CN104801214B

CN104801214B - 一种具有螺旋通道的管式混合器

Info

Publication number: CN104801214B
Application number: CN201510185307.8A
Authority: CN
Inventors: 吕阳成; 朱珊; 骆广生; 王凯
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2015-04-17
Filing date: 2015-04-17
Publication date: 2016-11-09
Anticipated expiration: 2035-04-17
Also published as: CN104801214A

Abstract

一种具有螺旋通道的管式混合器，由进口端板、管壳、外管、内管和出口端板组成；内管两端分别设置流体A分配室和混合流体M收集室，流体A分配室与流体A进口管连通，混合流体M收集室与混合流体M出口管连通；所述内管外壁上设置螺旋槽，螺旋槽与外管内壁连接构成螺旋通道；所述外管管壁上设置流体B导入孔，内管管壁上设置流体A导入孔和混合流体M导出孔。本发明管式混合器具有结构紧凑，混合性能优异，易于制造、放大和与管道连接等特点；与直线型的通道混合器相比，该混合器可以在短的轴向距离内提供长的混合长度，在同样的混合时间内提供更好的混合效果。

Description

一种具有螺旋通道的管式混合器

技术领域

本发明属于化工过程传质强化技术领域，特别涉及一种具有螺旋通道的管式混合器。

背景技术

在化学、化工、医药和食品等众多领域，流体混合是一项基本单元操作，设备的混合性能对于诸多化学转化和产品制造过程至关重要。例如，对于硫酸钡等无机纳米颗粒的沉淀法生产过程，反应物料必须快速混合才能满足所需的高过饱和度条件；对于二氯丙醇与氢氧化钠间的环化反应过程，只有在快速混合条件下才能抑制氢氧化钠造成的产物水解。为此，高效混合设备的开发一直是推动相关产业技术进步的重要推动力。同时，一系列包含相对慢速的平行副反应的反应体系也被用来评价设备的混合性能，比较典型的如Villermaux/Dushman反应，即包含瞬时的酸碱中和反应(主反应)和快速的碘离子还原反应(副反应)，混合时副反应实际发生的几率(分隔因子X_s)越低，则混合性能越好。

目前，工业上常用的混合设备有搅拌混合釜、静态混合器和环流混合器等，但是这些混合器往往不能有效强化和控制微观混合，无法实现快速的均匀混合，限制了工艺方案和条件的选择，已成为化工过程强化的主要瓶颈。近年来，随着微器件加工技术的不断发展，出现了许多以强化微观混合为目标的新型混合设备，比较典型的如在超重力场下工作的旋转填料床，微通道混合设备等。相对于前者，微通道混合设备中没有动部件，具有装配简单，运行过程节能、稳定等优点。根据流体在微通道中接触方式的不同，微通道混合设备可分T型微混合器、Y型微混合器、撞击流微混合器、指状交叉微混合器等多种，但它们在结构上有一个共同点，即将混合通道布置在一个二维平面上，而且一般是直通道。这种布置方式在一定程度上限制了混合通道内的混合性能，而计算流体力学摸拟的研究已经表明，在直的混合通道内，流体开始接触至实现充分混合并不是一个可以瞬间完成的过程，混合通道内的混合强化仍很重要。

综上所述，微通道混合器作为一种高性能混合器，其混合通道的设计是现有研发工作的短板，突破现有微通道混合器结构设计思想的约束，开发可以强化混合通道内混合过程的新型混合设备是化工过程强化领域具有重要意义的一项工作，新型混合器同时应当保持易于设计、加工、和放大的特点，以适应化工生产的要求。

发明内容

本发明的目的在于，克服上述现有技术的不足，提供一种用于实现流体间连续快速混合、传质与反应的具有螺旋通道的管式混合器。

通过以下技术方案来实现：

一种具有螺旋通道的管式混合器，由进口端板、管壳、外管、内管和出口端板组成；所述管壳、外管和内管的长度相同，且由外向内顺次嵌套相连，进口端板和出口端板分别与管壳两端相连，实现对管壳、外管和内管的端面密封，进口端板上焊接流体A进口管，管壳壁上焊接流体B进口管，出口端板上焊接混合流体M出口管；内管两端分别设置流体A分配室和混合流体M收集室，流体A分配室与流体A进口管连通，混合流体M收集室与混合流体M出口管连通；所述内管外壁上设置螺旋槽，螺旋槽与外管内壁连接构成螺旋通道；所述外管管壁在对应螺旋通道的起点或与起点轴向距离为整数倍螺距的位置，设置贯通管壁的流体B导入孔，用于将流体B导入到螺旋通道中；内管管壁在对应螺旋通道的起点位置，设置贯通管壁的流体A导入孔，用于将流体A导入到螺旋通道中，在对应螺旋通道的终点位置，设置贯通管壁的混合流体M导出孔，用于将混合流体M从螺旋通道导出到混合流体M收集室中。

所述内管外壁上螺旋槽的数量为1～6个，每个螺旋槽的宽度为0.6mm～4.0mm，深度为0.4mm～4.0mm，螺距为螺旋槽宽度的2～50倍。

所述外管和内管是一组以套管的方式置于管壳内，或多组以列管的方式置于管壳内。

本发明一个螺旋通道内可以有多个流体B导入孔，一组外管/内管可以加工多个螺旋通道，多组外管/内管可以方便地置入管壳内，综合采用这些方式使提高处理能力和操作弹性变得非常容易；混合器整体为管道式，可以实现与上下游管线的无缝连接，在化工、医药和食品等领域具有广泛的适用性。

本发明的有益效果：

本发明管式混合器具有结构紧凑，混合性能优异，易于制造、放大和与管道连接等特点；与直线型的通道混合器相比，该混合器可以在短的轴向距离内提供长的混合长度，在同样的混合时间内提供更好的混合效果，有望成为一类新型高效混合设备的原型；混合通道为螺旋线，混合流体在其中流动时会因二次流效应而产生径向涡流，显著地强化混合效果；混合通道由相互嵌套的同轴圆管拼合而成，使用常规的机加工技术即可方便地制造。

附图说明

图1为具有螺旋通道的管式混合器的正向剖面图。

图2为具有螺旋通道的管式混合器的装配图。

图3为内管结构图。

图4为外管结构图。

图中标号：1-进口端板；10-流体A进口管；2-管壳；20-流体B进口管；3-外管；31-流体B导入孔；4-内管；41-流体A分配室；42-混合流体M收集室；43-螺旋槽；44-流体A导入孔；45-混合流体M导出孔；5-出口端板；50-混合流体M出口管。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步说明。

一种具有螺旋通道的管式混合器如图1-2所示，由进口端板1、管壳2、外管3、内管4和出口端板5组成；所述管壳2、外管3和内管4的长度相同，且由外向内顺次嵌套相连，进口端板1和出口端板5分别与管壳2两端相连，实现对管壳2、外管3和内管4的端面密封，进口端板1上焊接流体A进口管10，管壳2壁上焊接流体B进口管20，出口端板5上焊接混合流体M出口管50；内管4两端分别设置流体A分配室41和混合流体M收集室42，流体A分配室41与流体A进口管10连通，混合流体M收集室42与混合流体M出口管20连通；内管和外管的结构图分别如图3、图4所示，所述内管4外壁上设置螺旋槽43，螺旋槽43与外管3内壁连接构成螺旋通道；所述外管3管壁在对应螺旋通道的起点或与起点轴向距离为整数倍螺距的位置，设置贯通管壁的流体B导入孔31，用于将流体B导入到螺旋通道中；内管4管壁在对应螺旋通道的起点位置，设置贯通管壁的流体A导入孔44，用于将流体A导入到螺旋通道中，在对应螺旋通道的终点位置，设置贯通管壁的混合流体M导出孔45，用于将混合流体M从螺旋通道导出到混合流体M收集室中。

上述具有螺旋通道的管式混合器用于流体A和流体B的混合，其混合过程为：流体A由进口端板1上的流体A进口管10进入内管4的流体A分配室41，然后由流体A导入孔44导入螺旋通道；流体B依次经管壳2上的流体B进口管20和流体B导入孔31导入螺旋通道；流体A和流体B在螺旋通道中混合成为混合流体M，并由混合流体M导出孔45导出到混合流体M收集室42，最后由出口端板5上的混合流体M出口管50流出。

下述实施例1-7中使用的管式混合器，管壳外径为40mm，内径为36mm；外管外径为28mm，内径为24mm；内管外径为24mm，内径为16mm；螺旋通道为单通道，螺旋宽度为2mm，深度为2.5mm，螺距10mm，螺旋绕轴向旋转角度为1440°，流体A、流体B的入口以及混合流体M的出口均为一个；管壳、外管和内管的长度均为50mm，与进口端板和出口端板之间采用聚四氟乙烯密封垫在螺栓紧固力作用下实现密封。采用的流体A：[I^-]＝0.03mol/L，[IO₃ ^-]＝0.006mol/L，[H₂BO₃ ^-]＝0.09mol/L；流体B：[H⁺]＝0.01mol/L。流体A和流体B分别用平流泵输送，以恒定流量进入混合器完成混合，混合器出口与在线紫外检测器连接，测定混合流体M在280nm下的吸光度，计算分隔因子X_s，X_s越小，表明混合性能越好。

实施例1-7的操作条件和混合表征结果如表1所示。

表1.实施例操作条件及表征结果

由表1可见，该管式混合器的X_s在0.0004到0.005之间，而传统的搅拌混合器的X_s在0.1左右，直线型的通道混合器的X_s在0.01左右，因此，本发明具有螺旋通道的管式混合器的混合性能明显优于目前已有的混合器。

以上仅以一种设计相对简单的管式混合器为例，结合专业领域普遍接受的混合性能表征方法——Villermaux/Dushman反应，说明了本发明管式混合器的具体实施方法和实施效果。但是本发明的保护范围并不限制于此，实际上，本发明提出的一种具有螺旋通道的管式混合器，根据其结构特征，可以变换出多种具体的结构形式，比如，螺旋槽数量的设定、外管和内管置于管壳内的方式、流体B导入孔个数及位置的选取、内管的规格参数等等，以上各种变换及其组合而构成的管式混合器都不脱离本发明的保护范围。

Claims

1.一种具有螺旋通道的管式混合器，其特征在于，由进口端板(1)、管壳(2)、外管(3)、内管(4)和出口端板(5)组成；所述管壳(2)、外管(3)和内管(4)的长度相同，且由外向内顺次嵌套相连，进口端板(1)和出口端板(5)分别与管壳(2)两端相连，进口端板(1)上焊接流体A进口管(10)，管壳(2)壁上焊接流体B进口管(20)，出口端板(5)上焊接混合流体M出口管(50)；内管(4)两端分别设置流体A分配室(41)和混合流体M收集室(42)，流体A分配室(41)与流体A进口管(10)连通，混合流体M收集室(42)与混合流体M出口管(20)连通；所述内管(4)外壁上设置螺旋槽(43)，螺旋槽(43)与外管(3)内壁连接构成螺旋通道；所述外管(3)管壁在对应螺旋通道的起点或与起点轴向距离为整数倍螺距的位置，设置贯通管壁的流体B导入孔(31)；内管(4)管壁在对应螺旋通道的起点位置，设置贯通管壁的流体A导入孔(44)，在对应螺旋通道的终点位置，设置贯通管壁的混合流体M导出孔(45)。

2.根据权利要求1所述的具有螺旋通道的管式混合器，其特征在于，所述内管外壁上螺旋槽的数量为1～6个，每个螺旋槽的宽度为0.6mm～4.0mm，深度为0.4mm～4.0mm，螺距为螺旋槽宽度的2～50倍。

3.根据权利要求1所述的具有螺旋通道的管式混合器，其特征在于，所述外管和内管是一组以套管的方式置于管壳内，或多组以列管的方式置于管壳内。