CN108745223A - 一种具有余热回收利用功能的高效微反应器系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及化工领域，提出一种具有余热回收利用功能的高效微反应器系统，包括：用于存储流体的第一容器(1)和第二容器(2)；微结构装置(7)，包括顺序连接的第一换热段(71)和第二换热段(72)，包括交错排列的换热通道(74)和流体通道(75)，其中流体通道(75)贯穿所述微结构装置(7)，第一换热段(71)连接到第一容器(1)，第二换热段(72)连接到第二容器(2)；反应装置，反应装置的第一输入管道(51)连接到第一换热段(71)，反应装置的第二输入管道(52)连接到第二换热段(72)，输出流体管道(53)连接到流体通道(75)。本发明加强了冷却效果，反应物预热与余热回收同时进行，增加了产量，降低了热量消耗。
Description
技术领域
本发明涉及流体反应技术，更具体地，涉及一种一种具有余热回收利用功能的高效微反应器系统。
背景技术
草铵膦是一种具有部分内吸作用的高效、低毒、非选择性(灭杀性)触杀型有机磷类除草剂，由德国Hoechst公司最先开发，商品名为Basta，是外消旋混合物。随着草甘膦抗性杂草、百草枯强毒性问题的出现，草铵膦受到广泛的重视。草铵膦合成中，其中，中间体甲基二氯化膦的合成是最为关键的一步。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明提出了一种微反应器和吸附器来进行合成。本发明采用直接合成法，即甲烷气与三氯化磷直接反应，条件在600摄氏度，生产成甲基二氯化膦。我们针对第一步设计了本反应器。反应方程式为：CH4+PCl3→HCl+CH3PCl2。
本发明提出一种一种具有余热回收利用功能的高效微反应器系统，包括：用于存储流体的第一容器和第二容器；微结构装置，包括顺序连接的第一换热段和第二换热段，第一换热段和第二换热段分别包括交错排列的换热通道和流体通道，其中流体通道贯穿所述微结构装置，第一换热段的换热通道的输入端连接到第一容器，第二换热段的换热通道的输入端连接到第二容器；以及反应装置，反应装置的第一输入管道连接到第一换热段的换热通道的输出端，反应装置的第二输入管道连接到第二换热段的换热通道的输出端，反应装置的输出流体管道连接到微结构装置的流体通道，其中第一容器和第二容器内的流体在反应装置内汇集。
可选地，流体通道交错排列的换热通道，第三换热段的换热通道内输入冷凝剂。
可选地，微结构装置还包括收集管，收集管连接到第三换热段。
可选地，所述反应装置为吸附器，吸附器内布满颗粒活性炭，所述吸附器外表缠绕有加热管。
可选地，所述反应装置包括顺序连接的管道过滤器和微通道反应器，微通道反应器设置在吸附器之前，微通道反应器外表缠绕有加热管。
可选地，所述反应装置包括顺序连接的反应器组，每一组包括顺序连接的管道过滤器、微通道反应器和吸附器。
可选地，所述的反应系统还包括：第一换热器，第一换热器设置在微结构装置的第二热交换段和反应器的第一输入管道之间；和第二换热器，第二换热器设置在微结构装置的第一热交换段和反应器的第二输入管道之间。
可选地，所述的反应系统还包括：收集容器，收集容器连接到收集管之后，收集容器底部安装了液位仪，出口处安装了液压阀，当液体产物在收集容器内到高于一定液位高度时，液压阀打开，当液位降低到一定液位高度时，液压阀关闭。
可选地，收集容器的顶部设置有圆柱体换热器，中空并密布微孔；圆柱体换热器具有通气通道和冷却液通道，冷却后的流体输送回所述反应装置。
可选地，换热通道和流体通道上下分层交错排列。
本发明的有益效果为：
本发明设计了一整套包括微反应器的反应装置制取草铵膦中间产物甲基二氯膦，该产物制备条件苛刻，产率较低，本发明加强了冷却效果，反应物预热与余热回收同时进行；自动气液分离装置精确地收集产物并回收过量反应物。
附图说明
图1为本发明的反应系统的结构原理图。
图2为图1中的反应装置的一个实施方式的结构原理图。
图3为图2中的反应装置的剖面图。
图4为图1中的反应装置一个实施方式的结构原理图。
图5为图4中的反应装置的剖面图。
图6为图5中的微通道反应器的立体图。
图7为图1中的微结构装置的结构原理图。
图8为图7中的微结构装置的一部分的结构原理图。
图9为图7中的微结构装置的一部分的结构原理图。
图10为图1中的微结构装置和收集容器的结构原理图。
图11为图1中的反应器、微结构装置和收集容器的结构示意图。
附图标记
第一容器1、第二容器2、第一换热器3，第二换热器4、反应装置5、第一输入管道51、第二输入管道52、输出管道53、压缩机6、微结构装置7、第一换热段71、第二换热段72、第三换热段73、换热管道74、流体管道75、收集管76、液位计8、自动液压阀9、收集容器10、微通道反应器11、管道过滤器12、吸附器13、换热器14。
具体实施方式
下面参照附图描述本发明的实施方式，其中相同的部件用相同的附图标记表示。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合。
本发明以制造草铵膦中间产物甲基二氯化膦为例来进行描述，但是本发明不限于此。
如图1所示，本发明的反应系统包括第一容器1，第一容器1用于盛放第一种流体，例如盛放三氯化磷，第一容器1的出口安装有泵，第一容器1内的三氯化磷通过该泵打入管道。第二容器2用于第一种流体，例如甲烷，优选地在第二容器2的出口处装有流量器，来计量输出的甲烷的量。
第一容器1通过管道连接到微结构装置7的第一换热段71，第二容器2通过管道连接到微结构装置7的第二换热段72。第二容器1和第二容器2内的流体在微结构装置7进行换热后分别通过管道连接到第二换热器4和第一换热器3。
第一换热器3和第二换热器4可以为电阻加热器。在第一换热器3和第二换热器4内，三氯化磷和甲烷分别被加热到600℃，都为气体。第一换热器3和第二换热器4分别连接到反应装置5的第一输入管道51和第二输入管道52，三氯化磷和甲烷在反应装置5的内进行反应，生成反应产物甲基二氯化膦，同时还会有过量的甲烷。反应装置5的输出管道53连接到微结构装置7的流体通道75。
下面来详细描述反应装置5，图2显示了反应装置的一个实施方式的立体图。图3显示了反应装置的剖面图。
反应装置5可以是吸附器13，吸附器13是一个直径为3cm的管式反应器，第一输入管道51通入加热后的甲烷，第二输入管道52通入加热后的三氯化磷，流体管道53输出反应产物甲基二氯化膦和过量甲烷。吸附器13里面布满颗粒活性炭。因为甲基二氯化膦和甲烷的反应过程中会产生HCl气体，对产物的提取会造成不必要的影响，本发明采用高温活性炭55作为缚酸剂吸附HCl气体，同时活性炭会吸附反应物甲烷，这会增大甲烷与三氯化磷的接触面积，所以还能够起到提高反应转化率的作用。吸附器13的管外缠绕着加热管54，使得反应温度持续保持在600℃。
图4-5显示了反应装置的另一个实施方式，反应装置是由直径为3cm的管式吸附器13和1.5cm的微通道反应器11交错组合而成，共分4节，第一节和第三节为管式吸附器13，第二节和第四节为微通道反应器11。管式吸附器13与微通道反应器11通过螺母相互拧合。管式吸附器13里面布满特殊的颗粒活性炭，其结构与图2-3所示的吸附器相同。管式吸附器13由两部分拧合而成，方便定期拆卸，管外缠绕着加热管，并且通过微通道高效的把热量传递到反应流体。通过良好的温度控制、较短的反应时间以增加收率。
微通道反应器11内部设置有多个通道。以使得流体在微通道反应器11内能够充分混合，图5的圆圈部分显示了微通道反应器11的截面图，图6显示了微通道反应器11的立体图。微通道反应器11内部设置有多个微通道，供流体进行快速进行热交换。微通道反应器11也可以缠绕加热管，均匀分布在方形微通道的边上，使得流体能开始初步反应。
可选地，在微通道反应器11前面各装有一个管道过滤器12，管道过滤器12的截面上具有筛孔，以过滤杂质。管道过滤器12的两个通道分别通入甲烷和三氯化磷，两者经过反应得到反应产物甲基二氯化膦和过量甲烷。反应过程中会产生HCl气体，限制反应平衡的移动，管式吸附器13内的高温活性炭作为缚酸剂吸附HCl气体，促使反应平衡向右进行。同时活性炭会吸附反应物甲烷，这会增大甲烷与三氯化磷的接触面积，起到提高反应转化率的作用。另外，在管式吸附器13的产物出口处设置有滤网，以阻挡活性炭流出。
下面来详细描述微结构装置7，图7显示了微结构装置7的结构示意图，图8显示了微结构装置7的部分放大图，图9显示了图8中的尺寸示意图。
吸附器13得到的产物与过量甲烷进入微结构装置7，微结构装置7可以由3D打印技术制成。微结构装置7为三段式中空结构，每一段的换热通道为层状结构，流体通道与换热通道交错排列，流体通道贯穿整个微结构装置7，如图5所示。
具体地，微结构装置7包括第一换热段71、第二换热段72和第三换热段73。每一段的直径大约为2cm。每一个换热段包括上下分层交错排列的换热通道74和流体通道75，换热通道74连接到第一容器1，用于输入三氯化磷，起到冷凝产物的作用。类似的，第二换热段72的换热通道连接到第二容器2，用于输入甲烷，起到冷凝产物的作用。第三换热段73的换热通道用于输入冷却液，起到冷凝产物的作用，进一步对反应产物进行冷却。在一个实施例中，片状流体通道75的间距为500μm，换热通道74可以为边长400μm的方形管道，换热通道74和片状流体通道75的距离可以为200μm，两个换热通道74之间的间距可以为400μm。因为微结构装置7内的是多个微通道，因此连接到微结构装置7的各个管路的接口可以是特殊的一分多的接头，即，一个粗的管路扇形扩散，分叉为多个维通道。
第一容器1和第二容器2内的流体到达微结构装置7后，利用第一换热段71和第二换热段72，因为换热的原因会被加热到接近反应温度，即300℃。进而到达吸附器13时，更容易加热到反应温度600℃参与反应。同时，吸附器13输出的流体通道53通过微结构装置7的流体管道75输出，使得从吸附器13输出的近600℃的反应物热量传递给从第一容器1和第二容器2传输过来的三氯化磷和甲烷。从而，整个回路形成了一个闭环系统，冷却产物的同时预热反应物，节省了大量热能。
微结构装置7的换热部分(第一换热段、第二换热段和第三换热段)总长10cm，宽和高各3cm，层状流道可以设置20层，换热管道可以设置21层。
如图7所示，微结构装置7还包括收集管76，收集管76连接到第三换热段73。
如图1和图11所示，本发明的反应系统还包括收集容器10，收集容器10为一个腔体，腔体分为两部分，下半部分为直径15cm，高25cm的杯状结构，由机械加工制得。收集容器10底部安装了液位仪8，出口处安装了液压阀9。当液体产物在收集容器10内到一定液位高度时，液压阀9打开，液体产物通过管道流出腔体，当液位降低到液位仪8以下时，液压阀9关闭，目的是为了防止甲烷气与产物一同流出。收集容器10的上半部分与下半部分法兰连接，上半部分为多个圆柱体换热器14，换热器14的结构类似微结构装置7的第一换热段71。换热器中空并密布直径为300μm的微孔，高度2cm，换热器14的侧面同样注入常温冷却液用作将未及时冷凝的气体产物进一步冷凝下来，并使过量的甲烷通过该结构回收，加热，然后通过压缩机6输出到第一换热器3，重新参与反应。
在本发明的一个实验中，三氯化磷气体和甲烷气体的混合气体，加热到600度，常压下停留时间5分钟，则三氯化磷转化率100％，收率68％。
优选地，如前所述的反应装置5、微结构装置7、微通道反应器11、管道过滤器12、吸附器13在成型后，利用原子层沉积技术进行涂层，用于防腐。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种具有余热回收利用功能的高效微反应器系统，其特征在于，包括：
用于存储流体的第一容器(1)和第二容器(2)；
微结构装置(7)，包括顺序连接的第一换热段(71)和第二换热段(72)，第一换热段(71)和第二换热段(72)分别包括交错排列的换热通道(74)和流体通道(75)，其中流体通道(75)贯穿所述微结构装置(7)，第一换热段(71)的换热通道(74)的输入端连接到第一容器(1)，第二换热段(72)的换热通道(74)的输入端连接到第二容器(2)；
反应装置(5)，反应装置(5)的第一输入管道(51)连接到第一换热段(71)的换热通道(74)的输出端，反应装置的第二输入管道(52)连接到第二换热段(72)的换热通道(74)的输出端，反应装置的输出流体管道(53)连接到微结构装置(7)的流体通道(75)，其中第一容器(1)和第二容器(2)内的流体在反应装置内汇集。
2.根据权利要求1所述的反应系统，其特征在于，
所述微结构装置(7)还包括第三换热段(73)，包括和所述流体通道(75)交错排列的换热通道(74)，第三换热段(73)的换热通道(74)内输入冷凝剂。
3.根据权利要求2所述的反应系统，其特征在于，
微结构装置(7)还包括收集管(76)，收集管(76)连接到第三换热段(73)。
4.根据权利要求1所述的反应系统，其特征在于，
所述反应装置为吸附器(5)，吸附器(5)内布满颗粒活性炭，所述吸附器(5)外表缠绕有加热管(54)。
5.根据权利要求4所述的反应系统，其特征在于，
所述反应装置包括顺序连接的管道过滤器(12)和微通道反应器(11)，微通道反应器(11)设置在吸附器(5)之前，微通道反应器(11)外表缠绕有加热管。
6.根据权利要求5所述的反应系统，其特征在于，
所述反应装置包括顺序连接的，每一组包括顺序连接的管道过滤器(12)、微通道反应器(11)和管式吸附器(5)。
7.根据权利要求1所述的反应系统，其特征在于，还包括：
第一换热器(3)，第一换热器(3)设置在微结构装置(7)的第二热交换段(72)和反应装置的第一输入管道(51)之间；
和第二换热器(4)，第二换热器(4)设置在微结构装置(7)的第一热交换段(71)和反应装置的第二输入管道(52)之间。
8.根据权利要求2所述的反应系统，其特征在于，还包括：
收集容器(10)，收集容器(10)连接到收集管(76)之后，收集容器(10)底部安装了液位仪(8)，出口处安装了液压阀(9)，当液体产物在收集容器(10)内到高于一定液位高度时，液压阀(9)打开，当液位降低到一定液位高度时，液压阀(9)关闭。
9.根据权利要求8所述的反应系统，其特征在于，
收集容器(10)的顶部设置有圆柱体换热器，中空并密布微孔；圆柱体换热器具有通气通道和冷却液通道，冷却后的流体输送回所述反应装置。
10.根据权利要求2所述的反应系统，其特征在于，
换热通道(74)和流体通道(75)上下分层交错排列。
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| CN201810637319.3A CN108745223A (zh) | 2018-06-20 | 2018-06-20 | 一种具有余热回收利用功能的高效微反应器系统 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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