CN109647305A - 连续式感应热反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了连续式感应热反应器，属于化工、食品和环境技术领域。包括：磁回路、初级线圈、磁耦合管、反应腔室。磁回路由导磁材料构成，初级线圈和磁耦合管都缠绕于磁回路，磁耦合管与反应腔室相连接；进样口和出样口设置在磁耦合管或反应腔室的正中间位置。当电源对初级线圈施加电压后，磁回路中承载的总磁通量范围为0‑10Wb，反应腔室内径小于磁耦合管内径，磁回路中的交变磁通可引发反应腔室中的物料或反应介质产生出电流密度为1‑80A/cm2的感应电流，以致其迅速生热。该反应器对电导性的低磁导率样品加热不采用任何金属极板和电极，无需外部热源或辐射，安全，进样口和出样口无漏电，安全，适合开放式的连续流处理。

Description

连续式感应热反应器
技术领域
本发明涉及一种连续式感应热反应器，属于化工、食品和环境技术领域。
背景技术
上世纪，欧美等发达国家为了实现磁热杀菌，研究者将液态食品线圈放置于交变磁场中，希望利用感应电流来诱导其感应热效应(inductive heating)，遗憾的是，最终并没有在样品中观测到热效应的出现，即无法实现液态食品的磁热杀菌处理(参考文献：Sudhir K.Sastry；Jeffrey T.Barach.Ohmic heating and inductive heating.Journalof Food Science,65(4),42-46.)。这是因为通常情况下，液态样品(液态食品、生化溶液、植物浸提液、有机废液等)具有极低的磁导率，即它们的相对磁导率接近于零，因此不会对交变磁场产生响应。也就是说，当交变磁场直接作用于上述低磁导率液态样品时，在其内部不会出现涡流效应(涡流或感应电流，eddy current or induced current)，进而也不会出现热效应。各类化学反应、杀菌处理、提取和水解加工都需要向物料输入能量。因此，热处理技术都期望能针对样品进行高效率的加热并在其内部完成极快速的传热和传质过程。过去几十年，各种新的物理场辅助加热技术孕育而生，比如射频加热、微波加热、欧姆加热均能针对上述液态样品进行快速的加热处理。传统的感应加热技术虽然采用了交变磁场作为激励源，但只能加热高磁导率的铁基类材料。
除了高效的加热外，上述技术(射频加热、微波加热、欧姆加热)也存在不同程度的差异。射频加热和微波加热属于介电加热技术，它们是利用不同频率的电磁波来对偶极矩各异的分子进行激励从而导致的发热。欧姆加热又称焦耳加热或电阻加热，它通常使用金属的极板与样品直接接触，利用电场在电导性样品内部激发出足够大的电流密度来诱导其快速生热。但欧姆加热处理会引起不良的极板间电化学反应、导致极板腐蚀或结垢、出现加工效率降低、重金属泄露和样品污染等问题。特别是在酸性和碱性环境、及大电流密度下，上述问题会立即呈现，故极大的限制了欧姆加热的应用范围。另外，射频加热虽然也使用金属极板，但样品无需与之发生直接的物理接触，所以没有上述问题出现，但样品温升速率不及欧姆电场处理。这是因为射频加热中极板发射的特定频率电磁波只作用于物理尺寸与该电磁波波长相当的大分子物质。
目前学术界和工业界中都无法直接利用交变磁场来对低磁导率样品进行激励从而快速的生热。针对上述问题，亟需开发一种新型的物理场致热反应器。
发明内容
本发明涉及的连续式感应热反应器利用磁回路中的交变磁通对连续流的低磁导率物料或反应介质进行激励，让其快速生热。且通过将进样口和出样口设置于磁耦合管或反应腔室的正中位置，保证各支路的连续流物料或反应介质在反应腔室的停留时间相等，连续流物料或反应介质可一次性通过反应腔室完成连续式处理，对于大批量的连续流物料或反应介质进行处理时，无需人工介入即可连续完成所有连续流物料或反应介质的热反应过程。
该连续式感应热反应器除了实现对液态样品的快速传热和传质外，绿色且无污染，适于在热杀菌，热灭酶，热提取及催化合成中运用。该连续式感应热反应器的核心参数为磁回路的导磁材料初始磁导率以及它能承载的总磁通量Φ，其中的总磁通量Φ等于磁回路中的磁通密度B和磁回路的有效导磁面积S之积，即Φ＝BS。初级线圈和磁耦合管间的电压比例遵循法拉第电磁感应原理。反应腔室中的物料或反应介质阻抗Z可采用阻抗分析仪进行测试，以便根据欧姆定律推算其感应电流密度J，即I＝U/Z，J＝I/S，其中U—反应腔室两端的感应电压即有效电势差；I—反应腔室中的感应电流强度；S—反应腔室的截面积。
该连续式感应热反应器可进行模块化的串联，以提高加工效率。
本发明的第一个目的在于提供连续式感应热反应器，包括：磁回路、初级线圈、磁耦合管、反应腔室；
其中，进样口和出样口设置于磁耦合管或反应腔室的正中位置，保证各支路的连续流物料或反应介质在反应腔室的停留时间相等，连续流物料或反应介质一次性通过反应腔室完成连续式处理；
磁回路由导磁材料构成，初级线圈和磁耦合管缠绕于磁回路，磁耦合管与反应腔室相连接；所述连续式感应热反应器包括至少一个磁耦合管、至少一个反应腔室。
在一种实施方式中，反应腔室和磁耦合管为反应介质流动的支撑物且具有电绝缘性，反应腔室内径小于磁耦合管内径。
在一种实施方式中，反应腔室截面积与磁耦合管的截面积之比为1:1.3～1:50。
在一种实施方式中，电源对初级线圈施加电压后，磁回路中承载的总磁通量范围为0-10Wb，磁回路的初始磁导率为800-90000。
在一种实施方式中，磁回路中的交变磁通可引发磁耦合管中具有电导性的低磁导率反应介质产生出有效的电势差，使得反应腔室中的物料或反应介质的感应电流密度为1-80A/cm2，以导致样品迅速生热。
在一种实施方式中，物料或反应介质的电导率在0.1-40S/m范围。
在一种实施方式中，感应电流回路仅存在于磁耦合管和反应腔室之间，进样口和出样口无漏电，安全，用于开放的连续流处理。
在一种实施方式中，反应腔室和磁耦合管具有电绝缘性。
本发明的第二个目的在于提供一种加热装置，所述加热装置采用上述连续式感应热反应器，所述加热装置对电导率在0.1-40S/m范围内的物质进行加热。
在一种实施方式中，所述物质为可流动物质。
本发明的第三个目的在于提供上述连续式感应热反应器和/或上述加热装置在化工、食品和环境领域中的应用。
本发明有益效果
本发明提供的连续式感应热反应器，通过利用交变磁场并通过合理的电路结构设计使低磁导率的物料或反应介质快速生热；且通过将进样口和出样口设置于磁耦合管或反应腔室的正中位置，保证各支路的连续流物料或反应介质在反应腔室的停留时间相等，样品可一次性通过反应腔室完成连续式处理，对于大批量的连续流物料或反应介质进行处理时，无需人工介入即可连续完成所有连续流物料或反应介质的热反应过程。该感应热反应器对样品的加热不采用任何金属极板和电极，无外部热源和辐射，绿色且高效，适合连续式处理。
本发明工作原理
感应热反应器的原理是利用磁回路中的交变磁场，在基于闭合电路结构的物料或反应介质流体中引发出有效电势差，将感应电流放大，使具有电导性的低磁导率样品快速生热。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为连续式感应热反应器I的示意图；
图2为连续式感应热反应器Ⅱ的示意图；
图3为连续式感应热反应器Ⅲ的示意图；
其中，101-磁回路；102-初级线圈；103-磁耦合管；104-反应腔室；201-进样口；202-出样口。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本申请发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
实施例1
连续式感应热反应器I，如图1所示，包括磁回路101，初级线圈102，磁耦合管103，反应腔室104；
其中，初级线圈102缠绕于磁回路101上，初级线圈102的匝数为6匝，通过电源对初级线圈102施加500V电压，磁回路101中的磁通量为0.06Wb，此时，磁回路101的导磁材料为冷轧硅钢，初始相对磁导率为1000，工作时的磁通密度为1.2T，磁回路101的有效导磁截面积为0.05m2；磁耦合管103缠绕于磁回路101上，磁耦合管103的匝数为36匝；磁耦合管103和反应腔室104作为连续流动的反应介质的支撑物，此时的磁耦合管103与反应腔室104连接，反应腔室104的截面积为0.36cm2，磁耦合管103的截面积为1cm2，当电导率为2.35S/m的反应介质(25℃，0.2％HCl和0.3％Na2CO3)泵送进入流通反应腔室104时，其受到的有效电势差为3000V，反应腔室104的长度为20cm，当反应介质充满反应腔室104时则阻抗为2000Ω，故反应腔室104中的感应电流为1.5A，感应电流密度为2.78A/cm2；反应介质的进样口201位于磁耦合管103正中间位置，而反应介质的出样口202位于反应腔室104正中间位置。当流量为3.2ml/min时，各支路的反应介质汇流通过反应腔室104的保留时间为135s，通过红外热像仪测试，室温25℃的反应介质在连续通过感应热反应器Ⅰ后，流出的反应介质温度上升为93.7℃。
实施例2
连续式感应热反应器II，如图2所示，包括磁回路101，初级线圈102，磁耦合管103，反应腔室104；
其中，初级线圈102缠绕于磁回路101上，初级线圈102的匝数为12匝，通过电源对初级线圈102施加2000V电压，磁回路101中的磁通量为0.12Wb，此时，磁回路101的导磁材料为钴基非晶，初始相对磁导率为35000，工作时的磁通密度为0.8T，磁回路101的有效导磁截面积为0.15m2；磁耦合管103缠绕于磁回路101上，磁耦合管103的匝数为48匝；磁耦合管103和反应腔室104作为连续流动的反应介质的支撑物，此时的磁耦合管103与反应腔室104连接，反应腔室104的截面积为0.16cm2，磁耦合管103的截面积为2.3cm2，当电导率为3.47S/m的反应介质(25℃，0.6％NaOH和0.2％KCl)泵送进入流通反应腔室104时，其受到的有效电势差为8000V，反应腔室104的长度为10cm，当反应介质充满反应腔室104时则阻抗为1600Ω，故反应腔室104中的感应电流为5A，感应电流密度为31.25A/cm2；反应介质的进样口201位于磁耦合管103正中间位置，而反应介质的出样口202位于反应腔室104正中间位置。当流量为10ml/min时，各支路的反应介质汇流通过反应腔室104的保留时间为10s，通过红外热像仪测试，室温25℃的反应介质在连续通过感应热反应器Ⅱ后，流出的反应介质温度上升为96.5℃。
实施例3
连续式感应热反应器Ⅲ，如图3所示，包括磁回路101，初级线圈102，磁耦合管103，反应腔室104；
其中，初级线圈102缠绕于磁回路101上，初级线圈102的匝数为8匝，通过电源对初级线圈102施加1800V电压，磁回路101中的磁通量为0.32Wb，此时，磁回路101的导磁材料为铁基纳米晶，初始相对磁导率为90000，工作时的磁通密度为1.6T，磁回路101的有效导磁截面积为0.20m2；磁耦合管103缠绕于磁回路101上，磁耦合管103的匝数为40匝；磁耦合管103和反应腔室104作为连续流动的反应介质的支撑物，此时的磁耦合管103与反应腔室104连接，反应腔室104的截面积为0.5cm2，磁耦合管103的截面积为3.6cm2，当电导率为0.28S/m的反应介质(25℃，0.1％HNO3和0.1％NaCl)泵送进入流通反应腔室104时，其受到的有效电势差为9000V，反应腔室104的长度为25cm，当反应介质充满反应腔室104时则阻抗为15000Ω，故反应腔室104中的感应电流为0.6A，感应电流密度为1.2A/cm2；反应介质的进样口201位于磁耦合管103正中间位置，反应介质的出样口202位于磁耦合管103正中间位置。当流量为10ml/min时，各支路的反应介质汇流通过反应腔室104的保留时间为75s，通过红外热像仪测试，室温25℃的反应介质在连续通过感应热反应器Ⅲ后，流出的反应介质温度上升为72.8℃。
本发明提供的连续式感应热反应器，通过利用交变磁场并通过合理的电路结构设计使低磁导率的物料或反应介质快速生热；且通过将进样口和出样口设置于磁耦合管或反应腔室的正中位置，保证各支路的连续流物料或反应介质在反应腔室的停留时间相等，样品可一次性通过反应腔室完成连续式处理，对于大批量的连续流物料或反应介质进行处理时，无需人工介入即可连续完成所有连续流物料或反应介质的热反应过程。该感应热反应器对样品的加热不采用任何金属极板和电极，无外部热源和辐射，绿色且高效，适合连续式处理。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.连续式感应热反应器，其特征在于，包括：磁回路、初级线圈、磁耦合管、反应腔室；
其中，进样口和出样口设置于磁耦合管或反应腔室的正中位置，连续流物料或反应介质一次性通过反应腔室完成连续式处理；
磁回路由导磁材料构成，初级线圈和磁耦合管缠绕于磁回路，磁耦合管与反应腔室相连接；所述连续式感应热反应器包括至少一个磁耦合管、至少一个反应腔室。
2.根据权利要求1所述的连续式感应热反应器，其特征在于：反应腔室内径小于磁耦合管内径。
3.根据权利要求1所述的连续式感应热反应器，其特征在于：反应腔室截面积与磁耦合管的截面积之比为1:1.3～1:50。
4.根据权利要求1所述的连续式感应热反应器，其特征在于：电源对初级线圈施加电压后，磁回路中承载的总磁通量范围为0-10Wb，磁回路的初始磁导率为800-90000。
5.根据权利要求1所述的连续式感应热反应器，其特征在于：反应腔室两端的瞬时感应电压极性相反，反应腔室中的感应电流密度为1-80A/cm2。
6.根据权利要求1所述的连续式感应热反应器，其特征在于：感应电流回路仅存在于磁耦合管和反应腔室之间，进样口和出样口无漏电，用于开放式的连续流处理。
7.根据权利要求1所述的连续式感应热反应器，其特征在于，反应腔室和磁耦合管具有电绝缘性。
8.一种加热装置，其特征在于，所述加热装置采用权利要求1-7任一所述的连续式感应热反应器，所述加热装置对电导率在0.1-40S/m范围内的物质进行加热。
9.根据权利要求8所述的加热装置，其特征在于，所述物质为可流动物质。
10.权利要求1-7任一所述的连续式感应热反应器和/或权利要求8-9任一所述的加热装置在化工、食品和环境领域中的应用。
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