专利名称：易于操作的高温高压水热反应器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于化学合成领域，特别是公开了一种易于操作的高温高压水热反应器。它是一种用于化学合成的装置。其中术语“水热”意指化学合成在液相中进行，合成温度等于或高于反应溶剂的沸点温度，合成压力等于或高于环境大气压。反应溶剂可以是水， 也可以是其它非水溶剂。
背景技术：
水热化学合成方法可用来合成许多有机和无机化合物。它的优点如下能直接合成结晶良好的无水晶相，能有效地控制晶粒大小和分布，能简化合成过程。当反应温度和压力高到反应溶剂的超临界状态时，水热反应还能制出在常压状态下不易制出的新物质结构。传统的水热反应器是一个由钢材做成的密闭容器。反应介质包括反应物质及其水或非水溶剂均盛放在容器中。设在容器外部的加热装置对容器器壁加热，热的容器器壁进而加热容器内的反应介质；反应溶液受热蒸发，在容器内产生热平衡压力。反应温度越高， 所产生的热平衡压力越大。由于传统水热反应器同时承受高温和高压，它存在若干技术问题。首先是反应器在高温下的抗高压能力。一方面，由反应溶剂蒸发产生的热平衡压力随着反应溶液温度的升高急剧上升；另一方面，用于制作反应容器的钢材的机械强度则随温度升高而造成不容忽视的降低。以水溶液为例，当反应溶液的温度达到400°C时，由溶液蒸发而产生的热平衡压力超过400大气压。如果按照这是最常见的方法，用于制作反应容器的钢材是316不锈钢，容器在400°C的抗压力能力要降低到在常温下的能力的67%。为了使反应器能在要求高温高压下安全使用，最常用的方法是增加反应器器壁的厚度。这样做得结果使得反应器体积笨重、造价高，器壁的传热效率低。传统水热反应器的第二个问题是压力密封。密封的常用方法是把密封材料夹在焊接在容器筒上的法兰和容器盖之间，用一系列紧固螺栓把法兰和容器盖彼此压紧，使密封材料适度变形。由于反应器的壳体处于热态，弹性优良的橡胶密封材料不能被使用，而只能使用金属或石墨和其他耐高温塑料的复合材料。这些适用于高温条件下作压力密封的材料需要相当的固定预应力才能起作用。例如，柔性碳质密封材料的固定预应力为17兆帕，金属丝-石墨复合密封材料的固定预应力达68兆帕。如此之高的固定预应力使得反应器的闭合和开启操作十分不便。传统水热反应器的第三个问题是化学腐蚀。金属材料不耐腐蚀众所周知。316不锈钢抗化学腐蚀性能虽然比其他钢材优良，但它远不及玻璃和陶瓷，尤其在高温下更是如此。反应器的化学腐蚀问题不仅降低反应器的抗压力能力、缩短反应器使用寿命，也造成对化学合成的污染。为了解决化学腐蚀问题，一种做法是在反应器内壁衬氟化物塑料，如聚四氟乙烯。但氟化物塑料内衬只宜于在200°C以下使用。高于200°C，此种塑料则产生收缩变形而且老化速度加快。另一种做法是在反应器内壁镀搪瓷玻璃。但搪瓷玻璃性脆，容易受器壁的热冲击而破损、剥落。传统的实验室用水热反应器一次只做一个合成实验。然而化学合成技术的革新要求高产出化学合成方法。高产出化学合成方法是指使用一个由许许多多微型反应器组成的微型反应器阵列同时进行许许多多合成反应。它是一种低成本、高效率的实验方法，已经成为生物化学领域的重要研究手段。然而目前的微型反应器阵列没有抑制溶剂蒸发的机制， 只能用作无溶剂蒸发的反应，不能用于涉及高温高压的水热反应。本实用新型将提供一种新型的反应器结构，以解决传统水热反应器存在的技术问题。本实用新型提供的反应器结构还适用于微型反应器阵列。
发明内容本专利的一种易于操作的高温高压水热反应器由一个易于闭合与开启的压力腔和置于压力腔中的反应容器组成，压力腔包括一个压力腔罩、一个压力密封嘴和一个底法兰，二者通过一个压紧装置形成密闭结构，反应容器放在压力腔内，在进行水热反应时，反应所需的热量由设置在压力腔内的加热元件或来自外部的电磁辐射提供，压力腔罩和底法兰不被加热，反应所需的压力由与压力腔连通的外部压力气源提供，压力介质同时充满压力腔和反应容器，反应容器内外的净压为零。所述的的反应容器是一个单独的容器，或者是由多个容器组成的容器阵列。所述的反应容器的上口有回流盖。所述的压力密封嘴和底法兰通过0型密封圈的变形实现密封。所述的压力腔罩和压力密封嘴通过压力容器罩的变形实现密封。所述的压力容器罩的与压力密封嘴通过0型密封圈的变形实现密封。所述的压紧装置为一个与压力腔罩相连接的升降螺杆，驱动该螺杆上升、下降的核心部件为一个与螺杆啮合的螺母。所述的压紧装置也可以为一个与压力腔罩相连接的滑动杆，滑动杆上升、下降由油压制动或气压制动装置驱动。所述的电磁辐射是频率为2. 45GHz或915MHz的微波。所述的加热元件的形状是盘状、柱壳状或帽状，在加热元件和压力腔罩、底法兰之间有隔热材料，隔热材料包括塑料、多孔玻璃、陶瓷纤维制品、轻质陶瓷等。所述的加热元件通过接线螺栓与压力腔外的电源实现电连接，具体指明的连接结构是，所述的压力容器法兰上有一通孔，接线螺栓从孔中穿过，在螺栓与孔壁之间有电绝缘套管，接线螺栓和绝缘套管由螺母固定，在螺母和底法兰之间有电绝缘垫片。所述的水热反应由磁耦合搅拌器搅拌，具体的磁耦合搅拌的实现方法是在反应容器里面放有磁棒，在压力腔外即底法兰下面装有旋转磁极，旋转磁极的磁力透过底法兰和反应容器底壁，带动磁棒旋转。所述的水热反应也可以由浆叶搅拌器搅拌，具体的驱动浆叶搅拌器转动的方法是通过一个磁轴承把压力腔外部的机械转动传递到压力腔内部、反应容器上方的一个转动杆上，通过一个齿头耦合装置把转动杆的转动传递到反应容器内的浆叶搅拌器上。所述的齿头耦合装置由一个推力轴承和两个齿接头组成，其中一个齿接头套在推力轴承内并与浆叶搅拌器的轴连接，另一个齿接头与传动杆连接，当两接头靠近时，彼此自动对准啮合。本实用新型的基本结构包括一个压力腔和置于压力腔内的反应容器。压力腔由外部压力源加压，并通过适当的连通结构把外加的压力加到反应容器中。反应容器盛放反应介质。反应溶剂的蒸发被外加压力抑制，化学反应被限制在反应容器中。反应容器和压力腔的压力处于平衡状态，反应容器内外没有净压力。因为反应容器只受热而不受压，它可用玻璃或陶瓷作容器材料。即使在苛刻的水热条件，如超临界反应下，玻璃和陶瓷都不存在变形、老化和腐蚀的问题。反应介质可以由来自压力腔外的微波辐射加热，也可以由安装在压力腔内的电加热器加热。微波辐射只加热反应介质，不加热压力腔壁。在压力腔内的电加热器和压力腔壁之间安置有隔热材料，压力腔也不受热。由于压力腔壁在常温下工作，它的抗高压能力不受反应介质温度的影响。压力腔壁的操作安全性得到提高。压力腔的制造成本也可得到降低。由于压力腔壁不与反应介质接触，它也不存在化学腐蚀问题。由于外加压力把反应介质抑制在反应容器内，在压力腔内既可以放置一个大容量反应容器，一次进行一个化学合成；也可以放置多个微型反应容器，一次进行多个化学合成。本实用新型的压力腔由压力腔罩、底法兰和环形密封嘴构成。密封嘴安装在底法兰上。在压力腔罩顶部的安装有一个升降螺杆和与螺杆啮合的旋转螺母。螺母向一个方向旋转使得压力腔罩靠近进而贴紧密封嘴。在压力腔与密封嘴的接触面间有密封槽，槽内放有密封圈。压力腔与密封嘴的相互贴紧使得密封圈变形，填满密封槽，实现密封。由于压力腔罩和密封嘴的工作温度为常温，密封嘴上的密封圈可以是弹性优良的橡胶材料。使用这种密封材料，所需的压缩应力可以忽略。旋转螺母的转动需要的扭矩很小，仅仅一个简单的手柄即可。压力腔的开启由旋转螺母的反转实现。螺母和螺杆之间的螺纹静止摩擦可保持压力腔内的高压。与传统水热反应器相比，本实用新型省去了一系列操作繁琐的紧固螺母，也避免了使用昂贵的施压装置。
图1是本实用新型的基本结构图。图2是对压力腔3的操作方法图。图3是使用微波辐射加热时的水热反应器的结构图。图3a和图北是压力腔的气压密封方法图。图如和图4b是设置在压力腔内的加热器结构图。图5是向压力腔内的加热器提供电能的方法图。图6是对压力腔内反应容器中反应溶液的测温方法图。图7是使用磁棒对反应溶液实施机械搅拌的方法图。图8是使用浆叶搅拌器对反应溶液实施机械搅拌的方法图。图9a、9b和9c是能在压力腔的形成和解除时自动耦合和分离浆叶搅拌器和搅拌器驱动部件的一种装置图。图IOa和IOb是在压力腔内放置反应容器阵列和与其相应的加热测温方法图。
具体实施方式
本实用新型的具体实施方式
可通过图1至图10详细说明。[0037]图1描述本实用新型的基本结构。如图所示，压力腔罩1和底法兰2形成压力腔 3。反应容器4放置于压力腔3中。在压力腔的顶部设有通气管5。外部压力源通过通气管对压力腔实施加压。为实现压力腔的气密性，在压力腔罩和压力容器底盘结合处设置密封嘴6。密封嘴的结构由图3a和北示出，将在后面详细说明。本实用新型的工作原理是， 当所加外压高于反应溶液在反应温度上的蒸汽压时，反应溶液将不明显蒸发，而是被局限在反应容器4中。视所加外压的高低，在溶液的上方会有一定的蒸汽分压。一些蒸汽会到达压力容器罩的内壁冷凝，形成少量液体，集在底法兰上。尽管这些少量集液对反应并无妨碍，它可以通过在反应容器4上设置回流盖7予以避免。回流盖7上可以留一小孔8，使得所加外压能直接作用于反应溶液。图2描述对压力腔3的操作方法。如图所示，升降螺杆9装在压力腔罩1的顶部。 螺杆9为中空的。它与图1描述的通气管5合二而一。压力腔3的闭合和开启分别由螺杆 9下降和提升来实现。螺杆9的驱动、施力机构包括底法兰2、立柱10、顶板11和齿耦合盒 12。齿耦合盒通过螺钉13固定在顶板11上。齿耦合盒内装驱动螺母14。由于耦合盒的限制，驱动螺母只能绕螺杆9的轴线转动，不能做其他方向的运动。驱动螺母14的转动使螺杆9在垂直方向的移动。改变驱动螺母的转动方向即改变螺杆的移动方向。在图2所示的例子中，驱动螺母14的转动由套在驱动螺母14的手柄15驱动。沿顺时针方向扳动手柄将驱动螺杆9向下移动，使得压力腔罩和底法兰结合而形成一个闭合压力腔。沿逆时针方向扳动手柄则驱动螺杆9向上移动，使压力腔罩和底法兰分离，压力腔开启。显然，本实用新型并不局限于手柄驱动的方法，可以把螺杆9换为一个作上下滑动的杆，由油压或气压缸驱动。但是，在本实用新型中，以手柄驱动螺母螺杆为最佳，因为这种装置造价低廉、操作简便。反应溶液可以由微波辐射来加热。在这种情况下，图2中所示的压力腔可以放在一个微波共振腔16中，如图3所示。在微波共振腔壁上开有微波辐射窗17。微波源18通过辐射窗17向反应溶液提供能量。图中所示的微波源18可以是微波磁控管，直接安装在微波共振腔的腔壁上。也可以是一节波导，把外部的微波发生器的微波输出口连接到微波辐射窗17上。在本实用新型中，微波辐射窗和微波源可以是一个，也可以是多个。由微波辐射加热的水热反应器中，压力腔罩1用微波透明性材料制作。这种材料可以是弹性高分子聚合物，如聚四氟乙烯。在此情况下，压力腔罩1和升降螺杆9的结合可以通过螺母19和螺母20实现。在螺母和容器罩的结合面间设置有密封垫，未在图3中示出。为了便于压紧密封操作，在压力腔罩1和底法兰2之间设置密封嘴21。在压力腔罩1 的外壁和密封嘴21的内壁分别做有倾斜面22和倾斜面23，如图3a所示。当压力腔中有气压时，压力腔罩1产生适当变形。其斜面与密封嘴的斜面紧密相贴，形成密封。由微波辐射加热的水热反应器中，制作压力腔罩1的材料也可以是对微波透明的刚性高分子聚合物，如聚醚醚酮。也可以无机非金属材料，如钢化玻璃，石英玻璃，氧化铝、 氮化硅或赛隆陶瓷等。压力腔罩1和升降螺杆9的结合可以采用图3所示的方法。压力腔罩1和底法兰2之间的密封可以采用图北所示的方法。依这种方法，密封嘴21的内壁为台阶形状。与密封嘴21的内壁相接触的压力腔罩1的外壁也为台阶形状。二者结合形成间隙，密封圈M填于其中。密封圈在间隙中产生适度变形，形成气压密封。在如图1和图2所示的水热反应器中，反应溶液也可以用电阻方法加热。此时，压力腔罩1使用金属材料制作。压力腔罩1和底法兰2之间的密封可以采用图北所示的方法。压力容器罩1和升降螺杆9的结合可以直接焊接的方法，也可以采用如图3所示的方法。还可以使用管件连接的方法。管件连接的方法多种多样，并为管道专业人员所熟知。此处不再赘述。在本实用新型中，用于加热反应溶液的电阻加热器置于压力腔3的内部。图如示出了在压力腔中安置电阻加热器的一种方法。在这种安置中，一个电加热盘25被置于反应容器4和底法兰2之间。电加热盘25由绝热套沈和电热元件27构成。绝热套由低热导率的材料制作。低热导率的材料可以是玻璃或陶瓷纤维，轻质陶瓷烧结块或浇注块。低热导率的材料还可以是耐热塑料如硅橡胶，聚四氟乙烯等。电热元件25可以是电热合金丝以一定构型固定在一个陶瓷载体上，也可以是一种商品电加热片，如美国欧米伽公司的柔性电热片。电阻加热器的另一种设置方法如图4b所示。这种设置使用加热器筒观，它由绝缘筒四和筒状电热元件30组成。用于制作绝缘筒的材料和制作电热元件的材料与图如中描述的加热盘％相同。所不同的仅是形状而已。本实用新型也可以使用帽状加热器，亦即把图如描述的加热盘25和图4b描述的加热筒观合二为一。结合加热盘25和加热筒观的方法简单明了。在此不再赘述。图5所示的是向压力腔3中的加热器提供电能的方法。其中接线螺栓31是核心元件。螺栓31是导电材料。螺栓31从底法兰2的通孔中穿过，把用于加热的电能通过从压力腔的外部导入压力腔的内部。在螺栓31的外端有螺母32和螺母33，外部电源可通过着两个螺母接到螺栓31上。在螺栓31的内端有螺钉34，电热元件28的引线可通过通道 35，经螺钉34接到螺栓31上。如图5所示，接线螺栓31与底法兰2之间的电绝缘通过绝缘套36和绝缘垫片37 实现。绝缘套36和绝缘垫片37是非导电性材料，如橡胶、塑料或陶瓷等。为实现气压密封， 在绝缘套36与螺栓31之间设有密封圈37，在在绝缘套36与底法兰2之间设有密封圈38。 拧紧螺母32可使这两个密封圈产生适度变形，从而阻止气压介质泄漏。依本实用新型，对反应溶液的温度测量可以使用热电偶。参照图2的描述，螺杆9 是中空的，其轴向通道5为向压力腔提供气压介质而设。轴向通道5也可以兼作热电偶40 的插入孔。如图6所示，轴向通道5的一兼两用通过三通管件41实现。图中的42表示提供气压介质的管道。依本实用新型，对反应溶液的机械搅拌可以使用磁耦合搅拌器。如图7所示，磁棒 43放于反应容器4中，由马达45带动的旋转磁极44放于底法兰2的下部，亦即压力腔3 的外部。实验证明，当底法兰2的材料是奥斯体钢而且其厚度小于25毫米时，旋转磁极44 可以有效地耦合磁棒43。在底法兰2的下面可以贴补强环46。它可以减小旋转磁极44和磁棒43的耦合间隙以增强磁极44盒磁棒43的耦合力，同时保持底法兰2的承受压力的能力。当反应容器4的底面放置有加热元件或绝热层时，或者当所要进行的水热反应不适宜使用如图7所述的搅拌方法时，对反应溶液的搅拌和相应的反应器结构可以采用如图8所示的方法。图8所示的反应器为前面各图中所描述的反应器的倒置结构。在此情形中，法兰2安置在反应器的顶部，成为顶法兰。压力腔3的闭合通过向上推压压力腔罩1实现。压力腔3的开启通过向下拉开压力腔罩1实现。反应容器4由帽状加热器47加热。温度传感器48穿过升降螺杆9和帽装加热器47，从反应容器4的下部对其测温。温度传感器 48可以是光导纤维温度传感器，也可以是表面接触式热电偶。图中所示的搅拌系统由浆叶式搅拌器49、齿状耦合器51、传动杆52、磁轴承53和马达45组成。其中磁轴承53把马达 45提供的搅拌驱动力从外部传递到压力腔3内部的传动杆52。磁轴承已有商业产品，其耦合方法不在此赘述。齿状耦合器51安装在反应容器盖7上。它的作用是把传动杆52的转动传递给浆叶式搅拌器49。齿状耦合器的结构和工作原理如图9a所示。它由推力轴承55 和齿接头56、57组成。其中搅拌器49与齿接头56联接，搅拌杆52与齿接头57联接。螺钉60的起紧固作用。推力轴承55用于承受搅拌器49的重力，并使其自由旋转。推力轴承可以是其他结构，但以如图9b所示的结构为最佳。若以这种结构，轴承中与齿接头56的接触面58和59应衬低摩擦系数材料，或者整个推力轴承全用低摩擦系数材料制作。此处所谓的低摩擦系数材料指轴承级青铜、石墨或聚四氟乙烯等。在轴承阳的边缘处，有若干均勻分布的孔61。它们的作用是把轴承55安装固定在反应容器盖7上，如图8所示。因为在压力腔3的形成操作中，操作者不能对搅拌器49和传动杆52的耦合做人为干预，二者的耦合靠齿接头56和齿接头57接近时的自动啮合。图9c所示的三维结构可以更明白地说明两个齿接头的自动啮合过程。当两个齿接头相互靠近时，两接头的斜面62和63的局部接触将互相产生水平推力，致使二者作相向转动，一接头的齿和另一接头的槽相应对准，最终达到如图9a所示的完全啮合。 本实用新型中的反应容器并不局限于一个。而可以是由多个反应容器组成的反应容器阵列。参看图IOa和10b，在前面各图中所示单个反应容器4被一个容器阵列盘47所取代。在阵列盘47上挖有多个柱状坑。每个坑里放置一个容器48。位于中心坑的容器用于测温。位于其他坑的容器用于化学反应。其中的测温元件40可以是热电耦，也可以是光导纤维温度传感器。其中的反应容器48可以是塑料或玻璃。但是以使用玻璃为最佳。每个反应容器最好都有一个回流盖。
权利要求1.一种易于操作的高温高压水热反应器，其特征是易于操作的高温高压水热反应器由一个易于闭合与开启的压力腔和置于压力腔中的反应容器组成，压力腔包括一个压力腔罩、一个压力密封嘴和一个底法兰，二者通过一个压紧装置形成密闭结构，反应容器放在压力腔内，在进行水热反应时，反应所需的热量由设置在压力腔内的加热元件或来自外部的电磁辐射提供，压力腔罩和底法兰不被加热，反应所需的压力由与压力腔连通的外部压力气源提供，压力介质同时充满压力腔和反应容器，反应容器内外的净压为零。
2.根据权利要求1所述易于操作的高温高压水热反应器，其特征是所述的反应容器是一个单独的容器或者是由多个容器组成的容器阵列。
3.根据权利要求1所述易于操作的高温高压水热反应器，其特征是所述的反应容器的上口有回流盖。
4.根据权利要求1所述易于操作的高温高压水热反应器，其特征是所述的压力密封嘴和底法兰通过0型密封圈的变形实现密封。
5.根据权利要求1所述易于操作的高温高压水热反应器，其特征是所述的压力腔罩和压力密封嘴通过压力容器罩的变形实现密封。
6.根据权利要求1所述易于操作的高温高压水热反应器，其特征是所述的压力容器罩的与压力密封嘴通过0型密封圈的变形实现密封。
7.根据权利要求1所述易于操作的高温高压水热反应器，其特征是所述的压紧装置为一个与压力腔罩相连接的升降螺杆，驱动该螺杆上升、下降的核心部件为一个与螺杆啮合的螺母。
8.根据权利要求1所述易于操作的高温高压水热反应器，其特征是所述的压紧装置为一个与压力腔罩相连接的滑动杆，滑动杆上升、下降由油压制动或气压制动装置驱动。
9.根据权利要求1所述易于操作的高温高压水热反应器，其特征是所述的电磁辐射是频率为2. 45GHz或915MHz的微波。
10.根据权利要求1所述易于操作的高温高压水热反应器，其特征是所述的加热元件的形状是盘状、柱壳状或帽状，在加热元件和压力腔罩、底法兰之间有隔热材料，隔热材料为塑料、多孔玻璃、陶瓷纤维制品或轻质陶瓷。
11.根据权利要求1所述易于操作的高温高压水热反应器，其特征是所述的加热元件通过接线螺栓与压力腔外的电源实现电连接，连接结构是在所述的压力容器法兰上有一通孔，接线螺栓从孔中穿过，在螺栓与孔壁之间有电绝缘套管，接线螺栓和绝缘套管由螺母固定，在螺母和底法兰之间有电绝缘垫片。
12.根据权利要求1所述易于操作的高温高压水热反应器，其特征是所述的水热反应由磁耦合搅拌器搅拌，磁耦合搅拌的实现方法是在反应容器里面放有磁棒，在压力腔外即底法兰下面装有旋转磁极，旋转磁极的磁力透过底法兰和反应容器底壁，带动磁棒旋转。
13.根据权利要求1所述易于操作的高温高压水热反应器，其特征是所述的水热反应由浆叶搅拌器搅拌，驱动浆叶搅拌器转动的方法是通过一个磁轴承把压力腔外部的机械转动传递到压力腔内部、反应容器上方的一个转动杆上，通过一个齿头耦合装置把转动杆的转动传递到反应容器内的浆叶搅拌器上。
14.根据权利要求13所述易于操作的高温高压水热反应器，其特征是所述的齿头耦合装置由一个推力轴承和两个齿接头组成，其中一个齿接头套在推力轴承内并与浆叶搅拌器的轴连接，另一个齿接头与传动杆连接，当两接头靠近时，彼此自动对准啮合。
专利摘要本实用新型系一种高温高压化学反应器。属于化学合成领域。它由一个压力腔和置于压力腔内的反应容器组成。反应容器是化学反应的场所，只受热而不受压；压力腔用来保持抑制反应溶剂在高温下蒸发的外压，只受压而不受热。本实用新型中的反应容器可为玻璃或陶瓷材料制作，因而解决了传统反应器器壁的高温腐蚀和老化问题。压力腔的抗压力能力不因反应温度的升高而降低，与传统反应器相比，本实用新型可以做得结构轻便、造价低廉。冷态工作的压力腔可以使用弹性优良橡胶实施密封，压力腔的开启、闭合和密封变得简单、高效。压力腔内的反应容器可以是一个，也可以是能同时进行许多个化学合成的反应器阵列，本实用新型可用于一种高产出化学合成。
文档编号B01J3/04GK202129060SQ20112014797
公开日2012年2月1日 申请日期2011年5月3日 优先权日2011年5月3日
发明者史尚钊 申请人:史尚钊