混合反应器及相关的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及使流体流能够有效混合的混合反应器。更特别地，一种流股可以是加热的、加压的或者是超临界流体，而另一种是更致密的流体。更优选地，一种流股可以是超临界水(SCH2O),并且另一种是含有金属的溶液，如金属盐水溶液。最优选地，本发明可以用于金属或金属氧化物的纳米颗粒在高温水中连续合成而不堵塞管道系统并且控制颗粒的尺寸和形状的程度高。反应器和方法的特别适合的用途是制备纳米颗粒。
【背景技术】
[0002]具有纳米级尺寸的金属和金属氧化物颗粒具有广泛的用途，包括(但不限于)催化剂、颜料、抛光剂、紫外吸收剂，以及在陶瓷和电池中的用途。熟知的是通过金属盐水溶液与加热的、加压的或超临界水的化学反应可以形成这类颗粒。原则上，这种方法在成本和可行性方面具有超过制备纳米颗粒的其他方法的明显的优势，因为它允许反应作为连续工艺进行。
[0003]在EP1713569中描述了适合用于制备纳米颗粒(例如，具有小于100nm、50nm或小于10nm、5nm或Inm的平均、中位、峰直径的颗粒)的一种混合反应器。该反应器是逆流设计，其中，过热流体往向下的方向引入至前体流体，如向上流动的金属盐水溶液。这种方法确保了良好的混合，并已经证明可以制备一致的、均匀的纳米颗粒，而不会阻塞。
[0004]在W02011/148131中公开了另一种方法，其中，描述了顺流混合器，，其中，将前体流体从两个相对的水平导管引入至向上的流体导管。过热流体以向上的方向引入至向上的流体导管，导致下游顺流混合。经由流体导管引入过热流体，该流体导管通过含有前体流体的流体导管向上延伸。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供用于制备纳米颗粒的改进的混合反应器和相关的方法，或者对于现有技术的反应器和方法至少提供有用的替代。
[0006]根据本发明的第一方面，提供了通过混合前体流体与比前体流体温度更高的第二流体用于沉淀纳米颗粒的混合反应器，其中，反应器包括:具有配置为接收前体流体的流的入口区域和配置为输出混合流体的出口区域的第一流体导管；以及配置为接收第二流体的流的第二流体导管，第二流体导管以基本垂直于第一流体导管内的流的方向延伸至第一流体导管，并且具有用于将第二流体引入至第一流体导管的开口。
[0007]本申请人已经确定，在某些情况下，重要的是在前体流体与第二流体混合之前，避免前体流体的显著的预加热。这种预加热可以导致颗粒的沉淀，不利地影响制备的颗粒的质量，并且可以导致栗送问题。在W02011/148131的布置中，第二流体经由流体导管引入，该流体导管以平行于前体流体流动的方向延伸穿过前体流体。这导致前体和第二流体之间的热交换，加热前体，并且冷却第二流体。
[0008]本发明通过垂直于前体流体的流动方向的第二流体导管引入第二流体克服了该限制。因此在混合位置之前对于第二流体不存在、或存在有限的机会与前体流体进行热交换。第二流体导管延伸进入第一流体导管导致第二流体引入为远离第一流体导管的侧壁以确保良好的混合。
[0009]入口区域可以与出口区域基本同轴。
[0010]混合反应器可以配置为使得入口区域和出口区域二者中的流体是向上的、基本垂直的方向。
[0011 ] 入口区域可以具有用于接收前体液体的单个入口端口。
[0012]W02011/148131的布置使用进入入口区域的两个入口端口。这会导致问题。如果通过两个入口端口的流不相等，这类问题可以与振荡流体混合区和/或不对称混合相关，从而导致通过流体流在不同的位置的不同的混合环境的倾向。本申请人已发现，对于前体流体具有多个入口端口的布置倾向于导致某种形式的不均匀的流或从一侧振荡流动到另一侧，这不利地影响产品的质量。
[0013]第二流体导管中的开口可以朝向通过第一导管的流的方向。
[0014]开口可以朝向基本垂直于通过第一导管的流的方向。
[0015]第一导管可以具有基本均匀的横截面，低于第二流体导管连接的点，或者高于该点，或者从低于该点的区域穿过至高于该点的区域。
[0016]第一导管可以包括适于填充第一导管中的凹部的成形件(former)，因此成形件从其上方的开口的点以下至少部分地限定了第一导管的均匀的横截面。
[0017]第二流体导管可以穿过第一流体导管的整个宽度延伸。
[0018]第二流体导管可以延伸通过第一流体导管，并且被配置成使第二流体从第二流体导管的两侧朝开口流过。
[0019]这种布置可以是特别合适的，其中，第二流体是过热流体，因为这种流体的低表面张力和粘度将降低平衡流体和流体震荡的任何问题。当平衡正常液体/液体时，由于流体动力学和正排量栗的特性，在W02011/148131布置中的这种尝试是难以处理和难以实现的，其对于超临界流体则更容易。
[0020]开口可以将第二流体直接引入第一流体导管的中心流动区域，其可以是圆柱形管。
[0021]开口可以通过第二流体导管的侧壁限定。
[0022]第二流体导管可以包括多个开口。
[0023]开口可以沿着第二流体导管轴向间隔开。
[0024]开口可以围绕第二流体导管周向间隔，例如第二导管的横向侧向(径向)，或匹配第二导管的上侧开口对称地设置。
[0025]反应器可以包括具有两个相对的端口和第三侧端口的T形件，其中，第一流体导管包括两个相对的端口之间的区域，并且第二流体导管经由侧端口引入。
[0026]反应器可以包括具有第一对相对端口和第二对相对端口的四通管，第一对相对第二对是90度，其中，第一流体导管包括第一对端口之间的区域中，以及第二流体导管通过第二对端口引入。
[0027]第二导管的轮廓可以调整为改善第二导管下游的混合。
[0028]第二导管的轮廓可以由连接至其的成形件或流体流动控制器来调整。
[0029]成形件远离第二流体导管逐渐变窄，使得其在上游方向更窄。
[0030]成形件可以在垂直于通过第一导管的流的方向延伸第二导管的轮廓。成形件可以具有弯曲的横截面轮廓。
[0031]在出口区域或围绕出口区域可以设置加热器或冷却器以控制混合流体的温度。
[0032]可以围绕第二导管设置加热器以供热至第二流体。
[0033]入口区域可以包括加热器或冷却器以控制前体流体的温度。
[0034]混合反应器可以进一步包括用于接收第三流体的在出口区域中的入口端口。
[0035]入口端口可以被配置为接收淬灭流体(骤冷流体，quenching fluid)。
[0036]第二流体可以包括过热水。
[0037]前体流体可以包括金属盐。
[0038]根据本发明的第二方面，提供了用于制备纳米颗粒的方法，通过以下进行:使前体流体经由第一流体导管流入至混合反应器中，将第二流体经由以基本垂直于第一流体导管中的流的方向延伸至第一流体导管的第二流体导管引入至第一流体导管的第一流体中。
[0039]混合反应器可以是根据本发明的第一方面的混合反应器。
[0040]纳米颗粒可以包括金属和/或金属氧化物。
【附图说明】
[0041]本发明现在将参考以下附图通过举例的方式进行描述，其中:
[0042]图1是根据本发明实施方式的混合反应器的示意性剖面图。
[0043]图2是根据一种实施方式的在第一流体导管中具有成形件的混合反应器的示意性剖面图；
[0044]图3是示出了其中第二流体导管具有多个周向排列的开口的实施方式的流的示意性剖面图。
[0045]图4是示出了来自具有多个轴向排列的开口的第二流体导管的流示意剖面图。
[0046]图5是示出了来自全部穿过第一流体导管，开口位于第一流体导管截面的中央的第二流体导管开口的流的示意性剖面图；
[0047]图6示意性地示出了围绕图5的流体导管的流；
[0048]图7是本发明的进一步的实施方式的剖面图，其中，第二流体导管延伸穿过第一流体导管，并且配置为使得第二流体从两个相对的方向朝开口流动；
[0049]图8是围绕具有与其连接的成形件，以便改变第二流体导管的轮廓以改善下游混合的第二流体导管的流的示意图；
[0050]图9是围绕具有连接至其的替代的成形件的第二流体导管的流的示意图；
[0051]图10是示出了通过根据本发明的一种实施方式的方法获得的纳米颗粒的分散的悬液图；
[0052]图11是示出了沉淀之后图11的悬液图；以及
[0053]图12是根据本发明的一种实施方式的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0054]参照图1，示出了混合反应器1，包括:第一流体导管I和第二流体导管2。在许多实施方式中，导管I和导管2是圆柱形管，可以为钢质。
[0055]第一流体导管I包括用于接收前体流体11的流的入口区域3，和用于输出混合流31的出口区域4，本实施方式中的