РЕАКТОР ГИДРОТЕРМАЛЬНОГО СИНТЕЗА

Полезная модель относится к устройствам для получения нанодисперсных оксидов металлов гидротермальным синтезом, а именно - к реакторам для проведения золь-гель синтеза с использованием микроволнового излучения.
Гидротермальный синтез - это метод получения различных химических соединений и материалов с использованием физико-химических процессов в закрытых системах, протекающих в водных растворах при температурах свыше 100°С и давлениях выше 1 атм. [Гидротермальные процессы // Химическая энциклопедия. Т.1. - М.: Советская энциклопедия, 1988. - С.567].
Однако установлено, что эти процессы могут проходить в более мягких условиях при использовании микроволнового излучения.
Известно микроволнововой гидротермальный способ получение наноструктурного оксида цинка ZnO [J.Huang et al. / Materials Science and Engineering В 150 (2008) 187-193. См. Приложение]. Из описания этого способа и из рисунков, отражающих процесс его реализации, известен соответствующий реактор гидротермального синтеза, образованный объемным микроволновым излучателем, выполненным, например, в виде микроволновой печи, и располагаемой в нем с возможностью извлечения цилиндрической емкостью, имеющей вид автоклава. При этом автоклав расположен вертикально внутри микроволновой печи и выполнен из материала пропускающего микроволновое излучение. Внутрь автоклава загружают реагенты для синтеза. Автоклав снабжен датчиком температуры и давления (см. fig. 1 Приложения).
Известный реактор гидротермального синтеза выбирается в качестве прототипа, поскольку он содержит наибольшее число существенных признаков, совпадающих с заявляемым техническим решением.
Однако прототип обладает недостатком, а именно - низкой производительностью, поскольку он не предназначен для реализации непрерывного гидротермального синтеза, так как в процессе синтеза производят соответствующие остановки процесса, когда цилиндрическую емкость извлекают из объемного микроволнового излучателя для загрузки в нее реагентов или для выгрузки из нее готового продукта.
Задача, на решение которой направлена настоящая полезная модель, заключается в разработке нового реактора гидротермального синтеза, обеспечивающего достижение следующего технического результата: повышение производительности реактора за счет возможности осуществить непрерывный гидротермальный синтез.
Поставленная задача и достижение технического результата обеспечивается за счет того, что в отличие от известного реактора гидротермального синтеза, состоящего из цилиндрической емкости, помещенной в объемный микроволновый излучатель и снабженной датчиком температуры, согласно заявляемой полезной модели, цилиндрическая емкость расположена в объемном микроволновом излучателе горизонтально таким образом, что ее торцы выведены за пределы объемного микроволнового излучателя, при этом один ее торец снабжен устройством для непрерывного ввода жидкой реакционной смеси реагентов, а противоположный ее торец - устройством для вывода продукта, причем цилиндрическая емкость оборудована средством перемещения компонентов и устройством для отвода газов, образовавшихся в процессе гидротермального синтеза.
Таким образом, имеет место непрерывный гидротермальный синтез, благодаря тому, что с помощью оборудования цилиндрической емкости реактора средством перемещения компонентов, выполненного в виде шнека с приводом, обеспечено непрерывное перемешивание и перемещение как жидкой реакционной смеси реагентов, так и готового продукта внутри цилиндрической емкости от одного ее торца к противоположному, осуществляя, по сути, проточный режим, с помощью которого и повышается производительность заявляемого реактора. А выведение торцов цилиндрической емкости за пределы объемного микроволнового излучателя позволяет избежать наведения паразитных токов в электропроводящих элементах конструкции.
Кроме того, гидротермальный синтез в заявляемом реакторе проводят под атмосферным давлением, поэтому нет необходимости добиваться герметичности цилиндрической емкости реактора, и, следовательно, упрощается его конструкция.
Техническая сущность и практическая применимость заявляемой полезной модели поясняется чертежом и нижеследующим описанием.
На фиг. представлен реактор гидротермального синтеза, где:
1 - цилиндрическая емкость;
2 - объемный микроволновый излучатель;
3 - устройство для непрерывного ввода жидкой реакционной смеси реагентов;
4 - устройство для вывода продукта;
5 - средство перемешивания компонентов;
6 - шнек;
7 - привод;
8 - датчик температуры;
9 - устройство для отвода газов.
Реактор гидротермального синтеза (Фиг.) состоит из цилиндрической емкости 1, помещенной в объемный микроволновый излучатель 2 и расположенной в нем горизонтально таким образом, что ее торцы (на чертеже показано условно) выведены за пределы объемного микроволнового излучателя 2. При этом один торец цилиндрической емкости 1 снабжен устройством 3 для непрерывного ввода жидкой реакционной смеси реагентов, а противоположный торец цилиндрической емкости 1 снабжен устройством 4 для вывода продукта.
Цилиндрическая емкость 1 вдоль своей оси оборудована средством перемещения компонентов 5, образованным из шнека 6 с приводом 7. Горизонтальная ось шнека 6 совпадает с горизонтальной осью цилиндрической емкости 1. Шнек 6 предназначен для непрерывного перемешивания и перемещения как жидкой реакционной смеси реагентов, так и готового продукта внутри цилиндрической емкости 1 от одного ее торца к противоположному.
Реактор гидротермального синтеза оборудован датчиком 8 температуры и устройством 9 для отвода газов, образовавшихся в процессе гидротермального синтеза.
Устройство 3 для непрерывного ввода жидкой реакционной смеси реагентов может быть снабжено запорным устройством (на чертеже не показано), например, клапаном.
Цилиндрическая емкость 1 может быть изготовлена из материала, проводящего микроволновое излучение и имеющего низкий уровень диэлектрических потерь (например, фторопласт - 4).
В качестве объемного микроволнового излучателя 2 может быть применена, например, микроволновая печь, снабженная СВЧ-генератором (на чертеже показано условно).
Реактор гидротермального синтеза может быть снабжен блоком управления (на чертеже не показано), обеспечивающим управление работой всех элементов заявляемого реактора.
Реактор гидротермального синтеза работает следующим образом.
Жидкую реакционную смесь реагентов через устройство 3 для непрерывного ввода жидкой реакционной смеси реагентов подают в цилиндрическую емкость 1, затем с помощью шнека 6 ее перемещают в микроволновое поле, создаваемое объемным микроволновым излучателем 2. Скорость вращения шнека 6 предварительно рассчитывают таким образом, чтобы обеспечить прохождение жидкой реакционной смеси реагентов по всей цилиндрической емкости 1 в течение заданного времени. Скорость и время вращения шнека 6 регулируют с помощью привода 7. Проходя через реактор гидротермального синтеза, реагенты, взаимодействуя в течении в среднем 10-15 минут под действием микроволнового излучения мощностью в среднем 700-800 Ватт от объемного микроволнового излучателя 2, образуют готовый продукт - нанодисперсные оксиды металлов, которые выводят через устройство 4 для вывода продукта.
Время гидротермального синтеза определяется условиями прохождения реакции. Мощность излучения выбирается достаточной для разогрева жидкой реакционной смеси реагентов до температуры начала реакции.
В процессе гидротермального синтеза с помощью датчика 8 температуры постоянно контролируют температурный режим.
Пары, образовавшиеся во время гидротермального синтеза, удаляются через устройство 9 для отвода газов.
Таким образом, заявляемая полезная модель позволяет повысить производительность реактора гидротермального синтеза за счет возможности осуществить непрерывный гидротермальный синтез.