CN110152573A - 一种气液微反应器、装置、系统及方法 - Google Patents

一种气液微反应器、装置、系统及方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种气液微反应器，包括反应腔和换热腔，反应腔上设置有微孔板，反应腔上设置有至少两个进口和一个出口，气体能够从第一进口进入，经过微孔板后，在第二进口进入的液体的冲刷下形成微气泡流，由出口排出；换热腔具有一入口与排出口，利用换热介质从入排出口的流通，实现换热功能，为反应腔提供温度环境，本公开能够增大两相接触面积，有效地增强了传质混合，更有利于化学反应的充分进行。

Description

一种气液微反应器、装置、系统及方法
技术领域
本公开涉及一种气液微反应器、装置、系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
微反应器是重要的化工过程强化装备，通过微小的尺度空间，极大的提高了反应的传质传热，同时小体积也保证了足够的安全性。
在传统设备中，对于气液体系，主要有三种接触方式，①直接接触，②液相高度分散在气相中，③气相高度分散在液相中。据发明人了解，目前的微反应器内的流动状态仍以流体直接碰撞接触为主，在高通量的气液反应时，易出现明显的气液分层流动，难以产生足够的相界面积，不利于反应。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种气液微反应器、装置、系统及方法，本公开能够增大两相接触面积，有效地增强了传质混合，更有利于化学反应的充分进行。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
一种气液微反应器，包括反应腔和为反应腔提供设定温度环境的换热腔，反应腔上设置有具有若干孔的微孔板，反应腔上设置有至少两个进口和一个出口，从第一进口进入的气体，经过微孔板后，在第二进口进入的液体的剪切冲刷下，形成微气泡流，由出口排出；
所述换热腔具有一入口与排出口，利用换热介质在换热腔内的流通，实现换热功能。
上述方案中，通过调节进气压力，能够调整气体进料与反应腔之间的压差，通过控制进液口的流量大小，能够改变液相流的剪切速度，进而能够有效的产生足够数量且尺寸均匀的微细气泡，保证气相高度分散在液相中。
作为进一步的限定，所述微孔板上布设有多个微米级别的孔，以供气体流通；
孔径在1微米到10微米间。
从理论上说，微孔板上孔的孔径越小越好，但考虑到到压差和压力降问题，认为孔径在上述范围内，能够实现较好控制。
作为进一步的限定，所述反应腔内设置于板翅结构使流体在通道内呈现复杂对流或湍流状态。能够有效的强化传质传热。
作为一种可实现的方案，一种气液微反应器，包括反应板、隔板和换热板，所述反应板上设置有一反应空间，所述反应板上设置有槽，槽内容纳有微孔板，所述反应板上设置有第一进口、第二进口和出口，从第一进口进入的气体，经过微孔板，在第二进口进入的液相的剪切冲刷作用形成微气泡，由出口排出；
所述换热板设置有入口和排出口，入口和排出口之间设置有换热空间；
所述隔板设置于反应板和换热板之间，阻隔反应空间和换热空间。
上述可实现的方案中，利用板式结构，形成板式的反应器，结构简单，占用空间小。
作为进一步的限定，所述反应板和隔板，隔板和换热板之间设置有密封圈进行密封，反应板、隔板和换热板通过固定件之间固定连接。
作为进一步的限定，所述反应板或隔板，以及隔板或换热板的周圈设置有密封圈容纳槽，以容纳所述密封圈，保证整体反应器结构外观的美观性和平整性。
作为一种可实施的方案，所述反应板、隔板和换热板之间通过螺栓连接，且三个板的边缘都设置有螺栓孔。
作为一种可实施的方案，所述反应空间内刻有多个板翅结构。使流体在通道内呈现复杂对流或湍流状态。
当然，板翅结构可以是不规则形状，以更好的产生对流或湍流作用。
作为一种可实施的方案，所述反应空间内设置有多个反应通道，在反应空间的入口处与出口处分别设有液体分布结构和集液结构。
多个反应通道的设置，能够增加两相接触面积，有效地增强了传质混合，更有利于化学反应的充分进行。
一种气液微反应器，包括壳体，所述壳体内设置有至少两个独立腔室，一个作为反应腔室，另一个作为换热腔室，其中与反应腔室对应的壳体表面设置有进气口和出口；
反应腔室内设置有具有若干孔的微孔板，从进气口进入的气体，经过微孔板后，在液体的剪切冲刷下，形成微气泡流，由出口排出。
反应腔室和换热腔室可以通过板相隔。
换热腔室连接的外表面可以设置有供换热物质进出的第二进口和第二出口。
一种气液微反应装置，包括多个串联或/和并联的上述反应器，串联支路中，第i个反应器的第二进口与第i-1个反应器的出口连接，气体至少从一个反应器的第一进口进入。
通过串联能够实现足够的反应停留时间，气体可以采用单片进料，也可以采用分段式进料，进行并联处理，可以充分利用其高传质传热效率、性能稳定的特点。
一种气液微反应系统，包括气源、液体源、流量控制器、换热装置和上述反应器或反应装置，所述气源通过流量控制器将设定流量的气体进入反应器的第一进口，液体源将液体设定流量的液体进入反应器的第二进口，换热装置与反应器的换热腔/换热空间连通。
通过控制气源的气体压力和进气流量，以及液体流量大小，就可以调整气体进料与反应腔之间的压差和液相流的剪切速度。结合预设的微孔板的孔隙大小，可以保证反应器的气泡产生效果。
上述反应器的工作方法，单股液相或预先混合好的多股液相通过第二进口，进入反应腔/反应空间内，同时，气相通过反应板端盖上的气体由第一进口进入，在微孔板的作用下，形成多股微小气流，并通过液相的剪切冲刷作用，形成微气泡，完成反应后从出口排出。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开具备通用性强、结构简单、密封简单、加工难度小、安装方便等特点。
本公开能够有效的产生足够数量且尺寸均匀的微细气泡，相比于常规微反应器内的气液层流接触，能够增大两相接触面积，有效地增强了传质混合，更有利于化学反应的充分进行。
相对于常规气液反应器，如鼓泡搅拌反应釜，鼓泡塔，填料式反应器，本公开可以生成更多的气液接触面积，传质传热效果更强，能够实现长期安全稳定的运行，且无转动部件，使用安装维护修理简易。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是实施例一的反应器结构爆炸图；
图2是实施例一的反应器三视图；
图3是实施例一的反应板图；
图4是实施例一的换热板图；
图5是本公开的原理与使用简图；
图6是实施例二的系统简图；
图7(a)、(b)是串联的装置结构图；
图8是并联的装置结构图。
其中：1、反应片，2、微孔板，3、隔板，4、换热片；
103、气体进口，302反应通道；
A、液体进口，B、气体进口，C、出口，D、密封槽，E、微孔板槽，F、换热介质入口，G、换热介质出口，H、密封圈槽；
I、气相，II、液相，III、剪切作用下生成的气泡；
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
正如背景技术中所述的，据发明人了解，目前的微反应器的流动状态仍以流体直接碰撞接触为主，在高通量的气液反应时，易出现明显的气液分层流动，难以产生足够的相界面积，不利于反应。
为了解决上述问题，本公开将板式微反应器与微气泡技术结合，提出一种新的气液反应器，解决传统板式微反应器在气液反应方面的问题，提供一种高效的气液反应的设备，具体包括反应腔及换热腔。
反应腔由反应板与隔板形成的密闭空间构成，内带有不规则结构，强化传质传热。气体从进料口进入，经过微孔板的作用，分成很多细小气流，与液体进料口进入的液体混合反应，使气体在流体冲刷下以微气泡形式流出反应腔。
换热腔位于换热板与隔板形成的密闭空间内，通过与冷却或加热介质连通实现换热功能，为化学反应提供适应条件。
当然，这里的微孔板是指设置有多个微米级的孔洞的板。
为使本领域技术人员更加清楚了解本公开的技术，下面以具体实施例就反应器的结构等进行详细说明。
实施例一，如图1所示，气液反应器主要由反应板(1)、微孔板(2)、隔板(3)和换热板(4)组成。
反应板(1)主要提供反应空间，为保证反应与换热效果，反应空间由反应板(1)上设置的多个反应通道形成，由于反应板(1)和隔板(3)的贴合、密封连接，形成封闭的反应空间。
当然，在本实施例中，反应板(1)和隔板(3)之间的密封连接，是通过在反应板(1)和隔板(3)的周圈设置的多个螺栓孔，和贯穿螺栓孔的螺栓固定。为保证对反应空间的密封作用，可以在反应板(1)和隔板(3)之间设置密封圈，密封圈所围成的大小大于反应区间的大小，以保证反应空间的密封程度和较好的反应环境。
在其他实施例中，可以利用其他连接/密封机构来进行各板之间的连接/密封。如反应板(1)和隔板(3)之间通过设置在反应板(1)和隔板(3)外侧的多个固定夹连接与固定。
在本实施例中，反应板(1)、隔板(3)和换热板(4)为大小一致的矩形。这样的设置方式能够保证整个反应器的整体外观的美观性和制备过程的简便性。
但在其他实施例中，反应板(1)、隔板(3)和换热板(4)也可以不一致，或形状不同。如圆形或椭圆形等等。
在本实施例中，反应通道的深度为1～5mm，包含液体进口A、气体进口B、出口C，周圈带有密封圈槽D，中间有微孔板槽E，在入口处与出口处分别设有液体分布结构和集液结构，反应腔内刻有的不规则的板翅结构使流体在通道内呈现复杂对流或湍流状态，如图3所示。
在本实施例中，反应板(1)为板状结构。气体进口B设置于反应板(1)的板面中央。而液体进口A设置于反应板(1)的一端，使液体的进入方向与气体的进入方向空间上相交。
同时为微孔板(2)的设置方向与气体进口B设置方向一致，与液体进口A、出口的连接线方向相垂直。
出口C设置于反应板(1)的另一端上，与液体进口A相对，这样的设置能够保证气液有尽量大的接触/反应面，和尽量多的反应时间。
当然，在其他实施例中，可以根据反应器的具体形状对微孔板(2)和设置方向、位置，以及液体进口A、气体进口B、出口C等位置或位置关系进行适应性更改。
只要能够保证气体进口B进入的气体能够在微孔板(2)的作用后，与由液体进口A进入的液相发生剪切冲刷作用。
在本实施例中，密封圈槽D是设置在反应板(1)上，在另外一些实施例中，密封圈槽D可以设置在隔板(3)上。
同样，在另外的一些实施例中，板翅结构也可以是规则的，以矩阵或不规则分布在反应腔内。如利用规则的圆柱形板翅结构呈矩阵或队列排布在反应腔内。也可以刻有三角状的板翅结构交错设置在反应腔内。
微孔板(2)为矩形多孔板，放置于反应板(1)的板槽E中，板上均布有微米级别的小孔，以供气体流通。
微孔板(2)设置在反应腔/反应空间内，在本实施例以及图2中，微孔板(2)设置在整个反应腔的最中间，这样能够保证气液接触面积最大。而且，能够保证，液体从液体进口A进入后，在液体分布结构和板翅结构的作用下，流体分流，并在各通道内呈现复杂对流或湍流状态后，与经过微孔板(2)的气体进行剪切碰撞，微气泡产生效果好。同样的，微孔板(2)设置于气体进口B相对应的位置，能够保证气体流经的距离最小化，和已经呈现对流或湍流状态的液相发生碰撞，保证微气泡流的产生速度和效果。
当然，微孔板(2)的厚度需要小于反应板(1)的整体厚度，不能阻断反应腔/反应空间内液相的流动。
在其他实施例中，微孔板(2)的设置位置、或微孔板(2)与液体进口A以及气体进口B的位置关系可以进行调整或变换。在此不再赘述。
微孔板(2)上设置有多个小孔，小孔的孔径微米级别均可以接受。
在一些实施例中，孔径在1微米到10微米间。
当然，从原理上分析，孔径越小越好，但是涉及到两侧压差和压力降问题，可能实际操作中不好控制。
在一些实施例中，微孔板(2)上的小孔是均布的。且小孔的延伸方向一致。能够保证尽量均匀的对气体分流。
当然，在另一些实施例中，微孔板(2)上的小孔是随机或交错布设的。
根据工艺条件，微孔板(2)可选金属、不锈钢、陶瓷、玻璃、聚乙烯等多种材质。
隔板(3)用以阻隔反应通道与换热通道，并实现反应腔与换热腔的密封。
如图4所示，换热板(4)包含换热介质入口F，换热介质出口G和密封圈槽H。换热介质入口F，换热介质出口G之间设置有换热腔/换热空间。
换热介质入口F和换热介质出口G在一些实施例中设置在板状结构的两个相对设置的侧面上。使换热过程尽量长。
在一些实施例中，换热腔/换热空间内刻有的不规则的板翅结构，使换热反应物的流动减缓，使换热效果更好。
在部分实施例中，反应腔和/或换热腔的边缘为圆滑形状，以减少对流体的阻力。
在各个腔体的物质入口处设置有分隔板或刻有沟道，形成液体分布/分流结构，相应的，也可以在物质出口处设置有分隔板或刻有沟道，形成集液结构。
在部分实施例中，密封圈槽H也可以设置在隔板(3)上。
同样的，换热板(4)和隔板(3)通过螺栓连接，采用密封圈压紧密封。
如果微孔板(2)是金属微孔板(2)时，可采用焊接方式固定，如果微孔板(2)是不可焊接材料时，可以利用框架结构将其挤压入板槽中固定。当然，框架式结构可以是金属的，选用已有结构即可。
上述实施例能够有效的产生足够数量且尺寸均匀的微细气泡，相比于常规微反应器内的气液层流接触，能够增大两相接触面积，有效地增强了传质混合，更有利于化学反应的充分进行。
相对于常规气液反应器，如鼓泡搅拌反应釜，鼓泡塔，填料式反应器，该设备有更小的持液体积和更高的比表面积，传质传热效果更强，能够实现长期安全稳定的运行，且无转动部件，使用安装维护修理简易。
如图5所示，使用气液反应器时，单股液相或预先混合好的多股液相通过液体进口A，进入反应腔内，同时，气相通过反应板端盖上的气体进口B进入，在微孔板的作用下，形成微小气流。并通过液相的剪切冲刷作用，最终形成微气泡，完成反应后从出口排出。因此反应通道流向与气孔流向成剪切角度。
气泡产生效果与微孔板的孔隙大小、气体进料与反应腔之间的压差及液相流的剪切速度紧密相关。根据Forrester和Rielly提出的多孔材料表面气泡形成理论模型，在合理的假设下可以得到如下关系式：
当气速很小可忽略时，可用下式近似：
当气速提升，对气泡产生作用不可忽略后，可用下式近似：
式中，deq表示微气泡直径，d0为孔径，Ul为液相流速，Ug为气相流速，该装置液相剪切流速不宜过小，在一米每秒至两米每秒间较为合适，气液流量比不宜过大，小于二比一最佳，产生的气泡直径在几十至几百微米范围内。
气体进料与反应腔之间的压差可以通过调节进气压力来实现，而液相流的剪切速度则取决于进液口的流量大小。
当然，作为本实施例的变形结构，可以采用板式结构，该板式结构具有一定的厚度，两个较大面积的外表面以及两面都用封板密封，内部具有两个独立的腔室，一面是反应腔室，另一面是换热腔室，其中与反应腔室连接的外表面设置有进气口和出口，以及反应介质的进口，与换热腔室连接的外表面不带进气口。
反应腔室和换热腔室通过板体本身相隔。
当然，反应腔室内设置有具有若干孔的微孔板，从进气口进入的气体，经过微孔板后，在液体的剪切冲刷下，形成微气泡流，由出口排出。
换热腔室连接的外表面可以设置有供换热物质进出的第二进口和第二出口。
实施例二
提供一种更加完整的气液反应装置，如图6所示，包括气源、气液反应器、换热装置和液体供给机构，其中，气源供给气体，气体经过加压装置后有一定的压力，具有压力的气体经过流量控制器的控制后输入气液反应器的气体进口B；
液体供给机构供给具有一定流速的液体给气液反应器的液体进口A；
换热装置连接换热板(4)的换热介质入口F和换热介质出口G。
当然，气液反应器还可以连接后处理设备。
在本实施例中，气源、换热装置、加压装置、流量控制器、液体供给机构等均可以使用现有设备，在此不再进行赘述了。
为了实现足够的反应停留时间，可以对该设备进行串联处理，其中，气体可以采用单片进料，也可以采用分段式进料，分别如图7(a)、(b)所示。在串联处理时，第i个气液反应器的出口与第i+1个气液反应器的液体进口A连接。
另一方面，为了提高处理量，可以对该设备进行并联处理，如图8所示。同理，针对不同工艺，可以进行各种串并联形式的组合。以充分利用其高传质传热效率、性能稳定的特点。
在一些实施例中，可以采用串并联组合的方式，在此不再赘述。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (12)

1.一种气液微反应器，其特征是：包括反应腔和为反应腔提供设定温度环境的换热腔，反应腔上设置有具有若干孔的微孔板，反应腔上设置有至少两个进口和一个出口，从第一进口进入的气体，经过微孔板后，在第二进口进入的液体的冲刷下，形成微气泡流，由出口排出；
所述换热腔具有一入口与排出口，利用换热介质在换热腔内的流通，实现换热功能。
2.如权利要求1所述的一种气液微反应器，其特征是：所述微孔板上布设有微米级别的孔，以供气体流通；
或优选的，孔径在1微米到10微米间。
3.如权利要求1所述的一种气液微反应器，其特征是：所述反应腔内设置有板翅结构，使流体在通道内呈现对流或湍流状态。
4.一种气液微反应器，其特征是：包括反应板、隔板和换热板，所述反应板上设置有一反应空间，所述反应板上设置有槽，槽内容纳有微孔板，所述反应板上设置有第一进口、第二进口和出口，从第一进口进入的气体，经过微孔板后，在第二进口进入的液相的剪切冲刷作用下，形成微气泡，由出口排出；
所述换热板设置有入口和排出口，入口和排出口之间设置有换热空间；
所述隔板设置于反应板和换热板之间，阻隔反应空间和换热空间。
5.一种气液微反应器，其特征是：包括壳体，所述壳体内设置有至少两个独立腔室，一个作为反应腔室，另一个作为换热腔室，与反应腔室对应的壳体外表面设置有进气口和出口；
反应腔室内设置有具有若干孔的微孔板，从进气口进入的气体，经过微孔板后，在液体的剪切冲刷下，形成微气泡流，由出口排出。
6.如权利要求4所述的一种气液微反应器，其特征是：所述反应板和隔板，隔板和换热板之间设置有密封圈进行密封，反应板、隔板和换热板通过固定件之间固定连接。
7.如权利要求4所述的一种气液微反应器，其特征是：所述反应板或隔板，以及隔板或换热板的周圈设置有密封圈容纳槽，以容纳所述密封圈。
8.如权利要求4或5所述的一种气液微反应器，其特征是：所述反应空间/反应腔室内刻有多个板翅结构。
9.如权利要求4或5所述的一种气液微反应器，其特征是：所述反应空间/反应腔室内设置有多个反应通道，在反应空间/反应腔室的入口处与出口处分别设有液体分布结构和集液结构。
10.一种气液微反应装置，其特征是：包括多个串联或/和并联的权利要求1-9中任一项所述的反应器，串联支路中，第i个反应器的第二进口与第i-1个反应器的出口连接，气体至少从一个反应器的第一进口进入。
11.一种气液微反应系统，其特征是：包括气源、液体源、流量控制器、换热装置和权利要求1-9中任一项所述的反应器或权利要求10中所述的反应装置，所述气源通过流量控制器将设定流量的气体进入反应器的第一进口，液体源将液体设定流量的液体进入反应器的第二进口，换热装置与反应器的换热腔/换热空间连通。
12.权利要求1-9中任一项所述的反应器的工作方法，其特征是：单股液相或预先混合好的多股液相通过第二进口，进入反应腔/反应空间内，同时，气相通过反应板端盖上的气体由第一进口进入，在微孔板的作用下，形成多股微小气流，并通过液相的剪切冲刷作用，形成微气泡，完成反应后从出口排出。
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