CN114733459B - 一种非均相纳米分散体强化反应装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非均相纳米分散体强化反应装置及方法，当非均相尺寸降低到纳米尺度，其表面张力急剧增加，纳微尺度的分散体表面产生的巨大表面能以及内部的高压环境可以降低反应势垒，从而强化反应。将其应用于晶体制备过程，可降低反应势垒，在未达到饱和溶解度的环境下，在纳微分散体表面生成沉淀，使晶体快速析出，缩短反应晶化时间。

Description

一种非均相纳米分散体强化反应装置及方法

技术领域

本发明反应系统设计技术领域，更具体的，涉及一种非均相纳米分散体强化反应装置及方法。

背景技术

溶液结晶过程分为晶体成核和晶体生长两个阶段，其中成核是十分关键的一步，其对晶体的晶型、粒度以及结晶过程的稳定性具有重要的影响。因此对晶体产品的设计以及结晶过程的优化控制离不开对成核机理的研究、过程监测与控制。但是晶体成核过程反应速率慢，合成周期长，目前加快晶体成核速率的方法主要有：(1)加入成核剂最主要是使晶体粒度变小，提高了材料力学性能，结晶速率变快，结晶度变高，(2)晶核的生长速度和晶体的生长速度对温度的依赖性不同，晶核生长速度在低温快，因为高温会破坏形成的有序晶核(尤其是在均相成核中)，而高温体系粘度小，链段运动快，向晶核扩散快，容易规整堆积，有利于晶体生长，因此通过强化传质传热的技术手段加快结晶生长速率，但以上方法加快结晶生长速率的效果不明显。而采用纳微分散体可降低晶体的成核势垒，加快晶体反应速率，为此，开发纳微分散体强化晶体反应装置就显得尤为重要。

发明内容

为了解决现有过程强化技术存在的诸多不足，本发明提供一种非均相纳米分散体强化反应装置及方法，降低反应势垒，在未达到饱和溶解度的环境下，在纳微分散体表面生成沉淀，使晶体快速析出。

为了解决上述问题中的至少一个，第一方面，本发明提供一非均相纳米分散体强化反应装置，包括：

预反应组件，可导入第一反应物以及第二反应物，产生纳微分散体，所述纳微分散体包括多个纳微尺度气泡；

反应釜，其第一入口与所述预反应组件的出口连通，第二入口导入晶体反应物，进而在所述纳微分散体表面生成晶体沉淀，析出晶体。

进一步地，所述第一反应物为气体，所述第二反应物为液体，其粘度高于设定阈值，所述预反应组件包括：

旋流单元，可通过至少一个第一导入口导入所述第一反应物，通过至少一个第二导入口导入所述第二反应物，所述第一导入口的朝向与所述第二导入口朝向不同，进而可产生粗分散体；

超重力单元，其入口与所述旋流单元的出口连通，可对所述粗分散体进行剪切，形成纳微分散体。

进一步地，所述第一导入口的朝向与所述第二导入口朝向相反，和/或，所述第一导入口的朝向所在直线与所述第二导入口的朝向所在直线相互垂直。

进一步地，所述非均相纳米分散体强化反应装置还包括：

超声馈入器，可向所述预反应组件和/或所述反应釜内部馈入超声。

进一步地，所述非均相纳米分散体强化反应装置还包括：

高剪切泵，用于剪切所述第二反应物，形成第二反应物微元。

进一步地，所述第一反应物为气体，所述第二反应物为液体，所述预反应组件包括：

纳微气泡发生器，向所述第一反应物以及所述第二反应物施加压力，形成气液混合物后释放压力，进而形成所述纳微分散体。

进一步地，所述第一反应物为气体，所述第二反应物为液体，所述预反应组件包括：

超重力反应器，通过旋转切割所述第一反应物以及所述第二反应物，形成所述纳微分散体。

进一步地，所述第一反应物为气体，所述第二反应物为液体，所述预反应组件包括：

超重力反应器，通过旋转切割所述第一反应物以及所述第二反应物，形成所述纳微分散体；

超声馈入器，可向所述超重力反应器和/或所述反应釜内部馈入超声。

第二方面，本发明提供一种非均相纳米分散体强化反应方法，包括：

向预处理组件中导入第一反应物以及第二反应物，产生纳微分散体，所述纳微分散体包括多个纳微尺度气泡；

将所述微分散体以及晶体反应物导入反应釜，进而在所述纳微分散体表面生成晶体沉淀，析出晶体。

本发明的有益效果

本发明提供一种非均相纳米分散体强化反应装置及方法，当非均相尺寸降低到纳米尺度，其表面张力急剧增加，纳微尺度的分散体表面产生的巨大表面能以及内部的高压环境可以降低反应势垒，从而强化反应。将其应用于晶体制备过程，可降低反应势垒，在未达到饱和溶解度的环境下，在纳微分散体表面生成沉淀，使晶体快速析出，缩短反应晶化时间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施方式中高粘液体的非均相纳米分散体强化反应装置整体结构示意图；

图2为本发明实施方式中纳微气泡发生器的非均相纳米分散体强化反应装置的结构示意图；

图3为本发明实施方式中超重力非均相纳米分散体强化反应装置的一种整体结构示意图；

图4示出本发明实施例中通过“超重力+超声”非均相纳米分散体强化反应装置结构示意图。

附图说明：1、旋流单元；2、超重力单元；3、超声馈入器；4、高剪切泵；5、反应釜；6、阀门；7、气瓶；8、原料罐；9、丝网填料；10、柱状结构；11、微纳气泡发生器；12排气管道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

为便于描述，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅设置为描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

目前，现有过程强化技术大都针对强化反应体系的传质传热速率来加快分子筛生长，不仅带来额外的能耗，而且强化分子筛生长速率的效果不佳，存在诸多不足。

基于此，本发明提供一种非均相纳米分散体强化反应装置，包括：

预反应组件，可导入第一反应物以及第二反应物，产生纳微分散体，所述纳微分散体包括多个纳微尺度气泡；

反应釜5，其第一入口与所述预反应组件的出口连通，第二入口导入晶体反应物，进而在所述纳微分散体表面生成晶体沉淀，析出晶体。

可以理解的是，第一反应物为气体，第二反应物为液体，二者混合后经预处理组件处理生成纳微分散体，再将纳微分散体以及生成晶体所需的反应物导入反应釜5，反应釜5为水热釜，用于高温晶化晶体反应物，在纳微分散体表面生成晶体沉淀，进而析出晶体。

在一些具体实施方式中，如图1所示，所述第一反应物为气体，所述第二反应物为液体，其粘度高于设定阈值，所述预反应组件包括：

旋流单元1，可通过至少一个第一导入口导入所述第一反应物，通过至少一个第二导入口导入所述第二反应物，所述第一导入口的朝向与所述第二导入口朝向不同，进而可产生粗分散体；

超重力单元2，其入口与所述旋流单元1的出口连通，可对所述粗分散体进行剪切，形成纳微分散体。

可以理解的是，第一反应物为气体，第二反应物为高粘液体，旋流单元1包括一缩进部和一扩张部，缩进部和扩张部为圆锥体结构，缩进部进口处开设有一个第二反应物通道，锥形壁面开设有多个第二反应物通道，第二反应物沿圆柱体切线方向进入旋流单元，第二反应物在旋流单元中做旋流运动，缩进部和扩张部的连接处设有可通入第一反应物，第一反应物与第二反应物产生错流/对流/并流状态，第一反应物与第二反应物通入旋流单元1中形成高粘气液混合物，其中的气泡为粗分散体，旋流单元1的扩张部为突扩管，使高粘气液混合物形成射流状态，有利于气泡混入高粘气液混合物中；高粘气液混合物通入超重力单元2，高粘气液混合物经超重力单元2剪切及分散，在体系中产生大量纳微分散体。旋流单元1上设置的多个第一导入口以及第二导入口呈等距排列。

在一些具体实施方式中，如图1所示，所述第一导入口的朝向与所述第二导入口朝向相反，和/或，所述第一导入口的朝向所在直线与所述第二导入口的朝向所在直线相互垂直。

可以理解的是，当第一反应物和第二反应物通入旋流单元1的导入方向相反时，第一反应物和第二反应物会在旋流单1元中形成对流的状态，当第一反应物和第二反应物通入旋流单元1的导入方向相互垂直或交错时，第一反应物和第二反应物会在旋流单元1中形成错流或并流的状态。

在一些其它实施方式中，如图1所示，所述非均相纳米分散体强化反应装置还包括：

超声馈入器3，可向所述预反应组件和/或所述反应釜内部馈入超声。

可以理解的是，旋流单元1、超重力单元2以及反应釜5内设置有用于降黏及产生纳微气泡的超声单元3，旋流单元1内周壁铺设有粗糙表面，超声馈入探头固定在旋流单元1的锥形侧壁上。

在一些其它实施方式中，如图1所示，所述非均相纳米分散体强化反应装置还包括：

高剪切泵4，用于剪切所述第二反应物，形成第二反应物微元。

可以理解的是，由于第二反应物为高粘液体，具有一定的粘度，在液体通入旋流单元前先通入高剪切泵4，通过高剪切泵4混合剪切进行预处理，形成高粘液体前驱体。液体原料罐8与高剪切泵4连接，连接管道上设有三通阀门6，通过阀门控制器控制阀门6的开启与关闭。

在一些具体实施方式中，如图2所示，所述第一反应物为气体，所述第二反应物为液体，所述预反应组件包括：

纳微气泡发生器11，向所述第一反应物以及所述第二反应物施加压力，形成气液混合物后释放压力，进而形成所述纳微分散体。

可以理解的是，在进入纳微气泡发生器11的第一反应物与第二反应物的气液混合物在压力作用下高速旋转，并在纳微气泡发生器11的中部形成负压轴，利用负压轴的吸力可将液体中混合的气体或者外部接入的气体集中到负压轴上，当高速旋转的液体和气体在适当的压力下从特别设计的喷射口喷出时，由于喷口处混合气液的超高的旋转速度与气液密度比(1:1000)的力学上的相乘效果，在气液接触界面间产生高速强力的剪切及高频率的压力变动，形成人造极端条件，在这种条件下生成大量微米、纳米级气泡。

在一些具体实施方式中，所述第一反应物为气体，所述第二反应物为液体，所述预反应组件包括：

超重力反应器，通过旋转切割所述第一反应物以及所述第二反应物，形成所述纳微分散体。

可以理解的是，超重力反应器内设有旋转切割单元，将第一反应物以及第二反应物的气液混合物导入至旋转切割单元，旋转切割单元四周环绕设置有丝网填料，单元经旋转切割单元高速至丝网填料，经丝网填料切割后形成纳微分散体。

在一些其它实施方式中，所述第一反应物为气体，所述第二反应物为液体，所述预反应组件包括：

超重力反应器，通过旋转切割所述第一反应物以及所述第二反应物，形成所述纳微分散体；

超声馈入器，可向所述超重力反应器和/或所述反应釜内部馈入超声。

可以理解的是，超重力反应器内设有旋转切割单元，将第一反应物以及第二反应物的气液混合物导入至旋转切割单元，旋转切割单元四周环绕设置有丝网填料，单元经旋转切割单元高速至丝网填料，经丝网填料切割后形成纳微分散体；超重力反应器以及反应釜内设置有用于降黏及产生纳微气泡的超声单元，超声馈入探头固定在超重力反应器以及反应釜的侧壁上。

本申请提供一种非均相纳米分散体强化反应方法，包括：

向预处理组件中导入第一反应物以及第二反应物，产生纳微分散体，所述纳微分散体包括多个纳微尺度气泡；

将所述微分散体以及晶体反应物导入反应釜5，进而在所述纳微分散体表面生成晶体沉淀，析出晶体。

可以理解的是，第一反应物为气体，第二反应物为液体，二者混合后形成粗分散体，粗分散体经剪切或者经纳微气泡生成器，生成纳微分散体，再将纳微分散体以及生成晶体所需的反应物导入反应釜5，反应釜5为水热釜，用于高温晶化晶体反应物，在纳微分散体表面生成晶体沉淀，进而析出晶体。

本发明提供一种非均相纳米分散体强化反应装置及方法，当非均相尺寸降低到纳米尺度，其表面张力急剧增加，纳微尺度的分散体表面产生的巨大表面能以及内部的高压环境可以降低反应势垒，从而强化反应。将其应用于晶体制备过程，可降低反应势垒，在未达到饱和溶解度的环境下，在纳微分散体表面生成沉淀，使晶体快速析出，使反应晶化时间缩短30％-60％，产品粒径均匀，具有多级孔结构。

可以理解，本申请中析出的晶体，可以是LTA型、FAU型、MFI型、BETA型、CHA型、金属氧化物分子筛、硫化物分子筛以及金属有机化合物分子筛中的一种。

试验表明，经高剪切泵4混合后的第二反应物通入预反应组件的旋流单元1，与第一反应物经逆流/错流/并流混合之后，高粘气液混合物的气含率是不断增大的，其原因是气液混合过程中，气体不断在高粘液体中形成气泡，导致高粘气液混合物的气含率增大，根据这样的混合特性，为保证旋流式超重力反应器中高粘液体携带大量气泡，本申请优选的实施例中旋流单元1与超重力单元2的管路上以及高剪切泵4与旋流单1元之间的管路上设置有阀门6，预反应组件还包括：阀门控制器以及测样器；测样器用于测量导入旋流单元1的高粘气液混合物的气含率；阀门控制器通过控制阀门6的开关，进而将气含率高于设定阈值的高粘气液混合物导入超重力单元，同时，当气含率低于设定阈值时，阀门控制器在将高粘气液混合物重新导入旋流单元1中进一步与气体进行混合。

非均相纳米分散体强化反应装置的反应釜的搅拌装置及旋流超重力组件通过与旋转轴连接电机驱动，本发明对电机的型号、种类均不做限制。

为了某些特殊的反应需要，预反应组件可以在结构上进行可行的改进，例如为了应对高压体系，在本申请的基础上增加油封结构；为了应对加热体系，在本申请的基础上增加保温圈、加热带等。上述改进均为本领域技术人员可以推知的改进，本发明不作穷举。

本申请实施例中的微纳尺度，指的是微米或纳米级尺度，即1nm-100μm。

在一些实施例中，预反应组件中第一反应物进料速度为10m/s、15m/s、20m/s等，第二反应物进料速度为10m/s、20m/s、30m/s等，本申请对此不做限制。

在一些实施例中，预反应组件中超重力单元的转速为1000rpm、1500rpm、2000rpm、2500rpm等，本申请对此不做限制。

在一些实施例中，预反应组件超重力单元2的丝网填料9及柱状结构10材料为镍、铜、不锈钢、堇青石、海泡石、泡沫陶瓷等，丝网填料9及柱状结构10材料也可经过亲水处理或者疏水处理成亲水表面或者疏水表面，本发明不做限制及赘述。

在一些实施例中，预反应组件超重力单元2的丝网填料轴卷形成多层切割层，每层切割层的两侧表面分别与相邻的切割层的一侧表面贴合，缠绕在柱状结构之间。

在一些实施例中，超重力单元2转速为500-2850rpm；高剪切泵处理量为5-60m³/h，转速为4000rpm；超声功率为100-1500W。

下面结合具体实施例，以高粘液体为例对所述非均相纳米分散体强化反应装置进行说明。

取一定量的硅溶胶、偏铝酸钠及氢氧化钠溶于去离子水中，通过高剪切泵4将上述反应物初步混合形成高粘液体Y并泵入预反应组件中，高粘液体Y与气体混合之后形成高粘气液混合物，该混合物通过高剪切泵4及预反应组件旋流单元1多次循环10min之后，通入至超重力单元2中，经超重力旋转床处理30min之后，通入至水热釜中，调节水热釜温度至100℃进行水热反应，反应18h之后料液得到Y分子筛粗产品。

取一定量的硅溶胶、硫酸铝、氯化钠及四丙基氢氧化铵溶于去离子水中，通过高剪切泵将上述反应物初步混合形成高粘液体ZSM-5并泵入预反应组件旋流单元中，高粘液体ZSM-5与气体混合之后形成高粘气液混合物，该混合物通过高剪切泵及预反应组件旋流单元多次循环15min之后，通入至超重力单元中，经超重力旋转床处理30min之后，通入至水热釜中，调节水热釜温度至130℃进行水热反应，反应12h之后料液得到ZSM-5分子筛粗产品。

取一定量的四乙基氢氧化铵、异丙醇铝、白炭黑及氢氧化钠溶于去离子水中，通过流量计控制流量，通过高剪切泵4将上述反应物初步混合形成高粘液体SAPO-34并泵入预反应组件旋流单元1中，高粘液体SAPO-34与气体混合之后形成高粘气液混合物，该混合物通过高剪切泵4及预反应组件旋流单元1多次循环10min之后，通入至超重力单元2中，经超重力旋转床处理30min之后，通入至水热釜中，调节水热釜温度至130℃进行水热反应，反应12h之后料液得到ZSM-5分子筛粗产品。

本发明提供一种非均相纳米分散体强化反应装置及方法，本发明发现晶体生成过程高粘，生产过程易堵塞，通过强化传质传热的技术手段加快晶体生长速率的效果不明显。本发明依据纳微气泡可降低晶体的成核势垒，加快晶体反应速率的理论基础，当非均相尺寸降低到纳米尺度，其表面张力急剧增加，纳微尺度的分散体表面产生的巨大表面能以及内部的高压环境可以降低反应势垒，从而强化反应。将其应用于晶体制备过程，可降低反应势垒，在未达到饱和溶解度的环境下，在纳微分散体表面生成沉淀，使晶体快速析出，缩短反应晶化时间。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施方式的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施方式或示例。

此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施方式或示例以及不同实施方式或示例的特征进行结合和组合。以上所述仅为本说明书实施方式的实施方式而已，并不用于限制本说明书实施方式。对于本领域技术人员来说，本说明书实施方式可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施方式的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施方式的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种非均相纳米分散体强化反应装置，其特征在于，包括：

预反应组件，可导入第一反应物以及第二反应物，产生纳微分散体，所述纳微分散体包括多个纳微尺度气泡；

反应釜，其第一入口与所述预反应组件的出口连通，第二入口导入晶体反应物，进而在所述纳微分散体表面生成晶体沉淀，析出晶体；

其中，所述第一反应物为气体，所述第二反应物为液体，其粘度高于设定阈值，所述预反应组件包括：

旋流单元，可通过至少一个第一导入口导入所述第一反应物，通过至少一个第二导入口导入所述第二反应物，所述第一导入口的朝向与所述第二导入口朝向不同，进而可产生粗分散体；

超重力单元，其入口与所述旋流单元的出口连通，可对所述粗分散体进行剪切，形成纳微分散体。

2.根据权利要求1所述的非均相纳米分散体强化反应装置，其特征在于，所述第一导入口的朝向与所述第二导入口朝向相反，和/或，所述第一导入口的朝向所在直线与所述第二导入口的朝向所在直线相互垂直。

3.根据权利要求1所述的非均相纳米分散体强化反应装置，其特征在于，所述非均相纳米分散体强化反应装置还包括：

超声馈入器，可向所述预反应组件和/或所述反应釜内部馈入超声。

4.根据权利要求3所述的非均相纳米分散体强化反应装置，其特征在于，所述非均相纳米分散体强化反应装置还包括：

高剪切泵，用于剪切所述第二反应物，形成第二反应物微元。

5.根据权利要求1所述的非均相纳米分散体强化反应装置，其特征在于，所述第一反应物为气体，所述第二反应物为液体，所述预反应组件包括：

纳微气泡发生器，向所述第一反应物以及所述第二反应物施加压力，形成气液混合物后释放压力，进而形成所述纳微分散体。

6.根据权利要求1所述的非均相纳米分散体强化反应装置，其特征在于，所述第一反应物为气体，所述第二反应物为液体，所述预反应组件包括：

超重力反应器，通过旋转切割所述第一反应物以及所述第二反应物，形成所述纳微分散体。

7.根据权利要求1所述的非均相纳米分散体强化反应装置，其特征在于，所述第一反应物为气体，所述第二反应物为液体，所述预反应组件包括：

超重力反应器，通过旋转切割所述第一反应物以及所述第二反应物，形成所述纳微分散体；

超声馈入器，可向所述超重力反应器和/或所述反应釜内部馈入超声。

8.一种基于权利要求1-7任意一项所述的非均相纳米分散体强化反应方法，其特征在于，包括：

向预处理组件中导入第一反应物以及第二反应物，产生纳微分散体，所述纳微分散体包括多个纳微尺度气泡；

将所述微分散体以及晶体反应物导入反应釜，进而在所述纳微分散体表面生成晶体沉淀，析出晶体。