CN100357018C - 一种反应物质发生快速反应的方法 - Google Patents
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Abstract
一种反应物质在流动中发生快速反应的技术方法及其利用该技术方法制作的反应器，反应物依次通过由文丘里混合反应器，文丘里超声波快速反应器、螺旋反应器和生成物收集器构成的快速反应器实现快速反应：反应物主料从入口1经喷嘴2射入文丘里混合反应器4并将辅料按控制比例从辅料入口3吸入，生成中间体A并进入文丘里快速反应器5，经超声波发生器6发出的超声辐射作用，生成中间体B并射入螺旋反应器7进行快速反应，得到的中间体C水平喷射入收集器8进行反应分离，气体从顶部出口10导出收集或处理，其余生成物从生成物出口11收集，或用回流泵12抽入文丘里混合反应器4继续参与系统反应。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种反应物质在流动中发生快速反应的技术方法及其利用该技术方法制作的反应器。属于化学反应器和生化反应器领域。
二、背景技术。
无论是化学反应还是生化反应都是在反应器中进行的，当前人们对物质反应的研究盛况空前，取得了许多重大的成果，而对反应器的研究甚少。目前广泛使用的反应器，无论是活塞流反应器、平推流反应器还是固定床反应器，几乎都是容器加机械搅拌装置构成，但都存在着效率低、能耗高、反应不彻底，产生污染废物多的不足。
为了提高搅拌效率，进一步改善反应物间传热传质效果，人们又研制出了大量的各式射流反应器和流化床反应器，通过提高搅拌效率来增加反应效率，但仍不能从根本上解决上述问题，其反应过程控制复杂，反应效率仍不理想，与期望的理论值相差较大。
为了提高反应速度，人们把大量的精力放到了如何通过改变反应器的反应温度、压力和使用催化剂的研究和运用上。通过提高温度和压力来提高分子运动速度、增强分子间碰撞，加快反应物质之间传热传质过程，以达到提升反应速度的目的。但是，直接增大反应器的温度和压力的代价是：增大了投资和能耗，增加了反应过程，控制复杂，也增加了对环境有污染的废物排放数量和种类，同时一些不安全的危险因素增加，如高温高压引起的爆炸与泄露等。
三、发明的内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，利用力化学和声化学原理研制一种在无需加温、加压的正常温度和压力条件下，反应物质实现快速反应的技术方法及其利用该技术方法制作的反应器。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种在无需加温、加压的正常温度和压力条件下，反应物实现快速反应的技术方法，其特征是：在没有增加温度和压力的正常温度和压力条件下，反应物依次通过由文丘里混合反应器，文丘里超声波快速反应器，螺旋反应器和生成物收集器构成的快速反应器实现快速反应。
进一步具体实现过程如下：
文丘里混合反应器由主料入口，喷嘴，辅料入口构成。反应物主料从主料入口经喷嘴喷入带有辅料入口的文丘里混合反应器，将辅料按控制比例吸入，反应物各组份在文丘里混合反应器中作强烈冲击、快速振荡和收缩与扩张等运动，由此产生的强大冲击、剪切及伸缩等机械力不仅迅速完成各组份的充分混合，而且快速打破不同组份物质的相界面，发生相转移，分子在高速碰撞下立即发生反应生成中间体A，中间体A经文丘里混合反应器末端进入与之相连的文丘里快速反应器的前收缩段。
文丘里快速反应器由前收缩段、扩张室、带显示装置的超声波发生器和后收缩段构成。中间体A从文丘里混合反应器末端进入文丘里快速反应器的前收缩段，射入扩张室，经压缩、扩张、冲击和振荡，再次产生出强大的冲击、剪切及伸缩等机械力共同作用于中间体A，与此同时中间体A又受到超声波发生器发出的超声辐射作用，产生出大量空化泡。尽管是在没有增加温度和压力的正常温度和压力条件下进行反应，超声空化泡却在极短的纳秒时间内崩溃，并在极小的空间产生上千度的高温和数百大气压，形成特殊的高能微区环境，中间体A的分子键变形、断裂，引起分子离子化，产生自由基，打开更多的化学反应通道并引发一系列化学反应，相应减少反应步骤和过程，同时超声辐射还将产生光、电、冲击波和微射流等物理效应，致使中间体A在高能微区环境中以高传热和高传质速率进行反应，反应速度得到高梯度骤增，反应效率成倍提高。不仅如此，原本应在高温或高压或高温高压下才能得以进行的反应，就这样在没有加温加压的正常温度和压力条件下得以快速顺利进行，产生大量生成物和少量反应物混合成的中间体B，中间体B经文丘里快速反应器末端的收缩段直接射入与之相连的螺旋反应器中继续反应。超声波产生的化学物理效应原理及具体的工程应用实例详见邝生鲁主编由化学工业出版社2002年3月出版的《化学工程师技术全书》P886-898页相关章节。
螺旋反应器由螺旋状管道构成，中间体B经文丘里快速反应器末端的收缩段直接射入螺旋反应器中，在螺旋状管道内的流动必须呈湍流态，以保证中间体B除沿管道轴线运动外还必须产生剧烈的径向运动，以形成强剪切力，为此，管道雷诺数必须达到设定值≥2300，同时中间体B沿螺旋状管道作圆周运动，其向心加速度产生的向心力将产生并加大冲击和剪切力，这样就保证了反应仍然是在强烈剪切和冲击等机械力的共同作用下继续快速进行，得到由绝大多数生成物和微量反应物混合成的中间体C，从螺旋管末端以水平线方向直接射入与之相连的生成物收集器中。
生成物收集器是一个在底部圆锥体的锥部设有生成物出口，顶部圆柱体上设有气体出口，内装相分离装置，外绕螺旋反应管的倒圆锥形容器，回流管将回流泵，文丘里混合反应器的主料入口和生成物出口连通，中间体C从螺旋反应器反应管末端水平喷射在收集器的圆柱体内壁上，在惯性作用下作绕壁圆周运动，因圆柱体直径甚大于螺旋反应管直径，中间体C射出即得到极度扩张，同样保证微量反应物在收集器停留时间内所进行的反应仍然是在剪切、扩张、冲击及伸缩等机械力的共同作用下进行，将微量反应在收集器停留时间内进行到底。生成物中如有气体、液体或固体物质生成，经相分离装置即能实现分离：气体从顶部气体出口导出收集或另行处理，其余生成物从生成物出口收集，或在回流泵作用下经回流管送入文丘里混合反应器，继续参与系统反应。至此，整个反应周期进行完毕，其反应效果将逼近或达到反应的理论值。
文丘里混合反应器末端与文丘里快速反应器的前收缩段入口连为一体，文丘里快速反应器的后收缩段出口与螺旋反应器的入口连为一体，螺旋反应器的出口与生成物收集器的入口连为一体，生成物收集器的生成物出口通过回流管将回流泵、文丘里混合反应器的主料入口连通，组成快速反应器。
本发明的优点是：巧妙利用简单成熟的装置构建成了能够实现力化学效应和声化学效应共同联合协调发生作用的快速反应器，实现了减少反应步骤和过程，加快反应速度，反应进行彻底，而投资和能耗都很低，应用范围又非常广泛，只要反应物能在管道内顺利流动的化学反应和生化反应均适用，并且反应过程在闭式路径中循环进行，无污染物排出，是正常温度和压力条件下实现快速反应的先进技术方法，用本技术方法制作的快速反应器不仅是难进行的反应或反应速度慢的反应快速顺利进行的重要工具，也是在正常温度和压力下完成本应在加温或加压或加温加压的条件下才能完成的反应顺利进行的重要工具，更是实现先进前沿反应理论成果的重要工具，真正实现了反应高效低耗，反应过程清洁，利于环保。在涉及化学反应和生化反应的化工和环保领域有重大的实际应用价值和广阔的市场前景。
本发明的最大优点是：反应在无需加温也无需加压更不需加温加压的正常温度和压力的条件下进行，不仅能使反应速度慢的反应和难进行的反应顺利快速进行，而且能快速完成原本应在加温或加压或加温加压的条件下才能进行的反应。可广泛运用于涉及化学反应和生化反应的各领域，并将产生巨大的经济效益、环境效益和社会效益。
四、附图及说明
附图是专用于本发明所述快速反应器的组装示意图。
图中：1-主料入口，2-喷嘴，3-辅料入口，4-文丘里混合反应器，5-文丘里超声波快速反应器，6-带显示装置的超声波发生器，7-螺旋反应器，8-生成物收集器，9-相分离装置，10-气体出口，11-生成物出口，12-回流泵，13-回流管。
五、实现方式
下面对本发明做出详尽描述。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种在无需加温、加压的正常温度和压力条件下，反应物实现快速反应的技术方法，其特征是：在没有增加温度和压力的正常温度和压力条件下，反应物依次通过由文丘里混合反应器，文丘里超声波快速反应器，螺旋反应器和生成物收集器构成的快速反应器实现快速反应。
进一步具体实现过程如下：
文丘里混合反应器4由主料入口1，喷嘴2，辅料入口3构成。反应物主料从主料入口1经喷嘴2喷入带有辅料入口3的文丘里混合反应器4，将辅料按控制比例从辅料入口3吸入，充分混合并快速反应生成中间体A。
文丘里快速反应器5由前收缩段、扩张室、带显示装置的超声波发生器6和后收缩段构成。中间体A从文丘里混合反应器4末端进入文丘里快速反应器5的前收缩段，射入扩张室，受到超声波发生器6发出的超声辐射作用，生成中间体B。
螺旋反应器7由螺旋状管道构成。中间体B经文丘里快速反应器5末端的收缩段射入螺旋反应器7中，在强烈剪切和冲击等机械力的共同作用下反应得到中间体C。
生成物收集器8是一个在底部圆锥体的锥部设有生成物出口11，顶部圆柱体上设有气体出口10，内装相分离装置9，外绕螺旋反应管的倒圆锥形容器，回流管13将生成物出口11、回流泵12、文丘里混合反应器4的主料入口1连通。
中间体C从螺旋反应器7反应管末端水平喷射在收集器8的圆柱体内壁上，在收集器8停留时间内将反应进行到底，气体从顶部气体出口10导出收集或另行处理，其余生成物从生成物出口11收集，或在回流泵12作用下经回流管13送入文丘里混合反应器4继续参与系统反应。
Claims (1)
1、一种反应物质发生快速反应的方法，其特征是：在没有增加温度和压力的正常温度和压力条件下，反应物依次通过由文丘里混合反应器(4)，文丘里超声波快速反应器(5)，螺旋反应器(7)和生成物收集器(8)构成的快速反应器实现快速反应，即：
文丘里混合反应器(4)包含有反应物主料入口(1)、喷嘴(2)、辅料入口(3)，反应物主料从反应物主料入口(1)经喷嘴(2)射入文丘里混合反应器(4)的扩张室、将辅料按控制比例从辅料入口(3)吸入，生成中间体A；
文丘里超声波快速反应器(5)由前收缩段、扩张室、带显示装置的超声波发生器(6)和后收缩段构成，中间体A从文丘里混合反应器(4)末端进入文丘里超声波快速反应器(5)的前收缩段，射入扩张室，经超声波发生器(6)发出的超声辐射作用，生成中间体B；
螺旋反应器(7)由管道雷诺数≥2300的螺旋状管道构成，中间体B经文丘里超声波快速反应器(5)后收缩段射入螺旋反应器(7)中，在强烈剪切和冲击机械力的共同作用下反应得到中间体C；
生成物收集器(8)是一个在底部圆锥体的锥部设有生成物出口(11)、顶部圆柱体上设有气体出口(10)、内装相分离装置(9)、外绕螺旋反应管的倒圆锥形容器，回流管(13)将生成物出口(11)、回流泵(12)、文丘里混合反应器(4)的反应物主料入口(1)连通，中间体C从螺旋反应器(7)反应管末端水平喷射在生成物收集器(8)的圆柱体内壁上，在生成物收集器(8)停留时间内将反应进行到底，气体从顶部气体出口(10)导出收集或另行处理，其余生成物从生成物出口(11)收集，或在回流泵(12)作用下经回流管(13)送入文丘里混合反应器(4)继续参与系统反应。
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