局域化的熱點，從而引起液體介質中的超聲 化學反應。液體中氣泡的形成、成長和幾微秒之內突然崩潰而由此產生的局部高溫、高壓。 氣相反應區溫度可達5000K，局部壓力在20MPa以上，冷卻速率高達101(lK/s。這就為一般 條件下難以實現的化學反應提供了一種非常特殊的物理、化學、力學環境。空化效應所產生 的強烈沖擊波和微射流，可促使反應體系中各反應物間充分接觸，提高傳質速率，從而改變 化學反應條件，避免采用高溫高壓，縮短反應時間，并提高反應產率。超聲波技術作為一種 物理手段和工具，是聲學與化學相互交叉滲透而發展起來的一門新興邊緣學科，它能夠在 化學反應介質中產生一系列接近于極端的條件，這種能量不僅能夠激發或促進許多化學反 應、加快化學反應速度，甚至還可以改變某些化學反應的方向，產生一些令人意想不到的效 果和奇跡。微波是頻率為300MHz 300GHz、波長為Imm Im的電磁波。微波技術可通過微波 介電效應把某些固體或液體所具有的電磁能轉變為熱能，從而使化學反應加速。關于中的 微波加熱的基本原理，一般認為是，化合物電偶極與微波相互作用時，趨向于與微波中的電 場一致，當偶極子的轉動跟不上電場的變化頻率時就產生相位滯后，發生扭曲效應，使化合 物溫度升高。微波除了有熱效應外，還有非熱效應如降低反應活化能、減弱分子化學鍵強度 和改變反應途徑等，因此可以進行選擇性加熱。作為一種重要的化學制備方法，它對物質的 作用主要是對物質的電性和磁性產生作用，有極化作用，導電作用，磁化作用。對一般非導 電的極性物質主要是取向極化作用。由于微波是直接作用于物質分子并使之振動而發熱， 具有加熱快且均勻，使合成時間大為縮短，而且使納米材料晶化過程中易形成均質形核，得 到的產物大小均一，微波具有加熱速度快、能效高、熱效率高、經濟等優點。通常采用微波技術的裝置包括密閉式和開放式兩種，但這兩種方式各自均有明顯 的缺點。如，當樣品在密閉式裝置中進行反應時，其高溫高壓環境對樣品瓶的材料強度及耐 腐蝕以及密封性要求很高，且高溫高壓環境存在安全隱患，樣品瓶易老化、爆炸，而且樣品 處理量一般為< IOOmL,故難以處理樣品量較大的反應體系；采用開放式也存在著不足微 波隨著被穿過的物質吸收而變弱，微波只能穿透一定的厚度。作為微波爐心臟的磁控管是 個微波發生器，它能產生每秒鐘振動頻率為24. 5億次的微波，能穿透食物達5cm深。而且隨著處理時間的延長，溫度的升高，介電常數隨著溫度的升高而減小，從而高溫下加熱性就 會變差。微波加熱長時間常常會導致化合物的炭化等異常現象的發生。當用單一的微波加 熱時實驗的重復性往往較差，而且由于眾多缺點的制約不易實現工業化大尺度合成。因此，利用超聲、微波組合誘導制備納米材料和結構、有機/無機化合物及藥物合 成是材料、化學化工、制藥領域的一些非常熱門的研究方法。Kwon，Jong Ho等人于2004 年5月14日申請了制備金屬或非金屬酞菁的方法和設備(公開號為CN1823075A)，涉及 了微波與超聲波組合作用的設備，同時他們將這套方法和設備申請了國際專利(公開號 W02004/101874A1和W02005/033803A2)。鄒世春等人的實用新型專利“一種超聲微波消解 萃取裝置”于2005年12月28日被授權，公告號為CN2748147Y。孫桂玲等人在2005年申 請了“超聲與微波復合增強樣品消解/萃取的諧振裝置”(授權公告號為CN1304831C，公告 日為2007年3月14日)以及“超聲與微波復合增強樣品消解或萃取的帶調諧諧振腔的裝 置”(授權公告號為CN100390525C，公告日為2008年5月28日)。張華峰等人的實用新型專 利“調溫型超聲波微波耦合提取裝置”在2008年6月11日被授權，公告號為CN201070547Y。 Matthew Μ. Kropf將他們采用微波超聲波加速化學反應的方法申請了美國專利(申請號為 146932)和國際發明專利(申請號為946253)。但是，以上設備都使用了超聲波清洗機類設備作為超聲波發生源，超聲波的振 子安裝在底部，但超聲波清洗類設備作為一種間接的作用方式，當單獨使用超聲波處理 樣品時，一般可采用水為傳輸介質，但在微波中要想使用超聲波，需要采用特殊的傳輸媒 介-使用耦合劑如變壓器油，對微波透明，即允許超聲波穿透，而不吸收微波。另外，使用 該類超聲波超聲場不均勻，單位面積上機械振動功率較低(Kenji Okitsu, et al. , Chem. Mater. 2000，12，3006-3011.)，例如200W功率下的聲強約為6W/cm2，遠低于超聲波直接作 用于反應體系本身的超聲波粉碎機類產品的效率，例如200W功率下的聲強約為60W/cm2)， 物料得不到充分攪拌，超聲波作用的范圍較窄，物料易于沉淀，造成超聲波發射不均勻，作 用的相對范圍縮小，減小了效率，同時影響了生產設備規模的放大。為提高化學反應效率， 必須使用較大的超聲波功率(> 300W)，但較大的超聲波功率，又會引發出令人不適的噪 音，且造成了能源的極大浪費。盡管Longo，Iginio等采用超聲波直接作用于反應體系， 證明了超聲微波協同作用顯著地活化了化學物理反應，也申請了國際發明專利，專利號為 2007/093883A3，但是他們的專利涉及了將微波傳輸線作為微波發射體系，使用該套反應系 統樣品的處理量小，不利于工業化大規模生產，而且微波泄露不好處理，存在著安全隱患。眾所周知，微波是電磁波的一種，頻率大到一定程度的電磁波擊到金屬上，會使金 屬發出光電子，形成光電流，產生放電現象和“高頻短路”。更危險的是，因為高頻微波全部 反射回去，這會導致發射微波的電子管陽極產生高溫，燒到發紅而損壞。
實用新型內容本實用新型所解決的技術問題在于，克服了現有技術中超聲微波協同化學反應器 中金屬管件在微波爐中產生的放電現象和“高頻短路”的技術難題，提供了一種高強度、低 噪音、可變頻率及功率、可以在低溫常壓下工作的多功能超聲微波協同化學反應裝置。本實用新型所采用的技術方案為一種多功能超聲微波協同化學反應器，包括超 聲波發生裝置、微波發生裝置、溫度/時間/功率顯示控制裝置、反應容器、冷凝裝置和微波諧振腔，所述的超聲波發生裝置固定于微波諧振腔頂部，微波發生裝置固定于微波諧振腔 底部，超聲發生裝置和微波發生裝置分別與溫度/時間/功率顯示控制裝置相連接，反應容 器置于微波諧振腔中，冷凝裝置與反應容器連接安裝于微波諧振腔頂部，所述的多功能超 聲微波協同化學反應器還包括微波屏蔽裝置、排氣送氣裝置、反應容器支撐升降裝置，所述 的微波屏蔽裝置設置在微波諧振腔頂部，微波諧振腔外部的左右后三面至少有兩面設有均 勻排列的氣孔，排氣送氣裝置設置在微波諧振腔外部氣孔旁邊，與溫度/時間/功率顯示控 制裝置連接，反應容器支撐升降裝置設置于微波諧振腔內腔底部。所述超聲波發生裝置的超聲波為可變頻率超聲波，頻率在19 600kHz范圍內調 節。所述微波發生裝置的磁控管可以安裝于左側、右側或后面，可以由兩個或兩個以 上磁控管構成。所述的微波屏蔽裝置包括不銹鋼圓筒、微波屏蔽網，微波屏蔽網設置在不銹鋼圓 筒的內部。所述的排氣送氣裝置包括至少一個排氣扇、至少一個送氣扇，所述的排氣扇、送氣 扇分別設置在微波諧振腔外部氣孔旁邊，排氣扇和送氣扇分別與溫度/時間/功率顯示控 制裝置相連。所述的反應容器支撐升降裝置，包括帶螺孔的底座和上面帶螺紋的頂蓋。所述的 反應容器支撐升降裝置的材料可以為聚四氟乙烯、PEEK、不吸收微波的陶瓷或聚合物。所述的反應容器為SiC反應容器，也可以為玻璃及其他聚合物材料。所述的多功能超聲微波協同化學反應器還包括光照裝置，所述的光照裝置包括光 源發生裝置和反射裝置，光源發生裝置和反射裝置通過微波諧振腔頂部相連。所述的微波諧振腔底部可以安裝磁力攪拌器，頂部可以安裝電動攪拌器。所述的微波諧振腔底部還可以安裝另一超聲波發生裝置。本實用新型采用特殊設計的排氣送氣裝置，使得微波諧振腔中的溫度能平穩變化 以及微波能持續作用于反應體系，克服了微波加熱過程中容易產生的過熱現象。另外，我們 采用獨特設計的反應容器支撐升降裝置，使得反應容器在微波諧振腔體中的密封性更好并 能自由上下升降反應容器。以上獨特設計使得微波超聲波真正能起到協同作用的效果。綜 合利用微波、超聲波，又將光波技術結合，提供了一種高效、快速、符合綠色化學和環境友好 發展方向的合成方法。該產品快速高效的適于商業化生產、能顯著降低生產成本。同時，本 實用新型超聲微波協同化學反應器無論從環保還是節能方面都將是極其重要的，必將為化 學合成開辟一種新的重要的發展途徑。其突出的優點體現在振動勻化、使樣品介質內各點 受到的作用一致、可供選擇的萃取溶劑種類多、目標物范圍廣泛、降低目標物與樣品基體的 結合力，加速目標物從固相進入溶劑相的過程、處理樣品量大等。可克服由于單一微波長期 加熱過程的過熱炭化現象，也能得到比單一微波反應更為均一、質量更好的產物。本實用新 型在化學化工、制藥、材料、能源、食品處理等領域具有廣泛的應用前景。
圖1為本實用新型的結構剖視圖。圖2為本實用新型的左側示意圖。圖3為本實用新型的右側示意圖。[0025]圖4為本實用新型的俯視示意圖。圖5為本實用新型的微波屏蔽裝置圖。圖6為反應容器支撐升降裝置圖。上述圖中的標號1、超聲波發生裝置。1-1、超聲波換能器。1-2、上變幅桿。1-3、 超聲探頭。2、微波發生裝置。2-1、磁控管。2-2、波導。3、溫度/時間/功率顯示控制裝 置。4、反應容器。5、冷凝裝置。5-1、出水口。5-2、進水口。6、微波諧振腔。7、金屬摳鎖。 8、微波屏蔽的溫度傳感器。9、直形玻璃管。9-1、左直形玻璃管。9-2、右直形玻璃管。10、 彎形玻璃管。11、氣球。12、微波屏蔽裝置。12-1、不銹鋼圓筒。12-2、微波屏蔽網。12_3、 四枚螺絲。13、排氣送氣裝置。13-1、排氣扇。13-2、送氣扇。14、反應容器支撐升降裝置。 15、光照裝置。15-1、光照發生裝置。15-2、光照反射裝置。16、接地引出線。17、截止微波。 18、橡膠塞。19、聯鎖微動開關。20、系統總電源。21、微波功率調節旋鈕。22、超聲功率調 節旋鈕。23、低壓開關。24、高壓開關。25、微波開關。26、超聲波開關。27、風扇。28、微波 諧振腔爐門。29、圓孔。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例，對本實用新型作進一步詳細說明。根據圖1 圖6所示，本實用新型的多功能超聲微波協同化學反應器包括超聲波 發生裝置1，為可變頻率、高強度功率可調、低噪音，微波發生裝置2，溫度/時間/功率顯示 控制裝置3，反應容器4，冷凝裝置5和微波諧振腔6，微波屏蔽裝置12，排氣送氣裝置13，反 應容器支撐升降裝置14，光照裝置15，所述超聲波發生裝置1包括超聲波換能器1-1、上變 幅桿1-2、下變幅桿亦即超聲探頭1-3、超聲波開關26、超聲波換能器固定控鎖7，其中超聲 探頭1-3尾部與超聲波換能器1-1的輸出端相連，超聲波換能器1-1通過超聲波換能器1-1 固定控鎖固定在微波諧振腔6頂部，超聲波換能器1-1的輸出端還分別連于溫度/時間/ 功率顯示控制裝置3，超聲波電源通過超聲開關26按鈕連于超聲波換能器1-1。其中超聲 波換能器1-1頂部設有一個軸流冷卻風扇以提供較好的散熱條件；上變幅桿1-2是由鋁或 者鋼材料制成，主要起聚能作用；超聲探頭1-3是由鈦合金制成，主要起振幅放大作用；所 述微波裝置包括磁控管2-1、波導2-2、微波開關25及風扇27，其中磁控管2_1的輸出端連 于波導2-2的輸入端，波導2-2的輸出端與升降臺14相連，磁控管2-1的輸出還分別連于 溫度/時間/功率顯示控制裝置3，微波電源通過微波開關25按鈕連于磁控管2-1。微波 功率調節旋鈕21用來調節磁控管2-1的輸出功率，同時也采用熱斷路器，它是用來監控磁 控管或爐腔工作溫度的組件。所述的微波屏蔽裝置12包括不銹鋼圓筒12-1、內部靠上變幅 桿底部處有一微波屏蔽網12-2。它通過底部的四枚固定螺絲12-3與微波諧振腔6頂部連 接。超聲波換能器1-1與微波諧振腔6頂部裝有的特殊設計的微波屏蔽裝置12，以及超聲 波換能器1-1與微波諧振腔6頂部接觸的地方的接地引出線16，兩者足以克服了超聲微波 化學協同反應器中金屬在微波諧振腔中會產生放電現象和“高頻短路”的技術難題。所述的 排氣送氣裝置，包括排氣扇13-1、送氣扇13-2。排氣扇13-1和送氣扇13-2通過溫度/時 間/功率顯示控制裝置3控制通斷。所述的微波諧振腔體6外部左右兩邊各開有一定數量 均勻排列的排氣孔，孔的大小以不致于微波泄露為宜，左側外部安裝一排氣扇13-1使微波 諧振腔腔體與所述爐體外面的大氣相通，右側外部安裝一送氣扇13-2用于把空氣吸入微波諧振腔腔體，同時對安裝在腔體側壁的器件進行及時冷卻。也可以在微波微波諧振腔體6 外部左右后三面各開有一定數量均勻排列的排氣孔，左、右兩側外部各安裝一排氣扇，后側 外部安裝一送氣扇。在溫度/時間/功率顯示控制裝置3設置一個控制單元，根據溫度設 定上限，對所述冷卻扇進行控制開關。使得當反應容器內溫度達到設定溫度時，排氣和送氣 風扇同時啟動，能及時把過量熱量散發掉，微波能夠及時、連續地作用于反應體系，能使該 超聲微波化學反應體系真正達到超聲波與微波協同作用，達到高效地實時反應。當反應容 器內溫度低于設定溫度時，排氣和送氣風扇同時關閉。所述的反應容器支撐升降裝置14， 包括帶螺孔的底座14-1和上面帶螺紋的有頂蓋的裝置14-2構成。升降裝置14可以是聚 四氟乙烯、PEEK、陶瓷等材料，置于微波諧振腔內腔底部。所述的溫度/時間/功率顯示控 制裝置3包括微波溫度/時間/功率顯示控制裝置和超聲波溫度/時間/功率顯示控制裝 置。微波屏蔽的溫度傳感器8與溫度/時間/功率顯示控制顯示器3 —起，用于精確控制 微波諧振腔中反應系統的溫度。微波屏蔽的溫度傳感器8為非接觸式的紅外測溫器或接觸 式PtlOO傳感器、光纖傳感器等，可以安裝在微波諧振腔的右或左側內側，用于精確測量和 控制反應物的溫度。所使用的反應容器4可以選用SiC反應容器，使體系中使用到純微波 熱效應，隔離開微波的非熱效應，使得反應更平穩。所述的反應容器4也可以用聚四氟乙烯 罐、高溫陶瓷、石英玻璃、鋼化玻璃等。所述的光照裝置15，包括光源發生裝置15-1和反射 裝置15-2，其中光源可以是紫外燈、紅外燈、高壓汞燈和金鹵燈，起到光導波作用，也可以做 光催化化學反應等。所述冷凝裝置，包括回流式冷凝器5、反應容器4、氣球11、玻璃導管9 和10、截止波導17，其中回流式冷凝器5還包括出水口 5-1和進水口 5-2，回流式冷凝器固 定于微波諧振腔6上，回流式冷凝器5的輸入端與氣球11相連。所述的超聲波變幅桿可選 擇尺寸從Φ 2 50mm，處理量可達3L，將多組超聲波換能器和變幅桿組合，可處理達1000L 級的物料，超聲波的功率從0 IOKW連續調節。所述的磁控管安裝位置可以在左側，右側 或背面，可以使用二個以上，可以固定在腔體背面、頂面或左右兩側；所連通的波導盒可以 固定在腔體的頂面、底面或左右兩側。波導盒為長方形或L形，且波導盒的長度大于腔體寬 度的1/2。為了超聲微波協同化學反應系統運行的安全考慮，采用聯鎖微動開關19，它有多 重聯鎖作用，均通過爐門的開門按鍵或爐門把手上的開門按鍵加以控制。當爐門未關閉好 或爐門打開時，斷開電路，使微波諧振腔停止工作。根據圖1 圖6所示，操作步驟如下(1)使用時，在反應容器4中裝入樣品，將反應容器4的中間口用橡膠塞18塞緊， 將一個側口接氮氣導管，將其伸入反應容器4底部排氣一定時間。(2)將冷卻水入口 5-1和冷卻水出口 5-2分別接通水管。(3)將排氣后的反應容器4放入微波諧振腔6中間，磨口玻璃彎管10與反應容器 4側口相連，然后將直形玻璃導管9 一端連于磨口玻璃彎管10，與微波諧振腔6外的回流式 冷凝器5 —端相連，接著將戴有橡膠塞18的超聲探頭1-3插入反應容器4的中間口進行排 氣一會，注意剛開始排氣時不要在回流式冷凝器5的一端戴氣球11，等體系中的空氣排盡 之后，戴上氣球11，拔走氮氣導管，密封反應體系。(4)關上微波諧振腔6，打開低壓開關23，設置好溫度/時間/功率顯示控制裝置 3的實驗參數。(5)打開微波開關25、超聲開關26設為開狀態，進行反應。[0037](6)當反應結束時，先關閉微波開關按鈕25和超聲開關按鈕26，再關閉高壓開關 24，打開聯鎖微動開關19，再取出反應容器4。關閉系統總電源20，然后斷開冷凝水。應該指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前 提下，還可以做出若干改進和潤飾也應視為本實用新型的保護范圍。
權利要求一種多功能超聲微波協同化學反應器，包括超聲波發生裝置(1)、微波發生裝置(2)、溫度/時間/功率顯示控制裝置(3)、反應容器(4)、冷凝裝置(5)和微波諧振腔(6)，所述的超聲波發生裝置(1)固定于微波諧振腔(6)頂部，微波發生裝置(2)固定于微波諧振腔(6)底部，超聲發生裝置(1)和微波發生裝置(2)分別與溫度/時間/功率顯示控制裝置(3)相連接，反應容器(4)置于微波諧振腔(6)中，冷凝裝置(5)與反應容器(4)連接安裝于微波諧振腔(6)頂部，其特征在于，所述的多功能超聲微波協同化學反應器還包括微波屏蔽裝置(12)、排氣送氣裝置(13)、反應容器支撐升降裝置(14)，所述的微波屏蔽裝置(12)設置在微波諧振腔(6)頂部，微波諧振腔(6)外部的左右后三面至少有兩面設有均勻排列的氣孔，排氣送氣裝置(13)設置在微波諧振腔(6)外部氣孔旁邊，與溫度/時間/功率顯示控制裝置(3)連接，反應容器支撐升降裝置(14)設置于微波諧振腔內腔底部。
2.根據權利要求1所述的多功能超聲微波協同化學反應器，其特征在于，所述超聲波 發生裝置(1)的超聲波為可變頻率超聲波，頻率在19 600kHz范圍內調節。
3.根據權利要求1所述的多功能超聲微波協同化學反應器，其特征在于，所述微波發 生裝置(2)的磁控管可以安裝于左側、右側或后面，可以由兩個或兩個以上磁控管構成。
4.根據權利要求1所述的多功能超聲微波協同化學反應器，其特征在于，所述的微波 屏蔽裝置(12)包括不銹鋼圓筒(12-1)、微波屏蔽網(12-2)，微波屏蔽網(12-2)設置在不 銹鋼圓筒(12-1)的內部。
5.根據權利要求1所述的多功能超聲微波協同化學反應器，其特征在于，所述的排 氣送氣裝置(13)包括至少一個排氣扇(13-1)、至少一個送氣扇(13-2)，所述的排氣扇 (13-1)、送氣扇(13-2)分別設置在微波諧振腔(6)外部氣孔旁邊，排氣扇(13-1)和送氣扇 (13-2)分別與溫度/時間/功率顯示控制裝置(3)相連。
6.根據權利要求1所述的多功能超聲微波協同化學反應器，其特征在于，所述的反應 容器支撐升降裝置(14)，包括帶螺孔的底座(14-1)和上面帶螺紋的頂蓋(14-2)。
7.根據權利要求6所述的多功能超聲微波協同化學反應器，其特征在于，所述的反應 容器支撐升降裝置(14)的材料為聚四氟乙烯、PEEK、不吸收微波的陶瓷或聚合物。
8.根據權利要求1所述的多功能超聲微波協同化學反應器，其特征在于，所述的反應 容器⑷為SiC反應容器。
9.根據權利要求1所述多功能超聲微波協同化學反應器，其特征在于，所述的多功 能超聲微波協同化學反應器還包括光照裝置(15)，所述的光照裝置包括光源發生裝置 (15-1)和反射裝置(15-2)，光源發生裝置(15-1)和反射裝置(15-2)通過微波諧振腔(6) 頂部相連。
10.根據權利要求1所述的多功能超聲微波協同化學反應器，其特征在于，所述的微波 諧振腔(6)底部可以安裝磁力攪拌器，頂部可以安裝電動攪拌器。
11.根據權利要求1所述的多功能超聲微波協同化學反應器，其特征在于，所述的微波 諧振腔(6)底部還可以安裝另一超聲波發生裝置。
專利摘要本實用新型公開了一種多功能超聲微波協同化學反應器，包括超聲波發生裝置、微波發生裝置、溫度/時間/功率顯示控制裝置、反應容器、冷凝裝置、微波諧振腔、微波屏蔽裝置、排氣送氣裝置、反應容器支撐升降裝置。本實用新型采用特殊設計的微波屏蔽裝置和排氣送氣裝置，使得微波諧振腔中的溫度能平穩變化以及微波能持續作用于反應體系；采用獨特設計的反應容器支撐升降裝置，使得反應容器在微波諧振腔體中的密封性更好并能自由上下升降反應容器。以上獨特設計使得微波超聲波真正能起到協同作用的效果。綜合利用微波、超聲波，又將光波技術結合，提供了一種高效、快速、符合綠色化學和環境友好發展方向的合成方法。
文檔編號B01J19/12GK201625531SQ20092028248
公開日2010年11月10日 申請日期2009年12月18日 優先權日2009年12月18日
發明者臺國安, 郭萬林 申請人:南京航空航天大學