恒定剪切的连续式反应器装置制造方法及图纸

本文公开了一种恒定剪切的连续式反应器装置，该反应器装置包括：环形气体输送管，该环形气体输送管包括气体入口和气体出口；第一环形液体输送管，该第一环形液体输送管包括围绕环形气体输送管沿着相同的轴线同中心地布置的第一液体入口和第一液体出口，其中第一液体出口位于相对于气体出口的下游位置处，或者第一液体出口与气体出口一致；以及环形反应器壁管，该环形反应器壁管包括最终液体入口、混合区部分和反应器出口，其中环形反应器壁管围绕第一环形液体输送管沿着相同的轴线同中心地布置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】恒定剪切的连续式反应器装置
本专利技术涉及恒定剪切的连续式反应器装置、使用该装置的方法以及该装置用于合成二维材料的用途。
技术介绍
在本说明书中对先前出版的文件的列出或讨论不应被认为该文件是现有技术的一部分或是公知常识。二维材料由于其大的表面积、电子约束、机械挠性和透明性而具有独特的性能。这类材料包括石墨烯、钙钛矿和层状双氢氧化物(LDH)，这些材料在催化作用、能量储存和电子工程方面已被确定为下一代材料。尽管这些材料有前途并广受欢迎，但仍缺乏对各向异性纳米粒子进行结晶以及反应条件如何影响晶体形态、尺寸和结构的基本了解。这些知识对于大规模制造新材料和新工艺的合理设计至关重要。在湿式合成中，流体动力学控制着混合、停留时间和粒子相互作用，但这些在实验室研究中通常是被忽略的。混合动力学和速度可以区分快的运动学过程和慢的运动学过程，例如成核和生长。在连续式流反应器中，容器的几何形状和长度决定了停留时间分布和所得的粒子尺寸分布。通过搅拌或泵送而引入的流体动力学剪切应力可以减少运动学相互作用的障碍，以加速成核和聚集，并在多个范围内产生影响。剪切诱导的成核、结晶和聚集是经过充分研究的现象，并且有助于降低运动学相互作用的障碍。剪切还通过使流方向上的角取向稳定来诱导各向异性粒子的对准。相反，剪切还抑制结晶并且经由应变引起破裂。根据剪切的强度，可以使用剪切来使二维材料如LDH和石墨烯脱落或诱导应变。然而，剪切对非经典生长机制比如自集合的影响尚未完全阐明。层状双氢氧化物(LDH)是带有阴离子的阳离子二维(2-D)金属氢氧化物的一个示例，并且层状双氢氧化物(LDH)在催化作用、药物输送和能量储存方面都具有应用。通常，胶状LDH是经由水热处理或共沉淀来合成的，通常随后进行热老化以提高结晶度。结晶过程不是已知的，并且被认为是经由非结晶的LDH进行局部溶解和结晶、或经由纳米晶畴的物理重排进行的。表面活性剂辅助方法和连续式流反应器最近已用于产生单层LDH纳米片。但是，对粒子尺寸、结晶度和厚度的控制仍然是困难的。流体动力学在LDH的合成方面也起关键作用。不同的反应器的几何形状(例如T型微混合器流水热反应器和内嵌式分散沉淀器)、流速和混合速度都会对微晶尺寸、表面积和径高比产生明显影响。但是，尚未研究这些影响背后的物理机制。识别纳米结构的结晶机制的关键问题是，经典模型过于简单化，假定表面能和体积能恒定，而忽视粒子相互作用、传质效应、竞争运动学和外力。当分子和粒子间的相互作用为各向异性时，非经典机制——包括自集合(或定向附接)和两步成核途径——可能是主要的。这些不仅在材料合成中是重要的，而且在生物和地质环境中也是重要的。控制这些非经典机制、例如在表面活性剂辅助的自集合方面可以潜在地实现对于各种新颖的功能性胶状纳米粒子的自下而上的合成方法的开发。鉴于以上所述，仍然需要开发对化学材料的合成提供更好的控制和精度的新的反应器装置和/或方法。这种装置和方法可以利用流体动力学来实现该精度，并且可以潜在地产生新材料或产生具有与有用性能不同形态的已知材料。更重要的是，这些反应器装置和方法必须是稳健的、具有成本效益且用途广泛，以适应许多种不同材料的合成。
技术实现思路
在本专利技术的第一方面，提供了一种恒定剪切的连续式反应器装置，该反应器装置包括：环形气体输送管，该环形气体输送管包括气体入口和气体出口；第一环形液体输送管，该第一环形液体输送管包括围绕环形气体输送管沿着相同的轴线同中心地布置的第一液体入口和第一液体出口，其中第一液体出口位于相对于气体出口的下游位置处，或者第一液体出口与气体出口一致；以及环形反应器壁管，该环形反应器壁管包括最终液体入口、混合区部分和反应器出口，其中环形反应器壁管围绕第一环形液体输送管沿着相同的轴线同中心地布置，其中，环形区部分位于相对于气体出口和第一液体出口的下游位置处；反应器出口位于相对于混合区部分的下游位置处；以及环形反应器壁管的混合区部分和反应器出口的内径在100nm至53mm。在本专利技术的第一方面的实施方式中：(A)该装置还可以包括下述器件或器具：该器件或器具将通过气体入口的气体的流速、通过第一液体入口的第一液体的流速和通过最终液体入口的最终液体的流速控制成使得：在混合区部分中形成包括第一液体和最终液体的液膜混合物的环形流(例如，对气体的流速、第一液体的流速和最终液体的流速进行控制的器件或器具可以将气体的流速和第一液体的流速控制成在液膜形成部分上提供包括第一液体的液膜，其中可选地，液膜形成部分中的液膜的厚度可以是第一环形液体输送管的液膜形成部分的内径的0.1％至10％、比如0.5％至5％、比如1％至2.5％)；(B)混合区部分中的液膜混合物的厚度可以是环形反应器壁管的混合区部分和反应器出口的内径的0.1％至10％、比如0.5％至5％、比如1％至2.5％，其中可选地，液膜混合物的最大厚度可以小于1mm；(C)第一液体出口可以位于相对于气体出口的下游位置处，以使得液膜形成部分形成在第一环形液体输送管的内表面上，其中可选地，该装置可以适于在液膜形成部分的内表面上提供高剪切的芯气体流并提供包括第一液体的液体鞘流；(D)环形反应器壁管的混合区部分和反应器出口的内径可以在1μm至2.5mm、比如在50μm至2mm、比如在100μm至1.5mm；(E)混合区部分的内表面可以涂覆有反应剂和/或催化剂；(F)膜形成部分的内表面可以涂覆有反应剂和/或催化剂；(G)该装置可以适于在混合区部分的内表面上提供高剪切的芯气体流以及包括第一液体和最终液体的液体鞘流。在本专利技术的第二方面中，提供了一种根据本专利技术的第一方面以及其实施方式的任何技术上合理的组合来使用恒定剪切的连续式反应器装置的方法，该方法包括：(a)提供气体、第一液体和最终液体，每种液体包括反应剂和/或试剂；以及(b)通过气体入口、第一液体入口和最终液体入口分别将气体、第一液体和最终液体供给至反应器装置；以及(c)将至少第一液体和最终液体混合在一起以形成反应混合物，该反应混合物进行反应以提供反应产物混合物并且在反应产物混合物从反应器装置的反应器出口离开时收集反应产物混合物，其中将气体以足够的速度供应，以对第一液体和最终液体提供高剪切力，并在反应器装置中产生气体芯区域，使得第一液体和最终液体在反应器装置的混合区部分的表面上结合，以形成具有环形流的液膜混合物，该液膜混合物的厚度为环形反应器壁管的混合区部分和反应器出口的内径的0.1％至10％、比如0.5％至5％、比如1％至2.5％。在本专利技术的第二方面的实施方式中：(aa)可以将气体以0.1L/min至100L/min、比如以0.3L/min至50L/min、比如以0.4L/min至3L/min的流速供给；(ab)可以将第一液体和最终液体以0.1L/min至1L/min、比如0.1L/min至500L/min、比如1L/min至200L/min、比如4L/min至15L/mi本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种恒定剪切的连续式反应器装置，所述反应器装置包括：/n环形气体输送管，所述环形气体输送管包括气体入口和气体出口；/n第一环形液体输送管，所述第一环形液体输送管包括围绕所述环形气体输送管沿着相同的轴线同中心地布置的第一液体入口和第一液体出口，其中，所述第一液体出口位于相对于所述气体出口的下游位置处或者所述第一液体出口与所述气体出口一致；以及/n环形反应器壁管，所述环形反应器壁管包括最终液体入口、混合区部分和反应器出口，其中，所述环形反应器壁管围绕所述第一环形液体输送管沿着所述相同的轴线同中心地布置，其中，/n所述混合区部分位于相对于所述气体出口和所述第一液体出口的下游位置处；/n所述反应器出口位于相对于所述混合区部分的下游位置处；以及/n所述环形反应器壁管的所述混合区部分和所述反应器出口的内径在100nm至53mm。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180215 SG 10201801303T1.一种恒定剪切的连续式反应器装置，所述反应器装置包括：
环形气体输送管，所述环形气体输送管包括气体入口和气体出口；
第一环形液体输送管，所述第一环形液体输送管包括围绕所述环形气体输送管沿着相同的轴线同中心地布置的第一液体入口和第一液体出口，其中，所述第一液体出口位于相对于所述气体出口的下游位置处或者所述第一液体出口与所述气体出口一致；以及
环形反应器壁管，所述环形反应器壁管包括最终液体入口、混合区部分和反应器出口，其中，所述环形反应器壁管围绕所述第一环形液体输送管沿着所述相同的轴线同中心地布置，其中，
所述混合区部分位于相对于所述气体出口和所述第一液体出口的下游位置处；
所述反应器出口位于相对于所述混合区部分的下游位置处；以及
所述环形反应器壁管的所述混合区部分和所述反应器出口的内径在100nm至53mm。


2.根据权利要求1所述的反应器装置，其中，所述装置还包括下述器件或器具：所述器件或器具将通过所述气体入口的气体的流速、通过所述第一液体入口的第一液体的流速和通过所述最终液体入口的最终液体的流速控制成使得：在所述混合区部分中形成包括所述第一液体和所述最终液体的液膜混合物的环形流。


3.根据权利要求2所述的反应器装置，其中，所述混合区部分中的所述液膜混合物的厚度是所述环形反应器壁管的所述混合区部分和所述反应器出口的内径的0.1％至10％，比如，所述混合区部分中的所述液膜混合物的厚度是所述环形反应器壁管的所述混合区部分和所述反应器出口的内径的0.5％至5％，比如，所述混合区部分中的所述液膜混合物的厚度是所述环形反应器壁管的所述混合区部分和所述反应器出口的内径的1％至2.5％，其中可选地，所述液膜混合物的最大厚度小于1mm。


4.根据前述权利要求中的任一项所述的反应器装置，其中，所述第一液体出口位于相对于所述气体出口的下游位置处，使得在所述第一环形液体输送管的内表面上形成有液膜形成部分。


5.根据引用权利要求2时的权利要求4所述的反应器装置，其中，对所述气体的流速、所述第一液体的流速和所述最终液体的流速进行控制的所述器件或器具将所述气体的流速和所述第一液体的流速控制成在的所述液膜形成部分上提供包括所述第一液体的液膜。


6.根据权利要求5所述的反应器装置，其中，所述液膜形成部分中的所述液膜的厚度为所述第一环形液体输送管的所述液膜形成部分的内径的0.1％至10％，比如，所述液膜形成部分中的所述液膜的厚度为所述第一环形液体输送管的所述液膜形成部分的内径的0.5％至5％，比如，所述液膜形成部分中的所述液膜的厚度为所述第一环形液体输送管的所述液膜形成部分的内径的1％至2.5％。


7.根据前述权利要求中的任一项所述的反应器装置，其中，所述环形反应器壁管的所述混合区部分和所述反应器出口的内径在1μm至2.5mm，比如，所述环形反应器壁管的所述混合区部分和所述反应器出口的内径在50μm至2mm，比如，所述环形反应器壁管的所述混合区部分和所述反应器出口的内径在100μm至1.5mm。


8.根据前述权利要求中的任一项所述的反应器装置，其中，所述混合区部分的内表面涂覆有反应剂和/或催化剂。


9.根据权利要求4至8中的任一项所述的反应器装置，其中，所述膜形成部分的内表面涂覆有反应剂和/或催化剂。


10.根据前述权利要求中的任一项所述的反应器装置，其中，所述装置适于在所述混合区部分的内表面上提供高剪切的芯气体流以及包括第一液体和最终液体的液体鞘流。


11.根据权利要求4和引用权利要求4时的权利要求5至10中的任一项所述的反应器装置，其中，所述装置适于在所述液膜形成部分的内表面上提供高剪切的芯气体流以及包括第一液体的液体鞘流。


12.一种使用根据权利要求1至11中的任一项所述的恒定剪切的连续式反应器装置的方法，所述方法包括：
(a)提供气体、第一液体和最终液体，每种液体均包括反应剂和/或试剂；以及
(b)通过所述气体入口、所述第一液体入口和所述最终液体入口分别将所述气体、所述第一液体和所述最终液体供给至所述反应器装置；以及
(c)将至少所述第一液体和所述最终液体混合在一起以形成反应混合物，所述反应混合物进行反应以提供反应产物混合物，以及在所述反应产物混合物从所述反应器装置的所述反应器出口离开时收集所述反应产物混合物，其中，
将所述气体以足够的速度供给，从而对所述第一液体和所述最终液体提供高剪切力并在所述反应器装置中产生气体芯区域，使得所述第一液体和所述最终液体在所述反应器装置的所述混合区部分的表面上结合，以形成具有环形流的液膜混合物，所述液膜混合物的厚度为所述环形反应器壁管的所述混合区部分和所述反应器出口的内径的0.1％至10％，比如，所述液膜混合物的厚度为所述环形反应器壁管的所述混合区部分和所述反应器出口的内径的0.5％至5％，比如，所述液膜混合物的厚度为所述环形反应器壁管的所述混合区部分和所述反应器出口的内径的1％至2.5％。


13.根据权利要求12所述的方法，其中，将所述气体以0.1L/min至100L/min的流速供给，比如，将所述气体以0.3L/min至50L/min的流速供给，比如，将所述气体以0.4L/min至3L/min的流速供给。


14.根据权利要求12或权利要求13所述的方法，其中，将所述第一液体和所述最终液体以0.1L/min至1L/min的流速供给，比如，将所述第一液体和所述最终液体以0.1L/min至500L/min的流速供给，比如，将所述第一液体和所述最终液体以1...

【专利技术属性】
技术研发人员：尼古拉斯·乔斯，阿列克谢·拉普金，
申请(专利权)人：剑桥企业有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB