[实用新型]一种多功能超声微波协同化学反应器

说明书

技术领域

本实用新型涉及化学反应设备领域，特别涉及一种高强度、低噪音、可变频率及功率的多功能超声微波协同化学反应器。

背景技术

快速、高效、可控合成药物、有机化合物、无机化合物及纳米材料等是当前化学、材料、物理领域研究的热点。在液相中控制合成目标产物更是人们关注的重点。因为液相法价廉，效率高，容易实现产业化。在这些众多液相合成方法中，超声波技术和微波技术的应用发展较为广泛。

超声波对化学反应的作用主要是来自空化效应和其他非线性现象，经超声波辐射的液体介质中空化气泡发生膨胀和压缩、产生局域化的热点，从而引起液体介质中的超声化学反应。液体中气泡的形成、成长和几微秒之内突然崩溃而由此产生的局部高温、高压。气相反应区温度可达5000K，局部压力在20MPa以上，冷却速率高达10¹⁰K/s。这就为一般条件下难以实现的化学反应提供了一种非常特殊的物理、化学、力学环境。空化效应所产生的强烈冲击波和微射流，可促使反应体系中各反应物间充分接触，提高传质速率，从而改变化学反应条件，避免采用高温高压，缩短反应时间，并提高反应产率。超声波技术作为一种物理手段和工具，是声学与化学相互交叉渗透而发展起来的一门新兴边缘学科，它能够在化学反应介质中产生一系列接近于极端的条件，这种能量不仅能够激发或促进许多化学反应、加快化学反应速度，甚至还可以改变某些化学反应的方向，产生一些令人意想不到的效果和奇迹。

微波是频率为300MHz～300GHz、波长为1mm～1m的电磁波。微波技术可通过微波介电效应把某些固体或液体所具有的电磁能转变为热能，从而使化学反应加速。关于中的微波加热的基本原理，一般认为是，化合物电偶极与微波相互作用时，趋向于与微波中的电场一致，当偶极子的转动跟不上电场的变化频率时就产生相位滞后，发生扭曲效应，使化合物温度升高。微波除了有热效应外，还有非热效应如降低反应活化能、减弱分子化学键强度和改变反应途径等，因此可以进行选择性加热。作为一种重要的化学制备方法，它对物质的作用主要是对物质的电性和磁性产生作用，有极化作用，导电作用，磁化作用。对一般非导电的极性物质主要是取向极化作用。由于微波是直接作用于物质分子并使之振动而发热，具有加热快且均匀，使合成时间大为缩短，而且使纳米材料晶化过程中易形成均质形核，得到的产物大小均一，微波具有加热速度快、能效高、热效率高、经济等优点。

通常采用微波技术的装置包括密闭式和开放式两种，但这两种方式各自均有明显的缺点。如，当样品在密闭式装置中进行反应时，其高温高压环境对样品瓶的材料强度及耐腐蚀以及密封性要求很高，且高温高压环境存在安全隐患，样品瓶易老化、爆炸，而且样品处理量一般为＜100mL，故难以处理样品量较大的反应体系；采用开放式也存在着不足：微波随着被穿过的物质吸收而变弱，微波只能穿透一定的厚度。作为微波炉心脏的磁控管是个微波发生器，它能产生每秒钟振动频率为24.5亿次的微波，能穿透食物达5cm深。而且随着处理时间的延长，温度的升高，介电常数随着温度的升高而减小，从而高温下加热性就会变差。微波加热长时间常常会导致化合物的炭化等异常现象的发生。当用单一的微波加热时实验的重复性往往较差，而且由于众多缺点的制约不易实现工业化大尺度合成。

因此，利用超声、微波组合诱导制备纳米材料和结构、有机/无机化合物及药物合成是材料、化学化工、制药领域的一些非常热门的研究方法。Kwon，Jong Ho等人于2004年5月14日申请了制备金属或非金属酞菁的方法和设备(公开号为CN1823075A)，涉及了微波与超声波组合作用的设备，同时他们将这套方法和设备申请了国际专利(公开号WO2004/101874A1和WO2005/033803A2)。邹世春等人的实用新型专利“一种超声微波消解萃取装置”于2005年12月28日被授权，公告号为CN2748147Y。孙桂玲等人在2005年申请了“超声与微波复合增强样品消解/萃取的谐振装置”(授权公告号为CN1304831C，公告日为2007年3月14日)以及“超声与微波复合增强样品消解或萃取的带调谐谐振腔的装置”(授权公告号为CN100390525C，公告日为2008年5月28日)。张华峰等人的实用新型专利“调温型超声波微波耦合提取装置”在2008年6月11日被授权，公告号为CN201070547Y。Matthew M.Kropf将他们采用微波超声波加速化学反应的方法申请了美国专利(申请号为146932)和国际发明专利(申请号为946253)。