本發(fā)明屬于微化工技術(shù)、超聲應(yīng)用領(lǐng)域，具體地說是一種利用固態(tài)填料輔助超聲振動來強(qiáng)化微反應(yīng)器內(nèi)乳化過程的方法。

背景技術(shù)：

1、微化工技術(shù)是20世紀(jì)90年代初順應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的時代需求而興起的一門新型化工過程強(qiáng)化技術(shù)。不同于常規(guī)尺度化工設(shè)備，微反應(yīng)器通道特征尺寸低至亞毫米量級，具有熱、質(zhì)傳遞速率快，過程易于控制和直接放大等優(yōu)點，為提高化工過程傳遞效率、快速推進(jìn)實驗室研究成果向工業(yè)化轉(zhuǎn)化提供了新的契機(jī)(aiche?j,2017,63(3):858-869)。特征尺度的微細(xì)化是微反應(yīng)器諸多優(yōu)勢的來源，但也為其發(fā)展帶來了新的挑戰(zhàn)。微尺度下流體通常處于層流狀態(tài)，混合過程由分子擴(kuò)散控制，因而難以實現(xiàn)高粘液相間高效、快速的混合。此外，不同于常規(guī)釜式操作，借由攪拌等機(jī)械力調(diào)整反應(yīng)器流場結(jié)構(gòu)及混合效率，微反應(yīng)器操作參數(shù)往往較為單一，無法實現(xiàn)反應(yīng)條件的靈活調(diào)控。毫無疑問，高粘流體間混合困難，反應(yīng)器操作彈性差等問題已經(jīng)成為微化工技術(shù)推廣與應(yīng)用的重要限制因素。為了提高微反應(yīng)系統(tǒng)的適用性，有必要對現(xiàn)行微化工設(shè)備進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計與改進(jìn)(chem?commun.,2012,48(89):10935-10947)。

2、超聲微反應(yīng)器是一種將超聲場與微反應(yīng)器耦合，并應(yīng)用于化工生產(chǎn)過程的新型過程強(qiáng)化手段。將超聲引入微反應(yīng)器后，液體內(nèi)部將產(chǎn)生周期性的壓縮與膨脹，從而激活液體中的微小泡核(空化核)。空化核隨聲波而生長，并表現(xiàn)出振蕩、收縮乃至崩潰等一系列非線性動力學(xué)行為，統(tǒng)稱為聲空化。聲空化將分散的超聲波能量聚集到氣泡附近，并伴隨沖擊波、微射流、聲流等機(jī)械效應(yīng)，有助于促進(jìn)流體間拉伸與折疊，提升流體間分散效率。近年來，超聲微反應(yīng)器被廣泛應(yīng)用于不互溶液相間乳化過程。研究表明，微反應(yīng)器內(nèi)超聲乳化的效率嚴(yán)重受限于反應(yīng)物料的流量。微反應(yīng)器中的空化氣泡流動行為受到連續(xù)相流體粘性曳力和聲輻射次級b級力共同作用。高液相流量條件下，氣泡受流體粘性曳力影響而快速流出通道，無法在反應(yīng)器內(nèi)長時間留存。鑒于液相間的乳化主要由聲空化氣泡引發(fā)，這無疑會導(dǎo)致超聲乳化效率低下(aiche?j,2018,64(4):1412-1423)。鑒于聲空化-超聲乳化間存在逐級傳導(dǎo)機(jī)制，要提升高反應(yīng)物流量下微反應(yīng)器內(nèi)液相間分散效率，其關(guān)鍵在于實現(xiàn)微通道內(nèi)高液相流量條件下聲空化氣泡的高效截留，這也是超聲微乳化技術(shù)實現(xiàn)規(guī)?；I(yè)應(yīng)用的前提。

3、綜上所述，針對現(xiàn)有超聲微反應(yīng)器應(yīng)用于不互溶液相間乳化過程時，面臨物料流量受限問題，有必要提出一種兼顧超聲能量效率與操作流量范圍的新型超聲波微反應(yīng)器裝配方法，優(yōu)化現(xiàn)有超聲微乳化工藝。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種模塊化超聲波微填充床反應(yīng)器，并將其應(yīng)用于納米乳液連續(xù)化制備過程。微通道內(nèi)填充的固態(tài)填料與聲空化氣泡間存在毛細(xì)作用，能夠有效對抗因氣-液界面流動差而引起的曳力，實現(xiàn)高液相流量條件下聲空化氣泡的有效截留。此外，填料能夠集聚聲能，提高微通道反應(yīng)區(qū)域聲壓幅度及能量密度。所述的超聲波微填充床反應(yīng)器將大輻射面喇叭形夾心式換能器和毛細(xì)管式微反應(yīng)器通過環(huán)氧樹脂膠連接，并將固體填料裝填于反應(yīng)管中，實現(xiàn)超聲能量的高效聚集與利用，提升超聲能量效率。連續(xù)相與分散相經(jīng)由流體輸送設(shè)備流入反應(yīng)器，在超聲作用下快速分散、乳化。

2、本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一種連續(xù)制備納米乳液的微反應(yīng)器系統(tǒng)，包括依次連通的原料供給端、超聲波微填充床反應(yīng)器和產(chǎn)物收集端；所述超聲波微填充床反應(yīng)器，包括超聲換能器和微填充床反應(yīng)部，所述超聲換能器與微填充床反應(yīng)部膠連：所述微填充床反應(yīng)部包括毛細(xì)管式微反應(yīng)器和固體填料；所述毛細(xì)管式微反應(yīng)器的內(nèi)部裝有固體填料，所述毛細(xì)管式微反應(yīng)器的兩端設(shè)有縮口結(jié)構(gòu)，用于物料流入與流出；所述縮口處加裝篩網(wǎng)，用以封裝并更換固態(tài)填料。

4、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述縮口結(jié)構(gòu)為臺階式縮口結(jié)構(gòu)。

5、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，固體填料經(jīng)由機(jī)械裝填嵌入毛細(xì)管微反應(yīng)器，并通過環(huán)氧樹脂膠與超聲換能器連接。

6、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述毛細(xì)管式微反應(yīng)器的入口與出口均設(shè)有臺階式縮口結(jié)構(gòu)，縮口結(jié)構(gòu)與原料供給端和產(chǎn)物收集端連接，反應(yīng)物料經(jīng)由縮口結(jié)構(gòu)a流入/流出微反應(yīng)器。

7、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述超聲換能器經(jīng)前輻射面與微填充床反應(yīng)部膠連。

8、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述縮口結(jié)構(gòu)截面的形狀優(yōu)選為圓形；所述毛細(xì)管式微反應(yīng)器為一個或多個；當(dāng)毛細(xì)管式微反應(yīng)器為多個時，多個毛細(xì)管式微反應(yīng)器之間柔性連接；優(yōu)選的，多個毛細(xì)管式微反應(yīng)器借助彈性管，經(jīng)由縮口結(jié)構(gòu)的柔性連接可實現(xiàn)不同微反應(yīng)器間連接與拆卸，并靈活調(diào)整填料材質(zhì)與結(jié)構(gòu)、尺寸。

9、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述毛細(xì)管式微反應(yīng)器，內(nèi)徑優(yōu)選為3.0-9.0mm。視適用條件不同，微反應(yīng)器材質(zhì)為金屬(如不銹鋼，哈市合金，銅等)或塑料(聚四氟乙烯，聚醚醚酮等)。

10、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述超聲換能器為夾心式超聲換能器。

11、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述毛細(xì)管式微反應(yīng)器的壁面設(shè)有通孔，通孔與原料供給端連接；反應(yīng)物料分別經(jīng)由縮口結(jié)構(gòu)及通孔流入；臺階式縮口結(jié)構(gòu)孔徑優(yōu)選為4.0-10.0mm，通孔孔徑優(yōu)選為1.0-6.0mm。

12、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述固態(tài)填料為3d打印制備。填料內(nèi)分布有孔道，實現(xiàn)對聲空化氣泡的截留與捕獲。孔道為類球形孔道結(jié)構(gòu)，孔道截面為圓形，三角形，矩形等，優(yōu)選為圓形?？讖絻?yōu)選為30-500μm，更優(yōu)選為100-400μm。視適用條件不同，填料材質(zhì)為不銹鋼、鈦合金、鋁合金等。

13、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述微反應(yīng)器的入口和出口設(shè)有篩網(wǎng)，實現(xiàn)固體填料的有效裝填和液相間預(yù)混合。所述篩網(wǎng)上設(shè)有若干通孔，物料經(jīng)由上述通孔流入、流出，實現(xiàn)對物料的預(yù)乳化。篩網(wǎng)直徑與微反應(yīng)器縮孔尺寸一致，且均布有圓形孔洞，孔徑優(yōu)選為20-500μm。視適用條件不同，篩網(wǎng)材質(zhì)為不銹鋼、鈦合金、鋁合金等。

14、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述夾心式超聲換能器優(yōu)選包括依次設(shè)置的前蓋板，壓電陶瓷堆和后蓋板。前蓋板通常采用輕質(zhì)金屬，如鋁、鈦、鎂等金屬及合金。后蓋板通常采用重質(zhì)金屬，如不銹鋼、銅、銅鋼合金等。前蓋板，壓電陶瓷堆和后蓋板之間通過螺栓聯(lián)接，優(yōu)選前蓋板、壓電陶瓷堆及后蓋板在中心位置通過高強(qiáng)度的金屬螺栓聯(lián)接構(gòu)成。本發(fā)明中微填充床反應(yīng)器與超聲換能器膠連區(qū)域位于前蓋板遠(yuǎn)離壓電陶瓷堆的一側(cè)表面。

15、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，夾心式換能器操作頻率優(yōu)選10-1000千赫茲，更優(yōu)選為18-600千赫茲。

16、當(dāng)本發(fā)明的超聲波微填充床反應(yīng)器受到激發(fā)時，壓電陶瓷晶堆將電信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動，并通過換能器前蓋板傳導(dǎo)至微反應(yīng)器。固體填料進(jìn)一步集聚聲能，提高微反應(yīng)器內(nèi)部聲功率密度，可以顯著強(qiáng)化微反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物料間混合與傳質(zhì)。

17、本發(fā)明的超聲波微填充床反應(yīng)器工作頻率由夾心式超聲波換能器、固體填料材質(zhì)及尺寸、微反應(yīng)器材質(zhì)及尺寸共同決定。

18、一種快速連續(xù)制備納米乳液的方法，采用上述微反應(yīng)器系統(tǒng)，通過連續(xù)輸送設(shè)備，由縮口結(jié)構(gòu)a流入連續(xù)相(如水，辛烷)，通孔b流入分散相(如維生素e，胡羅卜素)，常溫條件下使連續(xù)相與分散相在反應(yīng)器內(nèi)分散、乳化，能夠?qū)崿F(xiàn)納米乳液的高效、快速制備。

19、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述超聲波微填充床反應(yīng)器輸入功率為5-150w，優(yōu)選為20-120w，物料在反應(yīng)器內(nèi)停留時間為2-180s，優(yōu)選為2-120s。

20、本發(fā)明所述納米乳液的平均尺寸為20-500nm，優(yōu)選為20-300nm。

21、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)勢：

22、(1)本發(fā)明的毛細(xì)管微反應(yīng)器間通過臺階式卡槽柔性連接，操作靈活性高，可實現(xiàn)微反應(yīng)器出入口自由拆卸并更換填料形狀、尺寸與材質(zhì)。

23、(2)本發(fā)明的超聲波微填充床反應(yīng)器能量效率高。通過對比超聲功率40w條件下有、無填料填充狀況下微反應(yīng)器內(nèi)溫度分布，輻射時間120s，無填料微反應(yīng)器內(nèi)溫度上升7.7℃，有填料微反應(yīng)器內(nèi)溫度上升17.1℃。表明固體填料能夠有效集聚聲能，解決常見超聲波微反應(yīng)器聲能分布不集中的問題。

24、(3)本發(fā)明的超聲波微填充床反應(yīng)器操作彈性高。固體填料能夠高效捕獲聲空化氣泡，解決高液相流量條件下聲空化困難，以水為例，為保障空化效果，無填料填充情況下液相流速上限為2.36cm/s，有填料填充狀況下液相流速上限提升至9.44cm/s。因而，超聲波微填充床反應(yīng)器可解決超聲波微反應(yīng)器效率低下的難題，提高超聲波微反應(yīng)器內(nèi)液相操作區(qū)間。

25、(4)本發(fā)明的超聲波微填充床微反應(yīng)器分散效率高。反應(yīng)物料流入后，分別經(jīng)過篩網(wǎng)預(yù)乳化、填料剪切及聲空化氣泡機(jī)械混合等過程，乳化效率有效提升。

26、綜上，本發(fā)明提出的基于超聲波微填充床反應(yīng)器連續(xù)制備納米乳液的方法靈活性高、操作簡便、能夠?qū)崿F(xiàn)精細(xì)納米乳液的高效、快速生產(chǎn)。