CN101716486A - 用于液-液快速混合与反应的撞击流高剪切反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于液-液快速混合与反应的撞击流高剪切反应器，包括圆筒状反应器外壳、转子、定子和主传动轴，反应器外壳的一端端壁的中心设置有第一进料管，第一进料管位于反应器外壳内的一端为盲端，在近盲端处设置有第一进料管的出料孔；环绕第一进料管设置有第二进料管，第二进料管的出料口位于反应器外壳内，第二进料管的出料口与第一进料管的出料孔相对设置，第一进料管盲端通过轴承与主传动轴活动连接，主传动轴上设置有连接转子的转子基座，定子设置在反应器外壳内表面或通过定子基座设置在反应器外壳内表面，定子和转子咬合，反应器出料口设置在反应器外壳的另一端。本发明的反应器混合效果好，设备投资低，不易发生堵塞，换热方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种撞击流高剪切反应器，尤其涉及一种可用于两组分或多组分液-液快速混合与反应的撞击流高剪切反应器。
背景技术
液-液混合是重要的化工过程，其效果对于快速液-液反应体系尤为重要。譬如，在利用液-液两相沉淀反应制备超细粉体过程中，液-液混合的效果直接影响颗粒的粒径及其分布；液相反应体系中进行复杂的快速平行竞争反应或者连串竞争反应时，液-液快速混合的效果极大的影响目标产品的收率和质量，并可能对整个生产过程的设计、优化和操作带来影响。
撞击流(Impinging Streams，IS)是将两股或多股流体以一定的方式进行高速撞击，是实现快速混合的一种重要方法。由于相向撞击的特殊流动结构，撞击流促进微观混合非常有效。伍沅等的研究结果表明，液相连续相撞击流中存在的压力波动是有效促进微观混合的重要原因之一，同时还有利于促进过程动力学(具体可参见《撞击流——原理·性质·应用》，2006年第1版，第十一章，第175～185页，伍沅，化学工业出版社)。不同结构的撞击流反应器在用于不同的液相反应、反应-沉淀或反应-结晶过程都显示出优良的性能。
专利CN 200520089347.4提出一种适用于石油化工行业中液-液相连续反应过程的撞击流反应器。反应器采用管式壳体，两个导流筒安装于反应器中间，对称安装于导流筒两端且与导流筒同轴的两个螺旋桨推动反应物料经导流筒高速流动并在中心处相向撞击，有效促进了反应物料的混合。该反应器尤其适用于原料或产物中包括有固体或絮体而连续相是液体的反应过程。
专利DE 10223567A1提出一种制备微米级和纳米级颗粒的方法，分别将金属盐的热水溶液与碱溶液通过微型喷射反应器形成撞击流，进而发生沉淀反应，形成金属氧化物的沉淀。该方法可以用于制备超细金属氧化物粉体，比如用于制造电子陶瓷产品的钛氧化合物。
利用撞击流混合技术时，为获得良好的快速混合效果，一般需要原料以较高速度撞击，一方面这需要较高的进料压力，另一方面高速流体撞击造成剧烈的压力波动，以及高速流体的冲刷磨蚀会对设备造成损坏。对于有固体产生的过程，如果因为流体速度不够导致撞击流混合效果不好，会使产生的固体粒径偏大，有堵塞反应器的危险。
通过转子-定子系统(Rotor-Stator System)的高速剪切作用是实现物料间快速混合的又一种手段，称为高剪切(High Shear)，属于动态混合器的一种。
Bayer公司的专利US 4851571报道了一种用于制备有机异氰酸酯的这种高剪切反应器。反应器包括外壳和内部高速旋转的转子，在外壳以及转子上固定有一定数量的翅片，外壳的翅片与内部转子上的翅片之间形成曲折、狭窄的流体通道，两股原料经进料口进入该曲折通道，在转子的高速旋转下实现两股流体的快速混合。
专利WO 2009/002900A2报道了一套制备有机异氰酸酯的反应系统以及生产工艺，该专利中使用的反应装置即为转子-定子构造的动态混合器。典型的反应装置包括圆锥或圆盘状的转子和外壳，通过严格控制的转子-定子间隙相互咬合，转子-定子的间隙可以是固定的，也可以是可调的。一般地，最小的间隙通常在0.0254～3.175mm，更大的可以达到10.16mm。使用带有三级转子-定子结构的这种动态混合器制备有机异氰酸酯过程中，转子叶片的末端速度能达到至少22.9m/s，甚至超过40m/s，在巨大的剪切力作用下，反应原料中的气态光气能被分散成直径小于1微米的气泡，实现物料的快速混合。
另外，这种动态混合器能使处理流体中的粒子达到平均粒径为0.1～25微米，因此还能用于乳化过程，并在化妆品、制酱、硅胶/银混合物以及屋顶焦油的混合中被需求，如中国专利CN 200420079012.X提出一种用于水煤浆强化处理的高剪切强化泵。
使用高剪切混合技术时，为获得良好的快速混合效果，一般可以使用转子-定子间隙逐渐减小的多级转子-定子结构，这意味着设备投资的增加，尤其是对设备材质有很高要求的时候。另外，现有的高剪切设备不带有换热功能，不能用于有较大热效应的混合和反应过程，这限制了高剪切技术的适用范围。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种用于液-液快速混合与反应的撞击流高剪切反应器。
本发明的第二个目的是提供另一种用于液-液快速混合与反应的撞击流高剪切反应器。
本发明将撞击流混合技术与高剪切混合技术结合起来，利用撞击流将反应原料预混合，产生均匀的分散体系；转子-定子系统的高剪切作用能进一步促进物料间的混合，尤其对于有固体产生的过程，高剪切作用能将固体研磨成粒径很小的颗粒，促进传质和传热，进而改善反应效果。
本发明的技术方案概述如下：
一种用于液-液快速混合与反应的撞击流高剪切反应器，包括圆筒状反应器外壳、转子、定子和主传动轴。反应器外壳的一端端壁的中心设置有第一进料管，第一进料管位于反应器外壳内的一端为盲端，在近盲端处设置有第一进料管的出料孔，第一进料管的出料孔的孔径可以选3～10mm；环绕第一进料管设置有第二进料管，第二进料管的出料口位于反应器外壳内，第二进料管的出料口与第一进料管的出料孔相对设置；第一进料管盲端通过轴承与主传动轴活动连接；主传动轴上设置有连接转子的转子基座，定子设置在反应器外壳内表面或通过定子基座设置在反应器外壳内表面，定子和转子咬合；反应器出料口设置在反应器外壳的另一端。
转子最好是1～3个，与之对应的定子也是选1～3个。
第二进料管优选2～12个。
较好的是在反应器内设置有换热器。
换热器较好的是选用板式换热器、盘管式换热器、热管式换热器或夹套式换热器。
第二种用于液-液快速混合与反应的撞击流高剪切反应器，包括圆筒状反应器外壳、转子、定子和主传动轴。反应器外壳的一端端壁沿环向设置有第三进料管，第三进料管为2～12个，第三进料管位于反应器外壳内的出口指向所述反应器外壳的轴心；反应器外壳的一端端壁的内表面通过轴承与主传动轴活动连接；主传动轴上设置有连接转子的转子基座，定子设置在反应器外壳内表面或通过定子基座设置在反应器外壳内表面，定子和转子咬合；反应器出料口设置在反应器外壳的另一端。
转子最好是1～3个，与之对应的定子也是选1～3个。
较好的是在反应器内设置有换热器。
换热器较好的是选用板式换热器、盘管式换热器、热管式换热器或夹套式换热器。
本发明的用于液-液快速混合与反应的撞击流高剪切反应器具有撞击流混合与高剪切作用，由于撞击流混合能使反应原料预混合，故可以通过较少级的转子-定子结构就能获得较好的混合和反应效果，降低了设备投资。由于高剪切作用能进一步促进物料的混合，并能将反应体系中产生的固体磨碎成细小的颗粒，故可以采用相对较低的进料压力，并且降低了反应器被堵塞的发生率。对于热效应较大的混合与反应过程，如果采用内置有换热器的撞击流高剪切反应器还能实现对反应物料的及时移热或补热，以减少反应器内局部热点或冷点的形成，降低副反应的发生率。
附图说明
图1为不带换热器、含有两级转子-定子结构的撞击流高剪切反应器整体示意图；
图2为第一进料管与第二进料管布置方式示意图；
图3为第二种不带换热器、含有两级转子-定子结构的撞击流高剪切反应器整体示意图；
图4为第三进料管布置方式示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
一种用于液-液快速混合与反应的撞击流高剪切反应器，包括圆筒状反应器外壳15、转子11、定子和主传动轴7，反应器外壳的一端端壁的中心设置有第一进料管1，第一进料管位于反应器外壳内的一端为盲端，在近盲端处设置有第一进料管的出料孔3，第一进料管的出料孔的孔径可以选3～10mm；环绕第一进料管设置有第二进料管2，第二进料管的出料口4位于反应器外壳内，第二进料管的出料口与第一进料管的出料孔相对设置；第一进料管盲端通过轴承14与主传动轴活动连接；主传动轴上设置有连接转子的转子基座6，第一级定子设置在反应器外壳内表面，如果采用多级转子-定子结构，其它的定子通过定子基座5设置在反应器外壳内表面，定子包括定子内齿圈9和定子外齿圈10，定子和转子咬合；反应器出料口8设置在反应器外壳的另一端，见图1、图2。
转子最好是2个，定子也选2个，转子、定子还可以选1个或3个。采用多级转子-定子结构时，各级转子和定子的间隙可以相同，也可以沿物流方向逐渐减小。
第二进料管最好选4个，也可以选2～12中除4以外的任意数目。
较好的是在反应器内设置有换热器。
换热器较好的是选用板式换热器、盘管式换热器、热管式换热器或夹套式换热器。
第二种用于液-液快速混合与反应的撞击流高剪切反应器，包括圆筒状反应器外壳15、转子11、定子和主传动轴7，反应器外壳的一端端壁沿环向设置有第三进料管12，第三进料管最好是选3个，也可以选除3以外的2～12个，第三进料管位于反应器外壳内的出口13指向反应器外壳的轴心；反应器外壳的一端端壁的内表面通过轴承14与主传动轴活动连接，主传动轴上设置有连接转子的转子基座6，第一级定子设置在反应器外壳内表面，如果采用多级转子-定子结构，其它的定子通过定子基座5设置在反应器外壳内表面，定子包括定子内齿圈9和定子外齿圈10，定子和转子咬合；反应器出料口8设置在反应器外壳的另一端，见图3、图4。
转子最好是2个，定子也选2个，转子、定子还可以选1个或3个。采用多级转子-定子结构时，各级转子和定子的间隙可以相同，也可以沿物流方向逐渐减小。
较好的是在反应器内设置有换热器。
换热器较好的是选用板式换热器、盘管式换热器、热管式换热器或夹套式换热器。
一个具体的例子是，使用一种用于液-液快速混合与反应的撞击流高剪切反应器，将三组分液相进行混合与反应，第一种组分通过第一进料管1加入，在第一进料管的近盲端沿圆周均匀布置有4个进料孔3，孔径为5mm，第一种组分经过第一进料管出料孔的流速为5～12m/s，环绕第一进料管均匀分布有4个第二进料管2，第二进料管出口4的内径为5mm，其中相对的2个第二进料管加入第二种组分，另外的相对的2个第二进料管加入第三种组分，第二进料管出口4的流速为5～12m/s，液体发生撞击实现混合并反应；
采用的转子内径为123mm，壁厚为6mm，转子上设置有24个齿，齿的平均间距为5.97mm；定子内齿圈的内径为108mm，壁厚为6mm，定子内齿圈上设置有24个齿，齿的平均间距为5.28mm；定子外齿圈的内径为138mm，壁厚也为6mm，定子外齿圈上同样设置有24个齿，齿的平均间距为6.67mm；定子内齿圈与转子的间隙、定子外齿圈与转子的间隙均为1.5mm。用于混合物料时，主传动轴的转速可高达1000r/min；转子-定子间的高速剪切作用能将反应体系中可能产生的固体研磨成粒径很小的颗粒。
另外一个实施例是，选用设置有3个第三进料管的第二种用于液-液快速混合与反应的撞击流高剪切反应器，将二组分液相进行混合与反应，第一种组分通过其中一个第三进料管加入，第二种组分由其余两个第三进料管同时加入；第三进料管的出口内径均为10mm，液相原料经过此出口的流速可以为8～12m/s，液体发生撞击后实现混合与反应；
采用三级转子-定子结构，设置第一级和第二级转子的内径为122mm，第三级转子的内径为123mm，转子和定子齿圈的壁厚都为6mm，第一级转子和定子内齿圈以及第一级转子和定子外齿圈之间的间隙为2mm，第二级转子和定子内齿圈以及第二级转子和定子外齿圈之间的间隙为2mm，而第三级转子和定子内齿圈以及第三级转子和定子外齿圈之间的间隙为1.5mm。每级转子上有24个齿，每级定子的内、外齿圈上各有24个齿。其中，第一级和第二级转子-定子结构中，定子内齿圈上齿的平均间距为5.23mm，定子外齿圈上齿的平均间距为6.62mm，转子上齿的平均间距为5.93mm；第三级转子-定子结构中，定子内齿圈上齿的平均间距为5.28mm，定子外齿圈上齿的平均间距为6.67mm，转子上齿的平均间距为5.97mm。通过设置多级转子-定子结构中各级转子和定子的间隙沿物流方向逐渐减小，可以使得原料逐渐被分散成较小的粒径，并将可能产生的固体物逐渐被磨碎成较小的颗粒，从而减慢第一级转子和定子的磨损。(这个结构也可以应用于第一种用于液-液快速混合与反应的撞击流高剪切反应器中。)
对于热效应较大的混合与反应过程，为实现对反应物料的及时移热或补热，以减少反应器内局部热点或冷点的形成，进而降低副反应发生的几率，可以选择内置有换热器的撞击流高剪切反应器。可以采用一组或多组换热器，换热器可以设置在第一级转子-定子结构之前，可以在某两级转子-定子结构之间，也可以是在最后一级转子-定子结构之后。为获得高的传热系数以减少换热面积，可以使用换热介质的蒸发或冷凝传热。
Claims (9)
1.一种用于液-液快速混合与反应的撞击流高剪切反应器，包括圆筒状反应器外壳、转子、定子和主传动轴，所述反应器外壳的一端端壁的中心设置有第一进料管，其特征是所述第一进料管位于反应器外壳内的一端为盲端，在近盲端处设置有第一进料管的出料孔；环绕第一进料管设置有第二进料管，所述第二进料管的出料口位于反应器外壳内，所述第二进料管的出料口与第一进料管的出料孔相对设置，所述第一进料管盲端通过轴承与所述主传动轴活动连接，所述主传动轴上设置有连接所述转子的转子基座，所述定子设置在所述反应器外壳内表面或通过定子基座设置在所述反应器外壳内表面，所述定子和转子咬合，反应器出料口设置在反应器外壳的另一端。
2.根据权利要求1所述的一种用于液-液快速混合与反应的撞击流高剪切反应器，其特征是所述转子为1～3个，所述定子为1～3个。
3.根据权利要求1所述的一种用于液-液快速混合与反应的撞击流高剪切反应器，其特征是所述第二进料管为2～12个。
4.根据权利要求1所述的一种用于液-液快速混合与反应的撞击流高剪切反应器，其特征还包括反应器内设置有换热器。
5.根据权利要求4所述的一种用于液-液快速混合与反应的撞击流高剪切反应器，其特征是所述换热器为板式换热器、盘管式换热器、热管式换热器或夹套式换热器。
6.一种用于液-液快速混合与反应的撞击流高剪切反应器，包括圆筒状反应器外壳、转子、定子和主传动轴，其特征是在所述反应器外壳的一端端壁沿环向设置有第三进料管，所述第三进料管为2～12个，所述第三进料管位于反应器外壳内的出口指向所述反应器外壳的轴心；所述反应器外壳的一端端壁的内表面通过轴承与所述主传动轴活动连接，所述主传动轴上设置有连接所述转子的转子基座，所述定子设置在所述反应器外壳内表面或通过定子基座设置在所述反应器外壳内表面，所述定子和转子咬合，反应器出料口设置在反应器外壳的另一端。
7.根据权利要求6所述的一种用于液-液快速混合与反应的撞击流高剪切反应器，其特征是所述转子为1～3个，所述定子为1～3个。
8.根据权利要求6所述的一种用于液-液快速混合与反应的撞击流高剪切反应器，其特征还包括反应器内设置有换热器。
9.根据权利要求8所述的一种用于液-液快速混合与反应的撞击流高剪切反应器，其特征是所述换热器为板式换热器、盘管式换热器、热管式换热器或夹套式换热器。
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