CN115178200A - 一种激光加热微反应器及加热方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微反应器技术领域,公开了一种激光加热微反应器及加热方法,包括基体,基体内具有微通道,基体两侧分别具有流体入口和流体出口,微通道与流体入口和流体出口相连,流体通过流体入口进入微通道,通过流体出口流出,基体由透明陶瓷材料制成,微反应器包括激光加热***,激光加热***包括激光器,激光器发射激光到微反应器内,对加热位点的流体进行加热,加热位点为中空球形结构。激光直接作用在微通道上的加热位点对微通道内的流体进行加热或激光器发射的激光激发透明陶瓷微反应器基体,基体中掺杂的稀土离子或过渡金属离子吸收激光后产生热量,通过热传导对微通道内加热位点的流体进行加热。本发明具有加热精准、快速,耐高温的优点。
Description
技术领域
本发明属于微反应器技术领域,尤其涉及一种激光加热微反应器及加热方法。
背景技术
微反应器具有丰富的微米尺寸通道,其应用于化工合成,具有设备微型化,过程集成化、安全性高、生产灵活的特点。目前微反应器的材质主要有玻璃、碳化硅陶瓷和不锈钢,玻璃具有良好的透明性但是其耐腐蚀性能较差,碳化硅陶瓷具有强耐腐蚀性能但是其不具有透明性,无法全方位的观察反应过程,不锈钢材料不透明且耐腐蚀性能差。综上,现有的微反应器基材不能承受1000℃以上高温,对于例如化工合成纳米材料等工艺无法实现高温精准加热。
发明内容
本发明目的在于提供一种激光加热微反应器及加热方法,以解决上述的技术问题。
为解决上述技术问题,本发明的一种激光加热微反应器及加热方法的具体技术方案如下:
一种激光加热微反应器,包括基体,基体内具有微通道,基体两侧分别具有流体入口和流体出口,微通道与流体入口和流体出口相连,流体通过流体入口进入微通道,通过流体出口流出,所述基体由透明陶瓷材料制成,所述微反应器包括激光加热***,所述激光加热***包括激光器,所述激光器发射激光到微反应器内,对加热位点的流体进行加热,所述加热位点为中空球形结构。
进一步的,所述中空球形结构的直径为微通道平均管径的2-5倍。
进一步的,所述激光器发射激光直接作用在微通道上的加热位点对微通道内的流体进行加热。
进一步的,所述激光器发射的激光激发透明陶瓷微反应器基体,基体中掺杂的稀土离子或过渡金属离子吸收激光后产生热量,通过热传导对微通道内加热位点的流体进行加热。
进一步的,所述透明陶瓷材料为钇铝石榴石、钇镓石榴石、铽铝石榴石、铽镓石榴石、镁铝尖晶石、氧化铝、氧化钇、氧化镓陶瓷中的一种或两种。
进一步的,所述激光器位置可调。
一种激光加热微反应器的激光加热方法,包括如下步骤:
步骤1:选取钇铝石榴石、钇镓石榴石、铽铝石榴石、铽镓石榴石、镁铝尖晶石、氧化铝、氧化钇、氧化镓陶瓷中的一种或两种,作为微反应器的基体材料,制备微反应器;
步骤2:激光器采用980nm的150mW半导体激光器;
步骤3:激光被微通道内加热位点处的流体所吸收,直接加热流体。
一种激光加热微反应器的激光加热方法,包括如下步骤:
步骤1:选取钇铝石榴石、钇镓石榴石、铽铝石榴石、铽镓石榴石、镁铝尖晶石、氧化铝、氧化钇、氧化镓陶瓷中的一种或两种,并在选取的陶瓷材料内部掺杂铈离子,作为微反应器的基体材料,制备铈掺杂微反应器;
步骤2:激光器采用450nm的150mW半导体激光器;
步骤3:铈掺杂镥铝石榴石微反应器吸收450nm的激光,并将450nm的激光转换为530nm的荧光,同时转换过程中的能量亏损以热能形式释放并以最短路径传导至加热位点,530nm荧光与热能传导路径一致到达加热位点,被流体所吸收,光能转换为热能,实现加热。
本发明的一种激光加热微反应器及加热方法具有以下优点:
1)本发明的激光加热微反应器,采用透明陶瓷作为微反应器的基体材料,透明陶瓷具有高的透过率以及耐腐蚀性能好,可满足高温高压以及腐蚀条件下的纳米材料化工合成。
2)本发明的激光加热微反应器的激光加热方法可实现对微反应器内流体的瞬间升温以及加热温度可达1000℃以上,同时光斑小的激光可实现对微反应器内特定流体精准控温。
3)本发明的激光加热微反应器用于化工合成,其原料用量少,成本低,安全性能高,可用于模拟有毒有害物质的化工合成过程。
附图说明
图1为本发明的激光加热微反应器结构示意图;
图2为本发明的激光加热微反应器的微通道中空球形结构示意图;
图中标记说明:11、流体入口;12、透明陶瓷基体;13、微通道;14、流体出口;15、激光器;16、加热位点;17、激光。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能,下面结合附图,对本发明一种激光加热微反应器及加热方法做进一步详细的描述。
如图1所示,本发明的一种激光加热微反应器,包括基体12,基体12由透明陶瓷材料制成,透明陶瓷材料为钇铝石榴石、钇镓石榴石、铽铝石榴石、铽镓石榴石、镁铝尖晶石、氧化铝、氧化钇、氧化镓等陶瓷中的一种或两种。基体12内具有微通道13,基体12两侧分别具有流体入口11和流体出口14,微通道13与流体入口11和流体出口14相连,流体通过流体入口11进入微通道13,通过流体出口14流出。本发明的激光加热微反应器搭载激光加热***,激光加热***包括激光器15,透明陶瓷基体不吸收可见光与近红外光,激光器15发射激光17直接作用在微通道13上的加热位点16对微反应器的特定位置进行精准加热,实现瞬间升温。激光器15位置可调,可实现对于微反应器中的微通道13的不同位置进行加热。本发明的激光加热反应器整体为透明,可从任意角度全方位观察反应物的合成过程。且透明陶瓷基体具有高的热导率以及抗热冲击性能,耐酸碱腐蚀,耐冷热循环,可承受温度范围为-40℃—1500℃。可应用于高温高压条件下的纳米材料合成,微反应器在制备纳米材料时可采用超声振动,防止纳米材料黏附在微反应器通道上,堵塞反应通道。使用完可通过酸碱或丙酮浸泡与超声清洗以及高温灼烧等方法进行回收清洁与再利用。
本发明激光加热方法具有两种加热模式:第一、激光透过透明陶瓷微反应器基体直接作用于微反应器的微通道内流体,流体吸收激光后实现加热;第二、激光激发透明陶瓷微反应器基体,基体中掺杂的稀土离子或过渡金属离子吸收激光后产生热量,热传导加热微通道内特定位置的流体。激光激发加热过程中,两种加热模式可选择一种或者两种加热模式组合使用。
下面通过实施例介绍本发明的微流控激光加热方法。
实施例1:
步骤1:采用钇铝石榴石透明陶瓷作为微反应器基体材料,制备钇铝石榴石微反应器;
步骤2:激光器15采用980nm的150mW半导体激光器;
步骤3:因钇铝石榴石透明陶瓷不吸收980nm的激光,激光16被微通道13内加热位点16处的流体所吸收,直接加热流体。因微通道13内加热位点16的流体气化会产生瞬时压力,为了流体气化产生的瞬时压力与微通道13可承受压力值进行匹配,如图2所示,我们将微通道13的光加热位点16设计为中空球形结构,中空球形结构使得加热流体气化过程中能够有效泄压,保障微反应器的压力安全。经计算,中空球形结构的直径为微通道13平均管径的2-5倍。
实施例2:
步骤1:采用铈掺杂镥铝石榴石透明陶瓷作为微反应器基体材料,制备铈掺杂镥铝石榴石微反应器;
步骤2:激光器15采用450nm的150mW半导体激光器;
步骤3:因流体不吸收450nm激光,而铈掺杂镥铝石榴石微反应器吸收450nm的激光,并将450nm的激光转换为530nm的荧光,同时转换过程中的能量亏损以热能形式释放并以最短路径传导至加热位点16,530nm荧光与热能传导路径一致到达加热位点16,被流体所吸收,光能转换为热能,实现加热。为了流体气化产生的瞬时压力与微通道13可承受压力值进行匹配,微通道内中空球形结构的设计与实施例1相同。
本发明可以根据实际需要灵活选择透明陶瓷基体材料,选择不同的激光加热方式,应用于不同的微流控合成工艺,具有加热精准、快速,耐高温的优点。
可以理解,本发明是通过一些实施例进行描述的,本领域技术人员知悉的,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外,在本发明的教导下,可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此,本发明不受此处所公开的具体实施例的限制,所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (8)
1.一种激光加热微反应器,包括基体(12),基体(12)内具有微通道(13),基体(12)两侧分别具有流体入口(11)和流体出口(14),微通道(13)与流体入口(11)和流体出口(14)相连,流体通过流体入口(11)进入微通道(13),通过流体出口(14)流出,其特征在于,所述基体(12)由透明陶瓷材料制成,所述微反应器包括激光加热***,所述激光加热***包括激光器(15),所述激光器(15)发射激光(17)到微反应器内,对加热位点(16)的流体进行加热,所述加热位点(16)为中空球形结构。
2.根据权利要求1所述的激光加热微反应器,其特征在于,所述中空球形结构的直径为微通道(13)平均管径的2-5倍。
3.根据权利要求1所述的激光加热微反应器,其特征在于,所述激光器(15)发射激光(17)直接作用在微通道(13)上的加热位点(16)对微通道(13)内的流体(16)进行加热。
4.根据权利要求1所述的激光加热微反应器,其特征在于,所述激光器(15)发射的激光(17)激发透明陶瓷微反应器基体,基体中掺杂的稀土离子或过渡金属离子吸收激光后产生热量,通过热传导对微通道(13)内加热位点(16)的流体进行加热。
5.根据权利要求1所述的激光加热微反应器,其特征在于,所述透明陶瓷材料为钇铝石榴石、钇镓石榴石、铽铝石榴石、铽镓石榴石、镁铝尖晶石、氧化铝、氧化钇、氧化镓陶瓷中的一种或两种。
6.根据权利要求1所述的激光加热微反应器,其特征在于,所述激光器(15)位置可调。
7.一种权利要求1-6任一项所述的激光加热微反应器的激光加热方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:选取钇铝石榴石、钇镓石榴石、铽铝石榴石、铽镓石榴石、镁铝尖晶石、氧化铝、氧化钇、氧化镓陶瓷中的一种或两种,作为微反应器的基体材料,制备微反应器;
步骤2:激光器(15)采用980nm的150mW半导体激光器;
步骤3:激光(16)被微通道(13)内加热位点(16)处的流体所吸收,直接加热流体。
8.一种权利要求1-6任一项所述的激光加热微反应器的激光加热方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:选取钇铝石榴石、钇镓石榴石、铽铝石榴石、铽镓石榴石、镁铝尖晶石、氧化铝、氧化钇、氧化镓陶瓷中的一种或两种,并在选取的陶瓷材料内部掺杂铈离子,作为微反应器的基体材料,制备铈掺杂微反应器;
步骤2:激光器(15)采用450nm的150mW半导体激光器;
步骤3:铈掺杂微反应器吸收450nm的激光,并将450nm的激光转换为530nm的荧光,同时转换过程中的能量亏损以热能形式释放并以最短路径传导至加热位点(16),530nm荧光与热能传导路径一致到达加热位点(16),被流体所吸收,光能转换为热能,实现加热。
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