CN108325483B - 微孔涡流套管反应器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微孔涡流套管反应器及其应用，微孔涡流套管反应器包括：基本组合单元，包括一根外管和一根内管，内管设有连续相进口和出口，外管一端为分散相进口另一端为封闭端，内管两端之间沿管壁周向和轴向两个维度设计分布有或连续的一组微孔阵列或间断的多组微孔阵列，当分散相通过内管壁的微孔后在内管中形成涡流。本发明可以使分散相通过内管壁微孔后在内管中形成涡流强化工艺流体的混合，尤其对于反应时间较长的工艺可以延缓相分离过程。同时可以将分散相与连续相的传质换热过程有效分解为若干不同片段，从而可以在工艺放大过程中有效缓解剧烈热交换过程。

Description

微孔涡流套管反应器及其应用

技术领域

本发明涉及一种微孔涡流套管反应器，本发明还涉及微孔涡流套管反应器的应用，属于化工领域。

背景技术

关于气液混合、气体吸收和液液混合，尤其是水油两相混合或者液液混合产生固体沉淀小颗粒的反应，文献或工业上有设计流体分布器，如使用流体分布器和混合微通道技术的结合，降膜反应器或使用壳管式设计，套管式的设计紧凑工艺简单、操作方便制造容易(适用于大、中、小型的各种装置；可以单独使用也可以集成使用组合形成列管)，而且其比表面积/体积的比值和换热系数都比较高。

20世纪90年代以来，自然科学与工程技术发展的一个重要趋势是向微型化迈进，尤其是纳米材料的发展，引起了研究者对小尺度和快速过程的极大兴趣。微反应器一般是指通过微加工和精密加工技术制造的小型反应系统，微反应器内流体的微通道尺寸在亚微米到亚毫米量级。对于液相或气相混合过程来说，分子扩散是混合过程的最后步骤。由Fick定律可知，t～d2/D，其中D为扩散系数，d为扩散特征尺度，t为混合时间。由此可知，混合与扩散系数D和扩散距离d有关，除了高分子的聚合物以外，液体或可溶性固体的扩散系数相差不大。因此，为了减小混合时间，可通过减小扩散距离d来实现。微通道反应器正是基于这一原理提出来的。微反应器具有与大反应器完全不同的几何特性：狭窄规整的微通道、非常小的反应空间和非常大的比表面积。其几何特性决定了微反应器内流体的传递特性和宏观流动特性，并进而导致它具有温度控制好、反应器体积小、转化率和收率高及安全性能好等一系列超越传统反应器的独特的优越性，在化学合成、化学动力学研究和工艺开发等领域具有广阔的应用前景。套管微通道混合器/反应器一般采用由一根外管和一根内管构成套管，在内、外管之间形成环形微通道，外管上设有作为流动相的流体进口和出口，内管上一端设有分散相的流体进口而另一端为实心封闭端；在内管两端之间利用不同材料形成的有孔管壁可以使分散相分散到流动相中实现混合和换热。目前文献报道或市售的套管微通道反应器基本有两大类：1)一类膜分散式反应器使用传统烧结金属或金属丝网微孔过滤膜使流体分散成微小的气泡或液滴，从而强化微观传质换热过程，但是常规烧结材料的孔径和分布均为无序随机形成，一般只能在管壁周向一定范围内随机或均布形成喷射流，可以适用于气液两相混合或液液混合为乳液或液液形成固体沉淀反应合成微纳米颗粒。但是不能对于微孔的尺寸和分布以及微孔相对于管壁的喷射方向进行系统设计而形成涡流，也没有特定设计可以将分散相与连续相的传质换热过程有效分解为若干不同片段有效缓解剧烈的热交换过程。2)另一类使用Teflon微孔材料(如

AF-2400)对于多种气体透过性好但是对于液体密闭性好的特性制成的聚合物内管后再设计为套管反应器(“tube-in-tube reactor”)，但是受限于聚合物材料的特性(大尺寸时的耐温耐压问题等)该tube-in-tube reactor采用的Teflon管管径小(如外径仅有1毫米)目前仅有实验室级别设备开发成功，仅适用于气液两相混合换热，同时需要较长的管道以提高通量和提升混合效果；这一类聚合物套管的内管上微孔尺寸和微孔分布以及相对于管壁的喷射方向同样无法实现系统设计而形成涡流。

中国专利001057790公开了一种膜分散式萃取器，该萃取器在一个柱形筒中置有膜管或平板膜，膜上有0.01-60微米的微孔，将液体分散成微小的液滴，增大传质面积提高萃取效果，但该萃取器以萃取为目的，缺少对流体接触后的微尺寸限制，不太适宜应用在快速反应合成纳米颗粒的过程。如CN1318429A(CN01115332.6)一种膜分散制备超细颗粒的方法，即采用用该类型反应器，制备硫酸钡颗粒，将硫酸-正丁醇溶液通过微孔膜分散成微小的液滴，再与氯化钡溶液反应制备出硫酸钡颗粒，该专利仅利用微孔膜对液滴的初始粒径进行了限制，但流体接触后的混合特性(如流速、流体层的厚度等)没有得到较好的控制，因此制得的颗粒粒径偏大(平均粒径为1微米)。

综上，目前文献中报道或市售的的套管式微通道混合器或反应器不论采用烧结金属或金属丝网微孔过滤膜还是使用特殊聚合物微孔管一般只能在管壁周向一定范围内均布或随机无序形成喷射流，对于微孔的尺寸和分布以及微孔相对于管壁的喷射方向都难以进行系统设计而形成涡流和湍流。聚合物微孔管制成的套管式微混和器仅适用于气液混合工艺而且放大受到限制；烧结金属或金属丝网制成的套管式微混和器虽然也能用于液液乳化或液液形成固体沉淀合成微纳米颗粒，但是在环形通道没有额外的混合手段对于反应时间偏长的反应工艺有可能出现相分离，对于强放热过程在工艺放大过程仍然可能出现瞬时热点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微孔涡流套管反应器及其应用，以解决上述问题。

本发明采用了如下技术方案：

一种微孔涡流套管反应器，其特征在于，包括：基本组合单元，包括一根外管和一根内管，内管设有连续相进口和出口，外管一端为分散相进口另一端为封闭端，内管两端之间沿管壁周向和轴向两个维度设计分布有或连续的一组微孔阵列或间断的多组微孔阵列，当分散相通过内管壁的微孔后在内管中形成涡流。

进一步，本发明的微孔涡流套管反应器，还具有这样的特征：内管壁微孔分布是不连续的多组微孔阵列，包括平行于横截面在管壁的多组弧线，这些弧线延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋；或者包括平行于轴向方向的多组直线段，这些直线段延径向和轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋；或者包括既不平行于横截面也不平行于周向方向的多组弧线，同样这些弧线延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋，或者是顺时针和逆时针螺旋按预定次序的组合；或者包括不同弧线或直线段按预定次序和长度比例组合。

进一步，本发明的微孔涡流套管反应器，还具有这样的特征：内管壁微孔分布是连续的一组微孔阵列，包括平行于横截面在管壁的多组弧线和平行于轴向方向的多组直线段，这些弧线和直线段组合延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋；或者包括平行于轴向方向的多组直线段和不平行于横截面在管壁的多组弧线，这些直线段和弧线延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋；或者包括平行于横截面在管壁的多组弧线和不平行于轴向方向的多组弧线段连接组成，这些不同弧线段组合延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋；或者包括既不平行于横截面也不平行于轴向方向的多组弧线，这些弧线组合延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋，或者是顺时针和逆时针螺旋按预定次序的组合；或者包括以上的各种不同弧线和直线段按预定次序和长度比例组合连接。

进一步，本发明的微孔涡流套管反应器，还具有这样的特征：微孔弧线段相互间在轴向方向没有重叠或有部分重叠，相邻弧线段在横截面上投射后与圆心形成的扇形角度为5-320°，优选10-240°，更优选15-180°，最优选30-120°；微孔直线段相互间在横切径向方向没有重叠或有部分重叠，相邻直线段与圆心所形成的二面角的角度为5-180°，优选10-120°，更优选15-90°，最优选30-75°。

进一步，本发明的微孔涡流套管反应器，还具有这样的特征：内管壁的微孔分布是连续的一组微孔阵列由既不平行于横截面也不平行于轴向方向的多组弧线组成，多组弧线，沿内管的圆柱螺旋线分布，多组弧线，延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋；或者是顺时针和逆时针螺旋按预定次序分布。

进一步，本发明的微孔涡流套管反应器，还具有这样的特征：内管壁微孔由多孔材料构成，或者由数控精密机械制造，或者通过如飞秒激光或者3D打印的加工工艺制造；优选激光打孔和3D加工技术。

进一步，本发明的微孔涡流套管反应器，还具有这样的特征：内管壁上微孔孔径范围为0.05微米-2毫米，优选5-200微米；开孔率为5-80％，优选30-60％；内管外径范围为0.5毫米-500毫米，优选5-300毫米；环形微通道径向间距为100微米-5毫米，优选200微米-1毫米；微孔在管壁上的开孔方向与管壁切线面所成二面角的角度为5°-175°，优选15°-75°或105°-160°。

进一步，本发明的微孔涡流套管反应器，还具有这样的特征：形成套管的内外管外观为同心直管、弯管或者盘管，通过外管或环形通道的分散相和通过内管的连续相为并流或者错流，然后从内管的出口输出混合后的流体混合物。

进一步，本发明的微孔涡流套管反应器，还具有这样的特征：微孔涡流套管的内管完全无孔区能够延长，包含微孔阵列的有孔区与完全无孔区的长度比例为10：1～1：30，优选5：1～1：20，更优选4：1～1：10；包含微孔阵列的有孔区的长度为10微米-1米，优选50微米-500毫米，更优选100微米-300毫米。

本发明还提供一种微孔涡流套管反应器在气体吸收、液液混合为乳液或者液液形成固体沉淀反应中的应用，其特征在于，应用包括：合成微纳米颗粒的工艺、使用敷酸剂产生盐沉淀的反应工艺或者丁基锂参与的形成不溶于体系的锂盐沉淀的反应工艺。

发明的有益效果

本发明的微孔涡流套管反应器及其应用，内管两端之间沿管壁周向和轴向两个维度设计分布有或连续的一组微孔或间断的多组微孔阵列，微孔尺寸、结构和位置以及微孔在管壁上的开孔角度都可以方便调整，可以使分散相通过内管壁微孔后在内管中形成涡流强化工艺流体的混合，尤其对于反应时间较长的工艺可以延缓相分离过程。同时可以将分散相与连续相的传质换热过程有效分解为若干不同片段，从而可以在工艺放大过程中有效缓解剧烈热交换过程。

其中内管壁微孔分布可以使用传统的多孔材料如烧结微孔膜或丝网构成，也可以使用数控精密机械制造，还可以通过如飞秒激光或者3D打印等加工工艺设计而实现。分别通过外管进口的分散相和通过内管进口的连续相可以并流也可以错流，然后从内管的出口输出混合后的流体混合物。本发明的微孔涡流套管混合器设计、加工简便，适合大批量工业制造；在达到大处理量的同时，也保证了较强的微观混合。

此外，本发明的微孔涡流套管反应器可以集成有类似静态混合器的混合芯子，也可以将内管完全无孔区延长实现更长停留时间的反应器或者与其他微通道反应器集成使用；而且根据实际工艺要求对于该基本组合单元进行并联或串联方便调整工艺需要的停留时间适用于更复杂的化学反应工艺。

附图说明

图1是本发明的微孔涡流套管反应器并流形式的结构示意图；

图2是本发明的微孔涡流套管反应器错流形式的结构示意图；

图3是内外管的立体结构示意图；

图4a-图4c是不连续的多组微孔阵列的分布示意图；

图5d-图5i是连续的一组微孔阵列，由平行于横截面在管壁的多组弧线和由平行于轴向方向的多组直线段连接组成的示意图；

图6j-图6l是连续的一组微孔阵列，由既不平行于横截面也不平行于轴向方向的多组弧线组成的示意图。

具体实施方式

以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。

术语定义：

周向：延同心套管尤其是内管外壁圆周线方向

轴向：延同心套管的轴线方向

径向：延同心套管横截面圆心到内管外壁圆周方向

涡流：指流体的旋转角速度矢量为零，也称为有旋运动，即流体质点或流体微团在运动过程中绕其自身轴线旋转。

微孔阵列：将微孔中心在内管外壁周向距离不超过(小于等于)微孔直径三倍的所有微孔利用虚拟线连接起来就是微孔阵列，其中包括本发明中提到的微孔弧线，微孔直线段等。如上所绘虚拟线没有断点的就是连续的微孔阵列，否则就为不连续的微孔阵列。

完全无孔区：在沿连续相流动方向，内管壁横切段上最后一个有孔区结束后没有任何微孔阵列的区域就是完全无孔区。

无孔区：在沿连续相流动方向，内管壁任何大于等于微孔直径四倍距离的横切段上均没有微孔阵列分布的就是无孔区；无孔区不包括完全无孔区。

有孔区：内管壁除去无孔区就是有孔区，在内管壁横切段上有微孔阵列的就是有孔区，

分散体系：分散体系disperse system是一种或几种物质高度分散在某种介质中所形成的体系

分散相：当以物质被分散成细小的颗粒分布在另一种物质里时即被分散的物质，称为分散相，又称弥散相。

连续相：连续相continuous phase在分散体系中分散其他物质的物质即连续介质称连续相。

并流：连续相和分散相分别通过外管进口和内管进口后两相流体的流动方向相同，混合后从内管的出口流出是为并流。如图1所示，连续相从连续相进口17流入，分散相从外管进口14流入，混合后从连续相出口18流出。

错流，也称对流：连续相和分散相分别通过外管进口和内管进口后两相流体的流动方向相对，混合后从内管的出口流出是为错流或对流。错流形式如图2所示，连续相从错流连续相进口15流入，分散相从外管进口14流入，混合后从错流连续相出口16流出。

内管管壁上微孔阵列设计案例:

如前文定义，将内管管壁上微孔距离不超过微孔直径三倍的所有微孔利用虚拟线连接起来就是微孔阵列，包括本发明中提到的不连续的微孔弧线段，微孔直线段以及连续的微孔弧线/直线等。这些微孔整列可以设计有不同组合，下面实施例可以进一步阐述本发明的实际操作方法。

微孔涡流套管反应器，包括：基本组合单元，包括一根外管11和一根内管12，内管12设有连续相进口17和连续相出口18，外管11一端为分散相进口另一端为封闭端，内管12两端之间沿管壁周向和轴向两个维度设计分布有或连续的一组微孔阵列或间断的多组微孔阵列，当分散相通过内管壁的微孔后在内管12中形成涡流。

内管壁微孔分布是不连续的多组微孔阵列，包括平行于横截面在管壁的多组弧线，这些弧线延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋；或者包括平行于轴向方向的多组直线段，这些直线段延径向和轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋；或者包括既不平行于横截面也不平行于周向方向的多组弧线，同样这些弧线延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋，或者是顺时针和逆时针螺旋按预定次序的组合；或者包括不同弧线或直线段按预定次序和长度比例组合。

内管壁微孔分布是连续的一组微孔阵列，包括平行于横截面在管壁的多组弧线和平行于轴向方向的多组直线段，这些弧线和直线段组合延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋；或者包括平行于轴向方向的多组直线段和不平行于横截面在管壁的多组弧线，这些直线段和弧线延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋；或者包括平行于横截面在管壁的多组弧线和不平行于轴向方向的多组弧线段连接组成，这些不同弧线段组合延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋；或者包括既不平行于横截面也不平行于轴向方向的多组弧线，这些弧线组合延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋，或者是顺时针和逆时针螺旋按预定次序的组合；或者包括以上的各种不同弧线和直线段按预定次序和长度比例组合连接。

微孔弧线段相互间在轴向方向没有重叠或有部分重叠，相邻弧线段在横截面上投射后与圆心形成的扇形角度为5-320°，优选10-240°，更优选15-180°，最优选30-120°；微孔直线段相互间在横切径向方向没有重叠或有部分重叠，相邻直线段与圆心所形成的二面角的角度为5-180°，优选10-120°，更优选15-90°，最优选30-75°。

内管壁的微孔分布是连续的一组微孔阵列由既不平行于横截面也不平行于轴向方向的多组弧线组成，所述多组弧线，沿内管的虚拟圆柱螺旋线分布，所述多组弧线，延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋；或者是顺时针和逆时针螺旋按预定次序分布。

内管壁微孔由多孔材料构成，或者由数控精密机械制造，或者通过如飞秒激光或者3D打印的加工工艺制造；优选激光打孔和3D加工技术。

内管壁上微孔孔径范围为0.05微米-2毫米，优选5-200微米；开孔率为5-80％，优选30-60％；内管外径范围为0.5毫米-500毫米，优选5-300毫米；环形微通道径向间距为100微米-5毫米，优选200微米-1毫米；微孔在管壁上的开孔方向与管壁切线面所成二面角的角度为5°-175°，优选15°-75°或105°-160°。

形成套管的内外管外观为同心直管、弯管或者盘管，如图3所示，通过外管11或环形通道的分散相22和通过内管12的连续相21为并流或者错流，然后从内管12的出口输出混合后的流体混合物。

微孔涡流套管的内管完全无孔区能够延长，包含微孔阵列的有孔区13与完全无孔区的长度比例为10：1～1：30，优选5：1～1：20，更优选4：1～1：10；包含微孔阵列的有孔区13的长度为10微米-1米，优选50微米-500毫米，更优选100微米-300毫米。

<实施例一>

如图4所示，是不连续的多组微孔阵列，由平行于横截面在管壁的多组弧线组成，这些弧线延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋；也可以由平行于轴向方向的多组直线段组成，这些直线段延径向和轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋；也可以是由既不平行于横截面也不平行于周向方向的多组弧线组成，同样这些弧线延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋，也可以是顺时针和逆时针螺旋按不同次序的组合；也可以是由以上所述的各种不同弧线或直线段按不同次序和长度比例组合而成。

图4中的微孔阵列均为延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针螺旋，为了简化内管壁背面的弧线或直线段均没有在图中显示：

图4(a)平行于横截面在管壁的多组弧线组成的微孔阵列，上述微孔弧线段相互间在轴向方向没有重叠，弧线段在横截面上投射后与圆心形成的扇形角度为90°，相邻弧线段在轴向上的距离为微孔孔径的6倍长度。

图4(b)平行于轴向方向的多组直线段组成的微孔阵列，直线段的长度为微孔孔径的8倍长度，上述微孔直线段相互间在横切径向方向有30％的部分重叠，相邻直线段与圆心所形成的二面角的角度为60°。

图4(c)以上所述的各种不同弧线或直线段按不同次序和长度比例组合而成的微孔阵列，如按a)-->b)-->a)交替次序等长度组合为微孔阵列。

<实施例二>

如图5所示，是连续的一组微孔阵列，由平行于横截面在管壁的多组弧线和由平行于轴向方向的多组直线段连接组成，这些弧线和直线段组合延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋；也可以是由平行于轴向方向的多组直线段和不平行于横截面在管壁的多组弧线连接组成，这些直线段和弧线组合延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋；也可以是由平行于横截面在管壁的多组弧线和不平行于轴向方向的多组弧线段连接组成，这些不同弧线段组合延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋；也可以由既不平行于横截面也不平行于轴向方向的多组弧线连接组成，这些弧线组合延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋，也可以是顺时针和逆时针螺旋按不同次序的组合；也可以是由以上所述的各种不同弧线和直线段按不同次序和长度比例组合连接而成。

图5中的微孔阵列均为延轴向依次递进在管壁周向呈现逆时针螺旋，为了简化内管壁背面的弧线或直线段均没有在图中显示：

图5(d)平行于横截面在管壁的1条弧线和由平行于轴向方向的1条直线段依次连接组成的微孔阵列。

图5(e)平行于横截面在管壁的2条弧线和由平行于轴向方向的1条直线段依次连接组成的微孔阵列。

图5(f)平行于横截面在管壁的1条弧线和由平行于轴向方向的2条直线段依次连接组成的微孔阵列。

图5(g)由平行于横截面在管壁的多组弧线和不平行于轴向方向的多组弧线段连接组成的微孔阵列。

图5(h)由平行于轴向方向的多组直线段和不平行于横截面在管壁的多组弧线连接组成的微孔阵列。

图5(i)由既不平行于横截面也不平行于轴向方向的多组弧线连接组成的微孔阵列。

<实施例三>

如图6所示，是连续的一组微孔阵列，由既不平行于横截面也不平行于轴向方向的多组弧线组成，这些弧线类似于缠绕在管壁周向的线圈相互之间平行分布，这些弧线组合延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋；也可以是顺时针和逆时针螺旋按不同次序和长度比例的组合。

图6以下微孔阵列均为延轴向依次递进在管壁周向呈现逆时针螺旋或顺时针螺旋，虚线部分显示的是内管壁背面的弧线或直线段：

图6(j)类似于缠绕在管壁周向的线圈相互之间平行分布的逆时针螺旋连续多组微孔阵列。

图6(k)类似于缠绕在管壁周向的线圈相互之间平行分布的顺时针螺旋连续多组微孔阵列。

图6(l)类似于缠绕在管壁周向的线圈相互之间平行分布的逆时针螺旋和顺时针螺旋组合的连续多组微孔阵列。

实用案例：

该微孔涡流套管反应器的内管中可以集成有类似静态混合器的混合芯子，内管的完全无孔区可以延长实现更长停留时间的反应器或者与其他微通道反应器集成使用；而且根据实际工艺要求对于该基本组合单元进行并联或串联方便调整工艺需要的停留时间适用于医药化工和精细化工中更复杂的化学反应工艺。使用的微孔套管混合器和反应器的详细设计和加工技术参数分别如实施例四-八所示：

<实施例四>

由不锈钢316L采用激光加工制作的微孔涡流套管混合器和反应器由以下3基本组合单元并联而成：内管壁微孔阵列为图4(b)所示平行于轴向方向的多组直线段组成的微孔阵列，直线段的长度为微孔孔径的8倍长度，上述微孔直线段相互间在横切径向方向有30％的部分重叠，相邻直线段与圆心所形成的二面角的角度为60°；内管壁上微孔孔径为30微米，微孔在管壁上的开孔方向与管壁内物料流动轴向方向二面角的角度为90°；内管外径为8毫米；环形微通道径向间距为750微米，内外管为弯曲半径25毫米的同心盘管，总长为900毫米，其中包含微孔阵列的有孔区13的长度为100毫米，在外管封闭后内管的无孔区延长800毫米形成微孔涡流套管反应器；分别通过外管或内外管环形通道的分散相和通过内管的连续相采用错流的方式输送物料。

<实施例五>

由哈氏合金采用3D打印技术制作的微孔涡流套管混合器和反应器由以下2个基本组合单元串联而成。

其中第一基本单元：内管壁微孔阵列为图5(e)所示平行于横截面在管壁的2条弧线和由平行于轴向方向的1条直线段依次连接组成的微孔阵列,每组2条相邻弧线段在横截面上投射后与圆心形成的扇形角度为90°，在轴向上的距离为微孔孔径的3倍长度,直线段的长度为微孔孔径的7倍长度；内管壁上微孔孔径为60微米，微孔在管壁上的开孔方向与管壁内物料流动方向二面角的角度为90°；内管外径为10毫米，环形微通道径向间距为250微米；内外管为同心直管，其中包含微孔阵列的有孔区13的长度为30毫米，在外管封闭后内管的无孔区延长180毫米形成微孔涡流套管反应器；上述微孔涡流套管混合器和反应器均集成有套管式换热器组合为微孔涡流套管反应器基本组合单元；分别通过外管或内外管环形通道的分散相和通过内管的连续相采用并流的方式输送物料。

第二基本单元：内管壁微孔阵列为图5(g)所示平行于横截面在管壁的多组弧线和不平行于轴向方向的多组弧线段连接组成的微孔阵列，弧线段在横截面上投射后与圆心形成的扇形角度为90°，弧线段重叠部分在横截面上投射后与圆心形成的扇形角度为30°，相邻弧线段在轴向上的距离为微孔孔径的6倍长度；内管壁上微孔孔径为60微米，微孔在管壁上的开孔方向与管壁内物料流动方向二面角的角度为90°；内管外径为12毫米，环形微通道径向间距为500微米；内外管为同心直管，其中包含微孔阵列的有孔区13的长度为200毫米，在外管封闭后内管的无孔区延长250毫米形成微孔涡流套管反应器；上述微孔涡流套管混合器和反应器均集成有套管式换热器组合为微孔涡流套管反应器基本组合单元；分别通过外管或内外管环形通道的分散相和通过内管的连续相采用并流的方式输送物料。

其中第一基本单元的物料出口与第二基本单元的内管进口相连；第一基本单元和第二基本单元的外管进口根据工艺要求可以分别输入相同物料或不同物料。

<实施例六>

由不锈钢316L采用激光加工制作的微孔涡流套管混合器和反应器由以下2个基本组合单元和1段静态混合器串联而成。

其中第一基本单元：内管壁微孔阵列为图5(h)由平行于轴向方向的多组直线段和不平行于横截面在管壁的多组弧线连接组成的微孔阵列,直线段的长度为微孔孔径的6倍长度,上述微孔直线段相互间在横切径向方向有部分重叠(15％)，相邻直线段与圆心所形成的二面角的角度为30°；内管壁上微孔孔径为60微米，微孔在管壁上的开孔方向与管壁内物料流动方向二面角的角度为120°；内管外径为12毫米，环形微通道径向间距为1毫米；内外管为同心直管，其中包含微孔阵列的有孔区13的长度为50毫米，在外管封闭后内管的无孔区延长20毫米形成微孔涡流套管反应器；上述微孔涡流套管混合器和反应器均集成有套管式换热器组合为微孔涡流套管反应器基本组合单元；分别通过外管或内外管环形通道的分散相和通过内管的连续相采用并流的方式输送物料。

第二基本单元：内管壁微孔阵列为图6(k)所示类似于缠绕在管壁周向的线圈相互之间平行分布的顺时针螺旋连续多组微孔阵列，弧线段所在平面与内管横截面的二面角为60°或30°，线圈弧线段在轴向上的距离为微孔孔径的8倍长度；内管壁上微孔孔径为75微米，微孔在管壁上的开孔方向与管壁内物料流动轴向方向二面角的角度为45°；内管外径为16毫米，环形微通道径向间距为1.5毫米；内外管为同心直管，其中包含微孔阵列的有孔区13的长度为100毫米，在外管封闭后内管的无孔区延长10毫米形成微孔涡流套管反应器；上述微孔涡流套管混合器和反应器均集成有套管式换热器组合为微孔涡流套管反应器基本组合单元；分别通过外管或内外管环形通道的分散相和通过内管的连续相采用并流的方式输送物料。

静态混合器：采用外径16毫米、壁厚1毫米的不锈钢316L管280毫米长，使用外径14毫米的SV型混合芯子，材质为不锈钢316L，单元长度为14毫米，共20个单元组合。

其中第一基本单元的物料出口与第二基本单元的内管进口相连，然后第二基本单元的物料出口和静态混合器进口相连。第一基本单元和第二基本单元的外管进口根据工艺要求可以分别输入相同物料或不同物料。

<实施例七>

由哈氏合金采用3D打印技术制作的、集成有静态混合器混合芯子的微孔涡流套管混合器和反应器基本组合单元。

基本组合单元如下：内管壁微孔阵列为图5(f)所示平行于横截面在管壁的1条弧线和由平行于轴向方向的2条直线段依次连接组成的微孔阵列，沿轴向依次递进在管壁周向呈现逆时针螺旋，弧线段在横截面上投射后与圆心形成的扇形角度为90°，每组相邻2条直线段与圆心所形成的二面角的角度为15°，直线段的长度为微孔孔径的6倍长度；内管壁上微孔孔径为50微米，微孔在管壁上的开孔方向与管壁内物料流动轴向方向二面角的角度为60°；内管外径为10毫米，环形微通道径向间距为1毫米；内外管为同心直管，其中包含微孔阵列的有孔区13的长度为120毫米，在外管封闭后内管的无孔区延长120毫米形成微孔涡流套管反应器；内管壁厚为1毫米，在内管中集成有外径8毫米的SK型螺旋(180°螺旋)混合芯子，总长度240毫米，材质为哈氏合金，共20个基本单元一体成型。上述微孔涡流套管混合器和反应器均集成有套管式换热器组合成为微孔涡流套管反应器基本组合单元；分别通过外管或内外管环形通道的分散相和通过内管的连续相采用错流的方式输送物料。

<实施例八>

由不锈钢316L采用激光加工制作的、集成有静态混合器混合芯子的微孔涡流套管混合器和反应器基本组合单元和1段静态混合器串联而成。

基本组合单元如下：内管壁微孔阵列为图6(j)所示类似于缠绕在管壁周向的线圈相互之间平行分布的逆时针螺旋连续多组微孔阵列，弧线段所在平面与内管横截面的二面角为45°，线圈弧线段在轴向上的距离为微孔孔径的8倍长度；内管壁上微孔孔径为40微米，微孔在管壁上的开孔方向与管壁二面角的角度为90°；内管外径为8毫米，环形微通道径向间距为250微米；内外管为同心直管，其中包含微孔阵列的有孔区13的长度为120毫米，在外管封闭后内管的无孔区延长180毫米形成微孔涡流套管反应器；内管壁厚为1毫米，在内管无孔区中集成有外径6毫米的SK型螺旋(270°螺旋)混合芯子，总长度180毫米，材质为不锈钢316L，共20个基本单元一体成型。上述微孔涡流套管混合器和反应器均集成有套管式换热器组合为微孔涡流套管反应器基本组合单元；分别通过外管或内外管环形通道的分散相和通过内管的连续相采用并流的方式输送物料。

静态混合器：采用外径8毫米、壁厚1毫米的不锈钢316L管240毫米长，使用外径6毫米的SX型混合芯子，材质为不锈钢316L，单元长度为12毫米，共20单元组合。

微孔涡流套管混合反应器的物料出口和静态混合器进口相连。

Claims (15)

1.一种微孔涡流套管反应器，其特征在于：

基本组合单元，包括一根外管和一根内管，内管设有连续相进口和出口，外管一端为分散相进口另一端为封闭端，内管两端之间沿管壁周向和轴向两个维度设计分布有微孔阵列，当分散相通过内管壁的微孔后在内管中形成涡流；

内管壁微孔分布是不连续的多组微孔阵列，包括平行于横截面在管壁的多组弧线，这些弧线延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋；

或者包括平行于轴向方向的多组直线段，这些直线段延径向和轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋；

或者包括既不平行于横截面也不平行于周向方向的多组弧线，同样这些弧线延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋，或者是顺时针和逆时针螺旋按预定次序的组合；

或者包括不同弧线或直线段按预定次序和长度比例组合。

2.一种微孔涡流套管反应器，其特征在于：

基本组合单元，包括一根外管和一根内管，内管设有连续相进口和出口，外管一端为分散相进口另一端为封闭端，内管两端之间沿管壁周向和轴向两个维度设计分布有微孔阵列，当分散相通过内管壁的微孔后在内管中形成涡流；

内管壁微孔分布是连续的一组微孔阵列，包括平行于横截面在管壁的多组弧线和平行于轴向方向的多组直线段，这些弧线和直线段组合延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋；

或者包括平行于轴向方向的多组直线段和不平行于横截面在管壁的多组弧线，这些直线段和弧线延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋；

或者包括平行于横截面在管壁的多组弧线和不平行于轴向方向的多组弧线段连接组成，这些不同弧线段组合延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋；

或者包括既不平行于横截面也不平行于轴向方向的多组弧线，这些弧线组合延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋，或者是顺时针和逆时针螺旋按预定次序的组合；

或者包括以上所述的各种不同弧线和直线段按预定次序和长度比例组合连接。

3.根据权利要求1或2所述的微孔涡流套管反应器，其特征在于：

所述微孔弧线段相互间在轴向方向没有重叠或有部分重叠，相邻弧线段在横截面上投射后与圆心形成的扇形角度为5-320°；

所述微孔直线段相互间在横切径向方向没有重叠或有部分重叠，相邻直线段与圆心所形成的二面角的角度为5-180°。

4.根据权利要求3所述的微孔涡流套管反应器，其特征在于：

所述微孔弧线段相互间在轴向方向没有重叠或有部分重叠，相邻弧线段在横截面上投射后与圆心形成的扇形角度为10-240°；

所述微孔直线段相互间在横切径向方向没有重叠或有部分重叠，相邻直线段与圆心所形成的二面角的角度为10-120°。

5.根据权利要求4所述的微孔涡流套管反应器，其特征在于：

所述微孔弧线段相互间在轴向方向没有重叠或有部分重叠，相邻弧线段在横截面上投射后与圆心形成的扇形角度为15-180°；

所述微孔直线段相互间在横切径向方向没有重叠或有部分重叠，相邻直线段与圆心所形成的二面角的角度为15-90°。

6.根据权利要求5所述的微孔涡流套管反应器，其特征在于：

所述微孔弧线段相互间在轴向方向没有重叠或有部分重叠，相邻弧线段在横截面上投射后与圆心形成的扇形角度为30-120°；

所述微孔直线段相互间在横切径向方向没有重叠或有部分重叠，相邻直线段与圆心所形成的二面角的角度为30-75°。

7.根据权利要求2所述的微孔涡流套管反应器，其特征在于：

内管壁的微孔分布是连续的一组微孔阵列由既不平行于横截面也不平行于轴向方向的多组弧线组成，

所述多组弧线，沿内管的圆柱螺旋线分布，

所述多组弧线，延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋；或者是顺时针和逆时针螺旋按预定次序分布。

8.根据权利要求1或2所述的微孔涡流套管反应器，其特征在于：

内管壁微孔由多孔材料构成，或者由数控精密机械制造，或者通过如飞秒激光或者3D打印的加工工艺制造。

9.如权利要求1或2所述的微孔涡流套管反应器，其特征在于：

所述内管壁上微孔孔径范围为0.05微米-2毫米；开孔率为5-80％；

所述内管外径范围为0.5毫米-500毫米；

所述内管和所述外管之间的环形通道径向间距为100微米-5毫米；

微孔在管壁上的开孔方向与管壁切线面所成二面角的角度为5°-175°。

10.如权利要求9所述的微孔涡流套管反应器，其特征在于：

所述内管壁上微孔孔径范围为5-200微米；开孔率为30-60％；

所述内管外径范围为5-300毫米；

所述环形通道径向间距为200微米-1毫米；

微孔在管壁上的开孔方向与管壁切线面所成二面角的角度为15°-75°或105°-160°。

11.如权利要求1或2所述的微孔涡流套管反应器，其特征在于：

形成套管的内外管外观为同心直管、弯管或者盘管，

通过外管或环形通道的分散相和通过内管的连续相为并流或者错流，然后从内管的出口输出混合后的流体混合物。

12.如权利要求1或2所述的微孔涡流套管反应器，其特征在于，包括：

所述微孔涡流套管的内管完全无孔区能够延长，

包含微孔阵列的有孔区与完全无孔区的长度比例为10：1～1：30；包含微孔阵列的有孔区的长度为10微米-1米。

13.如权利要求12所述的微孔涡流套管反应器，其特征在于，包括：

所述微孔涡流套管的内管完全无孔区能够延长，

包含微孔阵列的有孔区与完全无孔区的长度比例为5：1～1：20；包含微孔阵列的有孔区的长度为50微米-500毫米。

14.如权利要求13所述的微孔涡流套管反应器，其特征在于，包括：

所述微孔涡流套管的内管完全无孔区能够延长，

包含微孔阵列的有孔区与完全无孔区的长度比例为4：1～1：10；包含微孔阵列的有孔区的长度为100微米-300毫米。

15.如权利要求1或2所述的微孔涡流套管反应器在气体吸收、液液混合为乳液或者液液形成固体沉淀反应中的应用，其特征在于，所述应用包括：合成微纳米颗粒的工艺、使用敷酸剂产生盐沉淀的反应工艺或者丁基锂参与的形成不溶于体系的锂盐沉淀的反应工艺。

Images