一種大功率超聲波微反應器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于化工設備、超聲裝置等領域，涉及一種大功率超聲波微反應器結構，具 體地說是一種利用超聲振動來防止微反應器堵塞和強化混合傳質的大功率超聲波微反應 器。
【背景技術】
[0002] 微反應器是指內部結構的特征尺寸在數(shù)微米至數(shù)毫米尺度(這種內部結構也稱為 微通道)的流體設備。相對于傳統(tǒng)的大型化工設備，以微反應器為主的微化工設備具有比表 面高、傳熱傳質快、操作安全、易于放大、占地空間小等優(yōu)點，使微反應器成為最有前景的化 工技術之一。
[0003] 但微反應器技術在開發(fā)過程中也呈現(xiàn)出一些新的亟待解決的問題。由于微通道尺 寸小，流動通常處于層流狀態(tài)且表面張力作用顯著，使微通道內多種流體的混合強化比較 困難。目前常用的辦法是把微通道設計成彎折、障礙、碰撞等結構，在局部引起渦流或混沌 流來強化混合，這種微反應器的操作區(qū)間小、壓降比較大。另外，由于微反應器內的微通道 尺寸小，在這些彎折、障礙、碰撞等結構處，通道容易被雜質或者工藝流體堵塞，特別是在處 理含固體或者生成固體或者高粘度流體時。
[0004] 要解決微反應器易堵塞、混合傳質強化困難的問題，需要在微反應器內引入外加 能量，以破壞和防止其堵塞，進一步強化其混合傳質。由于超聲具有穿透性好、能量密度高、 安全可靠等優(yōu)點，將超聲波引入微反應器中，集成為超聲波微反應器，是一種非常有效的能 同時解決微反應器堵塞和混合傳質強化困難等問題的方法。
[0005] 最簡單的將超聲波引入微反應器的方法是將微反應器直接放入超聲清洗機的 清洗槽的液體中。TomoakiHorie等把微反應器浸泡在超聲清洗槽中，用超聲振動防止 產(chǎn)物在微反應器管道表面沉積而堵塞（PhotodimerizationofMaleicAnhydridein aMicroreactorWithoutClogging,OrganicProcessResearch&Development2010, 1 4, 405 - 410)。RyanL.Hartman等利用 了類似的方法（OvercomingtheChallengesof SolidBridgingandConstrictionduringPd-CatalyzedC_NBondFormationin Microreactors,OrganicProcessResearch&Development2010, 14, 1347 - 1357) 破壞 固體生成物的團聚和沉積，從而防止堵塞。這種直接把微反應器浸泡在超聲清洗槽中的 方法雖然方便，但超聲能量傳遞效率不高，大量的超聲能量消耗在清洗槽的液體中，進入 微反應器的超聲能量只是超聲清洗槽輸入總功率的一小部分。另一種常見的超聲波微 反應器是將超聲壓電陶瓷片直接粘貼在微反應器外表面，將超聲能量直接傳導進入反應 器。例如DavidFernandezRivas等（Sonoluminescenceandsonochemiluminescence fromamicroreactor,UltrasonicsSonochemistry2012, 19, 1252 - 1259)和Tandiono 等（Sonochemistryandsonoluminescenceinmicrofluidics,Proc.Nat.Acad. Sci. 2011，18(15)，5996 - 5998)在文獻中報道的超聲波微反應器。SimonKuhn等（ATeflon microreactorwithintegratedpiezoelectricactuatortohandlesolidforming reactions,LabChip, 2011，11，2488 - 2492)用兩塊不銹鋼板將壓電陶瓷片夾到聚四氟微 反應器的外表面。這種超聲波微反應器由于壓電陶瓷片抗張強度差，在大功率工作狀態(tài)下 容易發(fā)生破裂，因此能輸入的超聲功率比較低。在微反應器比較大（比如多通道放大后的微 反應器）或者工藝流體的處理量比較大時，輸入的超聲強度遠遠不夠防止堵塞或者強化混 合傳質。
[0006] 在功率超聲領域，夾心式超聲換能器由于具有功率大、電聲轉換效率高、散熱好、 壓電片不易破裂、設計頻率易于調節(jié)等優(yōu)點在超聲清洗、超聲加工、超聲處理、聲化學等領 域得到了廣泛的應用。一些研究者也將大功率夾心式換能器引入到超聲波微反應器。Yasuo Iida等（Bubblemotionsconfinedinamicrospaceobservedwithstroboscopic technique,UltrasonicsSonochemistry2007, 14,621 - 626)將前蓋板為變幅桿的夾心 式換能器與微反應器結構，利用硅油將超聲從換能器的前蓋板傳導至微反應器中。這種 超聲波微反應器雖然能產(chǎn)生較大的超聲功率，但在大功率操作時，傳導介質硅油容易被空 化，使超聲傳遞效率大大下降。另外，由于該夾心式換能器的變幅桿的輻射面比較小，超聲 波只能傳導到微反應器局部較小區(qū)域，很難對整個反應器大部分區(qū)域同時進行超聲強化。 S.Hubner等（UltrasoundandMicrostructures-APromisingCombination,ChemSusCh em2012, 5, 279 - 288)改進了該裝置，他們將微反應器和夾心式換能器變幅桿的前端放入一 個裝滿水的高壓釜中，利用高壓的水將超聲能量從換能器傳導進入反應器。由于水在高壓 時不易被超聲空化，因此該超聲波微反應器能量傳遞效率比較高。但該裝置龐大、操作復 雜，同時由于超聲在傳播進入微反應器時經(jīng)過了兩個液固界面的反射和折射，傳遞效率仍 然比較低。世界專利W02011023761公開了一種將超聲導入微反應器的方法。該方法通過 一個耦合裝置將超聲從換能器直接傳輸?shù)脚c其接觸的工藝流體中，并通過工藝流體將超聲 能量導入微反應器。由于超聲在工藝流體中衰減比較快，該方法主要適合于在局部引入大 功率的超聲，特別是在易堵塞區(qū)域附近。
[0007] 綜上所述，將壓電陶瓷片直接粘貼在微反應器外表面的超聲波微反應器雖然能量 傳遞效率高，但輸入功率小。利用介質將超聲能量從夾心式超聲換能器傳導至微反應器的 方法雖然輸入功率大，但超聲能量傳遞效率低，而且通常只能在微反應器的局部區(qū)域進行 超聲強化。

【發(fā)明內容】

[0008] 為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種大功率超聲波微反應器。該超聲波微反應 器通過如下技術方案組裝實現(xiàn)：
[0009] 微反應器通過超聲換能器的前輻射面與超聲換能器直接剛性連接，使微反應器和 超聲換能器作為一個整體振動，振動在垂直于前福射面的方向上形成的超聲波波長為微反 應器的上表面到后蓋板的后面的距離的兩倍。微反應器的上表面為微反應器遠離超聲換能 器的一側表面。后蓋板的后面為后蓋板遠離壓電陶瓷堆的一側表面。微反應器的上表面到 后蓋板的后面的距離即為超聲波微反應器在垂直于前輻射面的方向上的長度。
[0010] 上述的微反應器為板式，其厚度l-70mm，微反應器上表面的等效直徑是超聲換能 器前輻射面的直徑的1. 0-1. 5倍。微反應器上表面的等效直徑是指與上表面的面積相等的 圓的直徑。
[0011] 所述超聲換能器包括依次設置的后蓋板、壓電陶瓷堆和前蓋板。后蓋板通常采用 不銹鋼、銅、銅鋼合金等重金屬制成。前蓋板采用鋁、鈦、鎂、鋁鈦合金、鈦鎂合金、鋁鎂合金 等輕金屬制成。
[0012] 所述超聲換能器的前輻射面為前蓋板遠離壓電陶瓷堆的一側表面，前輻射面的直 徑是壓電陶瓷堆直徑的1.0-2. 0倍。前輻射面的直徑比壓電陶瓷堆直徑大，有利于增大超 聲的輻射面，使整個微反應器的大部分面積都能受到超聲輻射。但前輻射面直徑不能太大， 如果直徑太大，即超聲的輻射面積太大，會導致微反應器內單位面積的超聲強度（即聲強） 太小。
[0013] 所述的超聲換能器為常用的夾心式換能器，后蓋板、壓電陶瓷堆和前蓋板同軸設 置；其后蓋板為圓形金屬蓋板；壓電陶瓷堆是由同軸設置的至少2個圓形壓電陶瓷片組成； 前蓋板為圓錐臺型金屬板，且遠離壓電陶瓷堆的一側底面、即前輻射面大于靠近壓電陶瓷 堆的一側底面、即換能器前蓋板后面。
[0014] 當本發(fā)明的超