流体反应器的制作方法

本发明涉及流体反应器，特别是所谓的冲击喷射反应器，用于通过从流体介质中沉淀来产生纳米颗粒。本发明涉及从溶液中制备具有窄粒度分布的纳米颗粒的方法和手段，特别用于化学或药物产品中。

背景技术：

当溶解有该物质或其前体的液体在高压下并因此在高速下遇到沉淀浴时，可以通过从该物质或其混合物或其前体的溶液中沉淀而获得物质或物质混合物的纳米颗粒。这导致液体的雾化，并因此形成纳米颗粒结构形式的沉淀产物。一种技术实现被称为“冲击喷射”方法。为此，需要使用流体反应器，其中，通过两个相对放置的流体喷嘴在高压下对两种流体，即要沉淀物质的流体和要在其中进行沉淀的流体加压，使得这两种流体以自由射流的形式在喷嘴之间的碰撞区高速相遇。由于两种流体的冲击对流重叠面垂直于两种流体各自的初始射出方向，即垂直于喷射方向，于是会产生所谓的“碰撞盘”。在两个自由射流的碰撞点处，由于两种不相容介质的高度湍流混合而发生化学沉淀反应，而这种高度湍流混合过程中普遍存在剪切力，沉淀的产物会以纳米颗粒的形式形成或在沉淀过程中直接分散成纳米颗粒。假设颗粒的粒度是在碰撞点的速度梯度函数。然而根据产品组成，颗粒的粒度还取决于系统中的温度和/或压力。通常获得的粒径在50至500μm的范围内。

从相对的喷嘴流出的两个自由射流发生碰撞，并在产生的碰撞盘中完全耗尽。碰撞盘中存在的纳米颗粒产物收集在反应器中，然后从反应器中去除。此处通常需要将纳米颗粒与碰撞盘的纳米颗粒流体分离。为了从反应器中去除碰撞盘的纳米颗粒流体，可以用冲洗介质间歇地或连续地冲洗反应器。已知去除纳米颗粒流体是在碰撞盘的平面方向上进行的，即垂直于两个碰撞的自由射流的方向。

这种类型的现有反应器的缺点在于，所获得的纳米颗粒的粒度较宽，而且很大程度上取决于所使用的操作参数，特别是压力和流速，还取决于介质的物理化学性质，尤其是粘度和表面张力。为了获得可重复的结果，需要精确控制操作参数。然而在现有的流体反应器中，即使在理想的操作条件下，可获得的粒度分布对某些应用而言也尚不够广，并且需要分离粒度的进一步措施。

因此需要进一步开发通过“冲击喷射”方法生产纳米颗粒的方法和手段，以能够简单地或者说无须严格参数控制就能获得稳定可重复产生的纳米颗粒，并具有较窄的粒度分布。

技术实现要素：

根据权利要求1，通过提供通过碰撞产生纳米颗粒流体，特别是纳米颗粒的流体反应器，该技术问题得以解决。

特别是，通过具有围成碰撞室的壳体的流体反应器。第一流体喷嘴向所述碰撞室内突出，第二流体喷嘴和第一流体喷嘴反向共线设置，第二流体喷嘴和第一流体喷嘴在共同的碰撞区域中在喷嘴的喷射方向上直接相对。根据本发明，反应器在壳体上具有布置在第一流体喷嘴的侧面的至少一个冲洗流体入口，该冲洗流体入口通向碰撞室。流体反应器还具有位于第二流体喷嘴的侧面并引出碰撞室的至少一个产物出口。

根据本发明，所提供的流体反应器的特点在于，在第一流体喷嘴的侧面上形成有特殊形状的结构，该结构具有可通过冲洗流体入口施加的冲洗流体(气体或液体)。在本文中，这些结构适用于在碰撞室或至少在碰撞区域中产生沿着第一流体喷嘴的喷射方向运行的、定向的(特别是层流)冲洗流体流，其中，在第一流体喷嘴的侧面上形成有作为平行通道的冲洗流体传导结构。“定向流动”在本文中是指优选的层流分布，其中流体在不混合且不形成涡流的层中流动。雷诺数re作为流速、反应器几何特征长度和粘度的函数在此处不应超过re＝2300。

也即是说，根据本发明在反应器的运行中，即在从第一和第二流体喷嘴喷出的两个自由射流碰撞期间，存在定向的尤其是层流的冲洗流体流，该冲洗流体流原则上沿着平行于自由射流射出的方向延伸，即基本上正交于所得的碰撞盘。于是根据本发明可以实现碰撞盘在其传播中沿冲洗流体的定向净流方向偏转。

这尤其意味着，最初基本上垂直于自由射流的传播方向形成的扁平碰撞盘实际上以蘑菇状偏转，也就是说优选以圆顶或抛物面的形式偏转。在初步的近似算法中，由于该定向的尤其是层流的冲洗流体偏转而形成的碰撞锥的具体形状可以通过来自碰撞区域的纳米颗粒流体的传播速度和定向冲洗流体的轮廓的矢量加法给出。

这样即可利于碰撞盘的形成的纳米颗粒流体中的颗粒被安全可靠地送离碰撞区域，因此也有利于被安全地送离碰撞的自由射流，而已经形成的颗粒返回碰撞区域或自由射流的可能性显著降低。

人们惊讶地发现该操作和运行方法使得该过程的成果，即纳米颗粒的生成，显著改善，这必然是由于根据本发明的流体反应器的特定结构设计。一方面，纳米颗粒的质量，尤其是粒度分布较少依赖于所选择的操作和工艺参数，从而可以获得更可靠和可再现的纳米颗粒产物。另一方面，人们惊讶地发现与可以通过已知方法生产的纳米颗粒相比，这显著改善了可用纳米颗粒的粒度分布，即缩小了纳米颗粒。

具体实施方式

在本发明的上下文中，“共线”指的不仅是0°(方向相同)或180°(方向相反)的角度，还包括实际中一些可见的与该相互作用角的偏差。本文中术语“共线”倾向于包括-10°至+10°，即170°至190°的相互作用角。

在本发明的上下文中，“共线”不仅意味着两个相互作用的射流或喷嘴对准或位于同一轴线，实际上还包括在射流或喷嘴轴线两侧的可能的位移偏差。理想情况下两条射流应100％重叠，即两侧射流或者喷嘴轴线对齐。但是术语“共线”还包括重叠率50％及以上、70％及以上。此重叠程度还取决于从喷嘴出来的自由射流的射流轮廓。本领域技术人员已知悉其中的关系。

在下文中将描述根据本发明的流体反应器的特定实施方式，其有利于根据本发明的反应器的操作，并且特别适合于防止形成的纳米颗粒回弹至碰撞区域中以及在自由射流中的。

在优选的实施例中，在流体反应器的碰撞室中，至少在第二流体喷嘴的侧面上设置有结构化的挡板壁，在定向的尤其是层状的冲洗流的影响下，碰撞盘可以偏转到该挡板壁上。该结构化的挡板壁设计使得撞击颗粒的动量从形成的纳米颗粒流体中散射和/或减弱，从而特别地防止了颗粒弹性回弹到碰撞室中甚至碰撞区域或自由射流。为此挡板壁优选地构造成可以使弹跳的液滴破裂。优选使用开孔或海绵状结构，优选烧结结构，金属，玻璃或陶瓷泡沫或熔块。

在优选的实施例中，流体反应器中设有结构化的脊或类似结构的冲洗流体引导结构，以形成定向的，特别是层流的，并且特别是和从喷嘴射出的自由射流的流动方向平行的冲洗射流，抑制引入碰撞区域的冲洗流体的震动并引导冲洗流体。在优选的变型中，这些结构也可设计成平行通道或凹槽。这些结构优选围绕第一流体喷嘴同心布置。在优选的实施例中，这些通道通向第一流体喷嘴的顶端附近的碰撞区域，第一介质的自由射流在该碰撞区域中射出，从而可以在碰撞区域中形成冲洗流体的定向尤其是层流流束。

在一种优选的变型中，作为冲洗流体引导结构至少应在壳体上的第一流体喷嘴的头部的区域中，特别是在碰撞室的壁上设置有突起，突起在碰撞室内形成第一流体引导空间，第一流体引导空间围绕第一流体喷嘴的中心同心设置，尤其是锥形的。可以设想，在优选的形成的流体引导空间中，被引导的冲洗流体的定向流直接被引导至来自第一流体喷嘴的第一介质自由射流的出口。因此，实现了冲洗流体紧贴着沿第一流体喷嘴的轴并在第一流体喷嘴的尖端处流动，并且同轴地围绕那里的第一介质的自由射流。不受理论的束缚，因此出现的自由射流根据文丘里喷嘴的原理夹带冲洗流体流，使其加速并直接在垂直于所产生的碰撞盘的自由射流方向上发生偏转，通过冲洗介质，碰撞盘可以直接转至垂直于其的传播方向。

在另一个优选的实施例中，在第二流体喷嘴的头部的区域内，特别是在碰撞室的壁上也形成有突起，在第二流体喷嘴的头部的区域在碰撞室内形成第二流体引导空间，第二流体引导空间围绕第二流体喷嘴同心设置并优选是锥形的。第二流体引导空间的尺寸跟随通过冲洗介质偏转的碰撞盘。此处特别注意，由于第二流体引导空间在偏转的碰撞盘的传播方向上慢慢变大，从而很有可能使得形成的和流动的纳米颗粒流体的压力和速度降低。该措施还防止了来自所形成的纳米颗粒流体的颗粒回到其形成点，即碰撞区域甚至自由射流。

通过这些措施实现或支持的是，根据本发明的碰撞盘偏转冲洗流体基本上垂直于碰撞盘撞击碰撞区域，因此沿着碰撞盘的传播方向，即沿着在碰撞区域中形成的纳米颗粒流体的流动方向，定向为沿着冲洗流体的流动方向。这意味着所形成的纳米颗粒流体的流动方向在冲洗流体的流动方向上枢转，使得根据本发明它们最终平行运动，从而冲洗流体直接帮助形成的纳米颗粒从反应器中移除。前述结构的尺寸优选设置为调整到合适的运行参数以达到可使碰撞盘发生连续偏转的压力和流动条件。这尤其意味着，根据本发明偏转并变形为碰撞锥的碰撞盘在纵向截面中的曲线具有严格单调递减的描述函数。这意味着在偏转的碰撞盘中任何位置形成的纳米颗粒都不会逆着其主净流方向流动，甚至不会流向自由射流或碰撞区域。

喷嘴的直径优选为50至500μm，特别是100至500μm，优选200至400μm，在特定的变型中为约300μm。

本发明还涉及一种用于生产纳米颗粒流体的方法，即来自溶解在溶剂中的组分或组分混合物中的纳米颗粒。该方法包括将第一流体介质，即其中溶解将要形成纳米颗粒的组分的介质，通过第一液体喷嘴加压并高速流出。该方法还包括将第二流体介质通过第二流体喷嘴加压，第二流体介质包含用于沉淀第一流体介质中溶解的组分的沉淀剂。第二流体喷嘴与第一流体喷嘴共线设置，但方向相反，第一流体喷嘴和第二流体喷嘴直接相对，以这样的方式，在方法步骤中，第一和第二流体介质的自由射流在共同的碰撞区域中以非常高的速度发生碰撞，使得溶解在第一流体介质中的组分被沉淀剂沉淀，特别是在同时形成从垂直于喷嘴喷射方向的碰撞点延伸的碰撞盘，该碰撞盘包括作为纳米颗粒流体的沉淀组分。根据本发明，该方法的特点在于，产生了基本上平行于喷嘴的喷射方向或自由射流的定向冲洗流体流，从而使形成的碰撞盘被冲洗流体流偏转至垂直于其主要传播方向并形成了碰撞锥。

优选地，该方法使用本文所述的特别设计的流体反应器。

优选设置为冲洗流体流在喷嘴的喷射方向上或自由射流的方向上输送形成的纳米颗粒流体。优选设置为冲洗流体将纳米颗粒流体输送至流体空间中，该流体空间可以避免或防止形成的颗粒回弹至碰撞区域。该流体腔优选形成为膨胀空间。

可选地或附加地，优选设置为冲洗流体流在喷嘴的喷射方向上将形成的纳米颗粒流体输送出碰撞区域并偏转至结构化的挡板壁，如此可以避免或防止在碰撞区域中形成的颗粒回弹。

特别是结合所使用的流体反应器的尺寸，该方法优选设置为冲洗流体流的体积流量和可选的密度与第一和第二流体介质的体积流量和可选的密度相适配，从而建立体积流量的连续流动平衡，形成可以防止在碰撞区域或自由射流中形成的介质或颗粒回流的几何形状。

在液体喷嘴处的流体体积流量优选为100至1000ml/min，尤其是125至500ml/min，优选为200至300ml/min，在特定变型中为约250ml/min。喷嘴直径优选地约为300μm。

冲洗流体的气体体积流量优选为1至20l/min，尤其是1至10l/min，优选为3至8l/min，在特定的变型中为约5l/min。

优选设置为该方法使用冲洗流体，该冲洗流体是惰性气体或惰性气体混合物。在可选的实施例中，冲洗流体是液体。该液体的密度应当小于用于颗粒的碰撞和沉淀的第一和第二流体介质，更加优选地是比含有要沉淀的组分的第一流体介质的密度低。

在以下实例中，将对本发明进行更详细的解释，但不限于：

图1以根据本发明的流体反应器的示意性截面图示出了功能原理的示意图。反应器在图示中以两部分示出，其中与第一喷嘴10相关联的第一壳体部分36借助凸缘39与第二壳体部分38密封连接，第二壳体部分38与第二喷嘴20相关联。在这种情况下，封闭在壳体30中的碰撞室40具有两个反向且共线布置的液体喷嘴10,20，使得它们在共同的碰撞区域50中彼此直接相对，从而使一边从喷嘴头11出来，另一边从喷嘴头21出来的自由射流碰撞。根据本发明，至少在第一喷嘴10的区域中设有流体引导结构44。此结构使得被引入到冲洗流体入口32中的冲洗流体因流体引导结构44偏转，使得冲洗流体的定向流至少在碰撞区域50的区域中沿着流体喷嘴10,20的流动方向形成。冲洗流体可以和在碰撞区域50中形成的纳米颗粒流体一起通过出口34从碰撞室40移出。在所示的实际例中，在碰撞室内，至少在与第二喷嘴20相关联的区域中另外设置有结构化的挡板壁46。

图2a示出了处于打开状态的图1的实施方式。图2c示出了处于关闭状态的根据图1的反应器的外部视图。图2b示出了根据图1的流体反应器的运行状态的示意图，其中在流体反应器中形成的定向气流55使得在喷嘴之间的碰撞区域50中形成的碰撞盘52在第一喷嘴的流动方向上偏转，使得碰撞盘52中的纳米颗粒流体碰到挡板壁46，并最终可以与冲洗流体一起经由出口34排出流体反应器。碰撞区域50位于两个壳体半部32,34之间的凸缘39的平面下方。碰撞盘52在凸缘39下方的反应器中形成。以这种方式，可以避免凸缘上的沉淀，并且使凸缘密封处的纳米颗粒流体的污染风险最小化。

图3a示出了根据本发明的流体反应器的优选实施方式的横截面。选择了三件式设计，其中，与第一喷嘴10相关联的上壳体部分36与下壳体部分38在碰撞区域的区域中通过垫圈37密封连接，下壳体部分38与第二喷嘴20相关联。在所示的实例中，喷嘴10、20的喷嘴主体分别安装到壳体部分36、38中。

第一喷嘴10可以通过入口12连接到高压泵。喷嘴20可通过入口22与第二高压泵连接。在壳体部分36中设置至少一个用于冲洗介质的入口32。在壳体部分38中设置至少一个出口34，用于形成的纳米颗粒流体和冲洗流体。图3b示出了在剖面线a的区域中通过图3a的壳体部分36的横截面。在壳体30的壁内安装喷嘴10，喷嘴形成通道44的轴与壳体壁平行并围绕喷嘴同心设置，这些通道44作为导流结构，使得冲洗流体沿着喷嘴10朝着尖端11定向流动。

图3c在碰撞区域50的区域中示出了根据图3a的实施例的细节。在第一喷嘴的尖端11处，导流通道44通向流体引导空间17，该空间由第一喷嘴的尖端和壳体壁的突起15在碰撞区域50下方的流动方向上形成。第二喷嘴的尖端21与壳体的突起25一起形成第二流体引导空间27，该第二流体引导空间27接收在碰撞区域50处形成的纳米颗粒流体，并将其与流过的冲洗流体一起引出。

图4a至图4d示出了根据本发明的流体反应器的另一优选实例的示意性纵向截面图和侧视图。图4a示出了截面图，图4c示出了相应取向的外观图。图4d示出了根据图4a的实施例的剖视图，其中剖切平面垂直于该剖视图。图4b示出了相应实施例的相关外部视图。