一种大功率超声波微反应器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于化工设备、超声装置等领域，涉及一种大功率超声波微反应器结构，具 体地说是一种利用超声振动来防止微反应器堵塞和强化混合传质的大功率超声波微反应 器。
【背景技术】
[0002] 微反应器是指内部结构的特征尺寸在数微米至数毫米尺度(这种内部结构也称为 微通道)的流体设备。相对于传统的大型化工设备，以微反应器为主的微化工设备具有比表 面高、传热传质快、操作安全、易于放大、占地空间小等优点，使微反应器成为最有前景的化 工技术之一。
[0003] 但微反应器技术在开发过程中也呈现出一些新的亟待解决的问题。由于微通道尺 寸小，流动通常处于层流状态且表面张力作用显著，使微通道内多种流体的混合强化比较 困难。目前常用的办法是把微通道设计成弯折、障碍、碰撞等结构，在局部引起涡流或混沌 流来强化混合，这种微反应器的操作区间小、压降比较大。另外，由于微反应器内的微通道 尺寸小，在这些弯折、障碍、碰撞等结构处，通道容易被杂质或者工艺流体堵塞，特别是在处 理含固体或者生成固体或者高粘度流体时。
[0004] 要解决微反应器易堵塞、混合传质强化困难的问题，需要在微反应器内引入外加 能量，以破坏和防止其堵塞，进一步强化其混合传质。由于超声具有穿透性好、能量密度高、 安全可靠等优点，将超声波引入微反应器中，集成为超声波微反应器，是一种非常有效的能 同时解决微反应器堵塞和混合传质强化困难等问题的方法。
[0005] 最简单的将超声波引入微反应器的方法是将微反应器直接放入超声清洗机的 清洗槽的液体中。TomoakiHorie等把微反应器浸泡在超声清洗槽中，用超声振动防止 产物在微反应器管道表面沉积而堵塞（PhotodimerizationofMaleicAnhydridein aMicroreactorWithoutClogging,OrganicProcessResearch&Development2010, 1 4, 405 - 410)。RyanL.Hartman等利用 了类似的方法（OvercomingtheChallengesof SolidBridgingandConstrictionduringPd-CatalyzedC_NBondFormationin Microreactors,OrganicProcessResearch&Development2010, 14, 1347 - 1357) 破坏 固体生成物的团聚和沉积，从而防止堵塞。这种直接把微反应器浸泡在超声清洗槽中的 方法虽然方便，但超声能量传递效率不高，大量的超声能量消耗在清洗槽的液体中，进入 微反应器的超声能量只是超声清洗槽输入总功率的一小部分。另一种常见的超声波微 反应器是将超声压电陶瓷片直接粘贴在微反应器外表面，将超声能量直接传导进入反应 器。例如DavidFernandezRivas等（Sonoluminescenceandsonochemiluminescence fromamicroreactor,UltrasonicsSonochemistry2012, 19, 1252 - 1259)和Tandiono 等（Sonochemistryandsonoluminescenceinmicrofluidics,Proc.Nat.Acad. Sci. 2011，18(15)，5996 - 5998)在文献中报道的超声波微反应器。SimonKuhn等（ATeflon microreactorwithintegratedpiezoelectricactuatortohandlesolidforming reactions,LabChip, 2011，11，2488 - 2492)用两块不锈钢板将压电陶瓷片夹到聚四氟微 反应器的外表面。这种超声波微反应器由于压电陶瓷片抗张强度差，在大功率工作状态下 容易发生破裂，因此能输入的超声功率比较低。在微反应器比较大（比如多通道放大后的微 反应器）或者工艺流体的处理量比较大时，输入的超声强度远远不够防止堵塞或者强化混 合传质。
[0006] 在功率超声领域，夹心式超声换能器由于具有功率大、电声转换效率高、散热好、 压电片不易破裂、设计频率易于调节等优点在超声清洗、超声加工、超声处理、声化学等领 域得到了广泛的应用。一些研究者也将大功率夹心式换能器引入到超声波微反应器。Yasuo Iida等（Bubblemotionsconfinedinamicrospaceobservedwithstroboscopic technique,UltrasonicsSonochemistry2007, 14,621 - 626)将前盖板为变幅杆的夹心 式换能器与微反应器结构，利用硅油将超声从换能器的前盖板传导至微反应器中。这种 超声波微反应器虽然能产生较大的超声功率，但在大功率操作时，传导介质硅油容易被空 化，使超声传递效率大大下降。另外，由于该夹心式换能器的变幅杆的辐射面比较小，超声 波只能传导到微反应器局部较小区域，很难对整个反应器大部分区域同时进行超声强化。 S.Hubner等（UltrasoundandMicrostructures-APromisingCombination,ChemSusCh em2012, 5, 279 - 288)改进了该装置，他们将微反应器和夹心式换能器变幅杆的前端放入一 个装满水的高压釜中，利用高压的水将超声能量从换能器传导进入反应器。由于水在高压 时不易被超声空化，因此该超声波微反应器能量传递效率比较高。但该装置庞大、操作复 杂，同时由于超声在传播进入微反应器时经过了两个液固界面的反射和折射，传递效率仍 然比较低。世界专利W02011023761公开了一种将超声导入微反应器的方法。该方法通过 一个耦合装置将超声从换能器直接传输到与其接触的工艺流体中，并通过工艺流体将超声 能量导入微反应器。由于超声在工艺流体中衰减比较快，该方法主要适合于在局部引入大 功率的超声，特别是在易堵塞区域附近。
[0007] 综上所述，将压电陶瓷片直接粘贴在微反应器外表面的超声波微反应器虽然能量 传递效率高，但输入功率小。利用介质将超声能量从夹心式超声换能器传导至微反应器的 方法虽然输入功率大，但超声能量传递效率低，而且通常只能在微反应器的局部区域进行 超声强化。
【发明内容】
[0008] 为了解决上述问题，本发明提供了一种大功率超声波微反应器。该超声波微反应 器通过如下技术方案组装实现：
[0009] 微反应器通过超声换能器的前辐射面与超声换能器直接刚性连接，使微反应器和 超声换能器作为一个整体振动，振动在垂直于前福射面的方向上形成的超声波波长为微反 应器的上表面到后盖板的后面的距离的两倍。微反应器的上表面为微反应器远离超声换能 器的一侧表面。后盖板的后面为后盖板远离压电陶瓷堆的一侧表面。微反应器的上表面到 后盖板的后面的距离即为超声波微反应器在垂直于前辐射面的方向上的长度。
[0010] 上述的微反应器为板式，其厚度l-70mm，微反应器上表面的等效直径是超声换能 器前辐射面的直径的1. 0-1. 5倍。微反应器上表面的等效直径是指与上表面的面积相等的 圆的直径。
[0011] 所述超声换能器包括依次设置的后盖板、压电陶瓷堆和前盖板。后盖板通常采用 不锈钢、铜、铜钢合金等重金属制成。前盖板采用铝、钛、镁、铝钛合金、钛镁合金、铝镁合金 等轻金属制成。
[0012] 所述超声换能器的前辐射面为前盖板远离压电陶瓷堆的一侧表面，前辐射面的直 径是压电陶瓷堆直径的1.0-2. 0倍。前辐射面的直径比压电陶瓷堆直径大，有利于增大超 声的辐射面，使整个微反应器的大部分面积都能受到超声辐射。但前辐射面直径不能太大， 如果直径太大，即超声的辐射面积太大，会导致微反应器内单位面积的超声强度（即声强） 太小。
[0013] 所述的超声换能器为常用的夹心式换能器，后盖板、压电陶瓷堆和前盖板同轴设 置；其后盖板为圆形金属盖板；压电陶瓷堆是由同轴设置的至少2个圆形压电陶瓷片组成； 前盖板为圆锥台型金属板，且远离压电陶瓷堆的一侧底面、即前辐射面大于靠近压电陶瓷 堆的一侧底面、即换能器前盖板后面。
[0014] 当本发明的超