CN110290863B - 用于提高相接触和化学反应的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
用于相接触和化学反应的装置(11)，包括至少一个第一高湍流混合段(13)和至少一个第二高剪切应力和高空化段(15)，其中，段(13，15)适于提高通过所述段(13，15)的多相流中所含相的相对滑移速度。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于提高相接触和化学反应的装置及方法。更确切地说，本发明涉及一种用于提高相接触，从而提高物质和热传递，以及用于提高化学反应动力学的装置和方法。本发明的装置和方法可以涉及不同类型的相，特别是固-液、气-液、气-液-固和液-液相。
背景技术
在涉及相接触的操作中，传质例如，物质和热量的传递过程，主要由下述方程决定：
Fp＝A x K xΔC
其中：
Fp＝质(例如物质，热量)流；
A＝相界面积；
K＝质交换系数；
ΔC＝推力。
上述关系清楚地表明，为了提高质传递，对于给定的推力ΔC，A、即相界面积，和K、即质交换系数，必须最大化。已知的能提高相界面积和质交换系数的现象主要是湍流、剪应力和空化。这种现象实际上使得所含的不同相的相对滑移速度显着增加。
目前，最有效的提高气液相接触的装置是喷射气液接触器。通过利用这种使O3(臭氧)的气流与水接触的装置，获得了在0.025至0.062s-1范围内的体积物质传递系数(kLa)。
还已知的是，在多相体系中，化学反应最有效，反应相的混合效果越好，并且相界面积越大。此外，还应考虑的是化学反应的反应速率主要由Arrhenius(阿伦尼乌斯)公式决定：
K＝koExp[-Ea/RT]
其中：
K＝反应速率；
ko＝指前因子(实验确定)；
Ea＝活化能(实验确定)；
R＝通用气体常数；
T＝绝对温度。
而Arrhenius公式是基于Maxwell-Boltzmann(麦克斯韦-玻尔兹曼)方程，该方程描述了平衡体系中分子能量E的分布F(E)：
F(E)＝2(E/π)1/2(1/kT)3/2Exp[-E/kT]
其中，k是玻尔兹曼常数。
Maxwell-Boltzmann方程清楚地表明，在给定温度下，无论其有多低，存在分子能超过活化能，即E>Ea的分子，因此，在发生碰撞的情况下，可发生化学反应。由于Arrhenius等式是由Maxwell-Boltzmann方程积分得到的，因此反应速率K与活化能Ea和温度T成指数关系。
因此，上文的考虑因素如下：
Maxwell-Boltzmann方程表明，对于每一反应，一些分子即使在低温下也会发生反应，即使其数量可以忽略不计；以及
Arrhenius方程的指数性质使得每提高10℃，反应速率加倍(三倍，四倍......)。
出于这些考虑，事实证明，在常规实践中，获得可接受的化学反应速率的方法包括提高T，直到超过对应于所需化学反应的活化能Ea的水平。因此，目前进行化学反应的大多数装置是基于温度升高和分子间的随机碰撞，而分子间的随机碰撞又是由空间随机位移决定的搅拌状态。
WO 2005 039745 A1、WO 2013 191713 A1、WO 2016 001476 A1、US 2011 0151524A1和US 2014 0363855 A1中公开了能够提高相接触和化学反应的装置的示例。
然而，对于许多应用来说，传统系统所能达到的结果并不能令人满意，因此，急需一种能获得更好的结果以及更高性能的装置及方法。
因此，本发明的第一个目的是提供一种能提高相接触和提高化学反应的装置和方法，它克服了现有技术的缺点和局限，并且可以获得更高的性能。
本发明的另一目的是提供一种上述类型的装置和方法，它们适用于多种应用，并且能够满足许多工业领域和应用中日益增长的需求。
本发明的又一目的是提供一种用于提高相接触和提高化学反应的装置和方法，其可以有限的成本进行工业制造并实施。
上述以及其它目的通过所附权利要求中所述要求保护的装置和方法实现，所附权利要求是本说明书中就本发明提供的技术教导的组成部分。
发明内容
本发明所述的用于提高相接触和化学反应的装置主要包括至少一个第一高湍流混合段和至少一个第二高剪切应力和高空化段。所述段有利地适于提高通过所述段的多相流中所含相的相对滑移速度。根据本发明，所述多相流可以等流或逆流方式形成。
有利地，根据本发明，每一高湍流混合段和每一高剪切应力和高空化段包括转子和围绕转子的相应定子。优选地，混合段的转子包括位于由相应的定子限定的腔室中心处的旋转轴，以及至少一个径向构件，例如，径向销或栓钉，其被设置成使得存在于由所述定子限定并围绕转子的腔室中的物质发生湍流运动。此外，优选地，高剪切应力和高空化段具有设置有齿状外周表面的转子和相应的定子，所述定子也设置有面向相应转子的齿部的齿形外周表面。
优选地，根据本发明，高湍流混合段和高剪切应力和高空化段的每个转子与在中心穿过装置的各段的同一转子轴相关联。
在本发明的一个优选实施方式中，属于该装置的多个段的第一段和最后段分别设有至少一个用于待处理物质的入口和出口的相应端口。
根据本发明的一个具体实施方式，其中，该装置以逆流方式操作，所述装置包括第一高湍流混合段和第二高湍流混合段，其中，所述第一高湍流混合段设有用于处于第一物理状态的第一物质的入口的第一端口和用于处于第二物理状态的第二物质的出口的第二端口；所述第二高湍流混合段设置有用于处于第二物理状态的物质的入口第一端口和用于处于所述第一物理状态的物质的出口的第二端口。
根据本发明的另一个具体实施方式，其中，该装置以等流方式操作，所述装置包括第一高湍流混合段和第二高湍流混合段，其中，所述第一高湍流混合段设有用于处于第一物理状态的第一物质的入口的第一端口和用于处于第二物理状态的第二物质的入口的第二端口；所述第二高湍流混合段设有用于处于第二物理状态的物质的出口的第一端口和用于处于所述第一物理状态的物质的出口的第二端口。
还是根据本发明，所述第一和第二物理状态优选彼此不同，并且可以包括液态、固态和气态。
优选地，设有所述端口的两个高湍流混合段位于一系列交替的高湍流混合段和高剪切应力和高空化段的两端。
此外，优选地，设有所述端口的两个高湍流混合段是由所述装置处理的物质通过的第一段和最后段。因此，优选地，当所述装置以逆流方式操作时，设置有所述端口的两个高湍流混合段分别是由所述第一物质通过的第一和最后段，以及由所述装置处理的第二物质通过的最后和第一段；而当装置以等流方式操作时，设有所述端口的两个高湍流混合段是由所述装置处理的两种物质通过的第一段和最后段。
本发明的用于提高相接触和化学反应的方法优选利用上述装置，并包括使多相流以等流或逆流方式经历至少一个第一高湍流混合段和至少一个第二高剪切应力和高空化段，从而提高所述多相流中所含相通过各段时的相对滑移速度。
本发明的第一个优点源于控制多相流中的传质过程的三种现象的共同作用。实际上，本发明的装置提供了使多相流经过至少一个第一高湍流混合段和至少一个第二高剪切应力和受控空化段。
由于装置的各段对多相流的一系列作用，本发明的多段装置在相界面积的形成和提高相混合方面特别有效。
举例来说，通过使O3(臭氧)的气流与水接触，获得范围为约0.45至0.95s-1的体积物质传递系数(kLa)，并因此获得99质量％的臭氧被输送转移到液相。
根据本发明的一个具体实施方式，在逆流相接触是有益的情况下，例如其发生在单一汽提、提取、浸出等操作中，相可以以逆流方式进料，从而使得形成的平衡段数远远高于实际段数。
例如，在本发明制造的装置包含交替设置的两个湍流混合段和两个高剪切应力和受控高空化段的情况下，当在一个方向上提供固体植物基质且在逆流方式下提取液相时，所获得的提取性能相当于具有15个以上的理论平衡段可达到的性能。
根据本发明，如果本发明的装置在横流方案中的操作是有益的，则在高湍流混合段，提取液相也可以通过定子壁的侧喷嘴进料。
还是根据本发明，气相也可以通过通向高湍流混合段的混合室的侧喷嘴进料，如果该相是有利于获得最佳结果的话，例如当其在“气体辅助提取”、“气体辅助固液混合”、“气体辅助操作”、“气辅助空化”等情况下发生时。
还是根据本发明，在作为气-液反应器或气-液-固反应器应用的情况下，也可以通过侧喷嘴供给气相或液相，该气相或液相用作反应物按需供给到轴向通过装置的连续流中。
还是根据本发明，还可以通过侧喷嘴提供一种用于热调节的气相或液相，这对于进行整体操作是有利的。
本发明的装置有利地提供了在反应体积中进行化学反应的可能性，其特点在于：
气泡尺寸为0.05至5微米的气泡群处于连续变化(平均气泡寿命为0.1至2.5微秒)中，其中，气泡温度在内爆的瞬间升高至1000-2000°K，而不增加反应体积内的流体的平均温度，并且，气泡压力升高至1000-2000巴，而不增加反应体积内的平均压力；
具有高速单向流动的区域(由抛物线形转子齿上的抛物线形定子齿的重叠产生的狭窄部分)，确定了与狭窄部分相邻的受控空化转子-定子腔内流体的碰撞速度，大约为100至750m/s。
本发明提供了具有抛物线形轮廓的定子齿和转子齿，其抛物线方程在接近所述狭窄部分时尽可能地接近流线所采用的曲率。
有利地，具有抛物线形轮廓的齿尽可能地接近狭窄部分附近的流体的流线所采取的曲线轮廓，以尽量减少与“分离区”和“射流紧缩”相关联的能量耗散(即压降)。
与“分离区”和“射流紧缩”的形成相关的耗散对表面生成的目标和相对滑移速度的提高几乎没有益处，也因此对物质和热传递系数的提高几乎没有益处。相反，对于正在处理的流体的(不希望的)温度升高，它们是具有负面影响的耗散，因此涉及到操作的总能耗。
所述抛物线形轮廓必须在定子齿-转子齿重叠的最小间隙点处具有水平切线，从而使得流体在垂直于沉降室的径向平面的单一方向上以非常高的速度进入该沉降室。以这种方式，防止喷射力在风扇方向上扩散，有利于单向性，这增加了基于分子碰撞事件，例如化学反应和传质(即物质和热)发生的概率。
在实践中，在定子齿-转子齿耦合之后的每个沉降室中，由于突然变宽引起的压力衰减会发生空化现象。空化持续产生气泡团，持续几微秒，然后内爆产生(在各个气泡内的)高温/高压和非常高速的喷射。连续产生的空化射流不断地与由具有抛物线形轮廓的定子/转子齿重叠的高剪切区产生的入射射流碰撞。由于齿耦合引起的空化、剪应力、空化射流和入射射流的碰撞使得相接触和化学反应提高。
有利地，以这种方式，本发明的装置甚至能在低温下进行化学反应，而在使用传统系统时不会发生反应。此外，由于本发明的装置，通过在传统系统刚刚开始检测到发生化学反应的温度下操作，可以将化学反应速率提高一到两个数量级。
实现这种结果的主要因素是在高剪切应力和受控空化段内的空化区域中由空化所产生的气泡群中的各个气泡内的温度和压力增加，以及由于在高速剪切应力和受控空化段中的定子/转子齿之间的狭窄部分中的强烈加速的流体的碰撞而产生的高的分子碰撞速度，其中，所述高速剪切应力和受控空化段具有由于空化气泡的内爆而产生的高速微射流。而且，高速流动区域的单向性是导致上述结果的另一个因素。
反应速率的提高取决于这样的事实，即，由于空化气泡的内爆产生的微射流以及定子与转子齿之间狭窄的高切应力部分的单向流动加速的共同作用，以非常高的速度(通常为约100-750m/s)发生碰撞的分子具有通过动力学分量E(v)与热分量E(T)相加得到的超过活化能Ea的整体分子能。
也就是说，适用以下关系：
E(v)+E(T)≥Ea
设想两个质量分别为M1和M2的分子碰撞，可以确定：
E(v)＝M1v2/2+M2v2/2
然后假设M1＝M2＝M(例如在裂解和离解反应中发生的情况)，则：
M v2+E(T)≥Ea
因此：
v＝[(Ea-E(T))/M]1/2
通过在低温下操作，E(T)可以忽略不计，因此：
v＝[Ea/M]1/2
例如考虑到氨解离反应：
这是一种要求46.4kj/mol的吸热反应，其特点是活化能Ea＝190KJ/mol，可以看出，为了使反应发生，使NH3分子(M＝17,031kg/mol)以一定的速度发生碰撞就足够了：
V＝[190,000/17.031]1/2≈110m/s。
高剪切应力和空化共同作用，在内爆段在气泡内产生T和P的峰值，进一步使得本发明的装置非常适用于液相上的微生物消毒操作以及生物过程结束时的酶和蛋白质回收操作。
空化数可表示为：
σ＝(pr-pv)/(1/2ρv2)，
其中：
σ＝空化数；
pr＝参考压力(Pa)；
pv＝流体的蒸汽压(Pa)；
ρ＝流体密度(kg/m3)；
v＝流体速度(m/s)。
当空化数σ小于或等于1时发生空化。
根据本发明，通过在空化数约为0.2-0.3范围内操作，酶和蛋白质回收率可达90％以上。
总结一下，本发明的装置应用于多相系统可以获得以下主要优点：
(a)动力学超过传统系统两个数量级的传质或传热，这要归功于更大的相界面积和更高的交换系数；
(b)化学反应的动力学相对于传统系统高出一到两个数量级，且明显低于传统系统的温度，这要归功于更大的相界面积以及这样的事实：即，本发明通过减去绝对主体对热部分的作用，动能为反应活化能的获起到了重要的作用。
附图说明
参考附图，其以非限制性示例的方式示出了本发明的一些优选实施方式，其中：
图1示出了本发明的装置的优选实施方式的局部剖视透视图；
图2A示出了图1所示装置各段的剖视图；
图2B示出了图1所示装置各段的横截面图，其中，清楚示出了喷嘴；
图3A示出了图1所示装置的高剪切应力和高空化段的转子和定子齿的示意图；
图3B示出了转子的示意性平面图；
图3C示出了图3B所示齿的放大图；
图4A示出了本发明的装置的部分剖视、后部透视图，其中，所述装置具有三个高剪切应力和高空化段；
图4B示出了图4A所示装置的部分剖视、正视平面图；
图4C示出了图4A所示装置的局部剖视、前透视图。
在所有视图中，相同的附图标记用于表示相同或功能等同的部件。
具体实施方式
参考图1-图3，本发明的装置以附图标记11表示。所示装置11是根据本发明的优选实施方式制造的，并且主要包括用于提高相接触和化学反应的多个串联布置的段。更具体地，装置11包括与高剪切应力和高空化段15交替布置的高湍流混合段13。从下面的描述中可以明显看出，装置11的段13，15适于提高通过所述段13，15的多相流所含相的相对滑移速度。
在所示的实施方式中，总共设置了三个高湍流混合段13和两个高剪切应力和高空化段。其他实施方式也是可能的，包括至少一个高湍流混合段13和至少一个高剪切应力和高空化段15。
还是参考所示的优选实施方式，段13包括可在由定子21包围的混合室19内旋转的转子17。此外，根据本发明，转子17包括至少一个径向销23，该径向销23与在混合室19内旋转的所述转子17形成一整体。所述销23从转子17的轴39的旋转轴线径向优选在这样的长度上延伸：使得由销23所划定的外圆周的直径在0.3×D至0.9×D的范围内，其中，D是混合室19的直径。在所示的实施方式中，在每个混合段13中设置有四个销23，但是可以设想其它具有任意数量的销的实施方式。而且，与同一混合段13相关联的销23可以布置在与转子17的旋转轴线垂直的同一平面或平行平面中，如在所示实施方式中那样。此外，在所示的实施方式中，混合段13基本相同并且全部具有相同数量的销23。然而，根据本发明，可以设想具有彼此不同的混合段13的实施例，此外，销23的数量在不同段中是不同的。在所示的实施方式中，销23具有圆形横截面，在纵向销轴上基本恒定，但是可以设置具有不同于圆形的其它横截面形状的销，例如，椭圆形或其他形状的销，或是沿纵向轴线具有可变横截面的销。优选地，根据本发明，混合段13适于使多相流经受雷诺数(Re)>500，000的高湍流方案。
段15包括转子25，其设置有径向齿27并且容纳在被设置有径向齿33的定子31包围的空化室29中。优选地，转子25中的径向齿27和定子31中的径向齿33的数量相同。而且，根据本发明，转子25和定子31的齿27，33的相面对的表面35，37分别在圆周方向上具有抛物线形轮廓。
如从图3B和3C中可以更好地理解地，转子齿27在圆周方向上具有抛物线形轮廓27a。根据本发明，齿27的轮廓27a沿着抛物线Pr的曲线，其中，相对于转子25的旋转方向(箭头F1)，所述抛物线Pr的顶点Vr位于齿27的后边缘27b处，并且沿着半径Rr将所述边缘27b连接到转子25的中心Cr。抛物线Pr的焦点也位于所述半径Rr上。
相应地，特别是从图3B和图3C中可以看出，定子齿33具有优选为与齿27的轮廓相同并且是其镜像的抛物线形轮廓33a。更确切地说，根据本发明，齿33的轮廓33a沿着抛物线Ps的曲线，其中，相对于转子25的旋转方向，所述抛物线Ps的顶点Vs位于定子齿33的后边缘33b处，并沿着半径Rs将所述边缘33b连接到定子中心Cs，所述定子中心Cs与转子25的中心Cr重合。抛物线Ps的焦点也位于所述半径Rs上。
在本发明的优选实施例中，转子和/或定子齿的轮廓的抛物线方程是
Y＝0.0062974X2。
当所述边缘沿着相应的转子和定子半径Rr，Rs基本对齐时，转子齿27和定子齿33之间的间隙51在齿27，33的边缘27b，33b处最小。
根据本发明，转子17和转子25与共同的旋转轴39成一整体。优选地，轴39通过稳固地与支撑架43相关联的电机41旋转。
在所示的实施方式中，混合段13具有入口端口45a和出口端口45b，两者均在相应的混合室19中开口。端口45a和45b与管道47a，47b相关联，以用于将物质或物质混合物输送到腔室19中或从腔室19中输出。
此外，混合段13可设置有喷嘴49a，49b，其适于将物质或物质混合物注入到混合室19中。可以在每个混合段13中提供至少一个喷嘴49a，49b，而且一个或多个混合段13可以没有喷嘴。在所示的示例中，假设两个连续段13设有相应的喷嘴49a，49b。
本发明的装置11的非限制性示例性实施方式具有：
-齿形转子25的直径范围为约50-500mm，优选为约100-300mm；
-转子齿27和定子齿33之间的最小间隙范围为约0.2-5.0mm，优选为约0.5-2.5mm；
-齿形转子25的轴向长度为转子25直径的约0.05-2.5倍，优选为转子25直径的约0.1-1.0倍；
-混合室19和空化室29的内径范围为约50-500mm，优选为约100-300mm；
-高湍流混合段13的轴向长度为相应的混合室19内径的约0.1-2.5倍，优选为室19内径的约0.25-1.5倍；
-转速范围为500-5000rpm，优选1000-3000rpm。
参照图4A，4B和4C，其示出了本发明的装置111的优选实施方式，其包括四个混合段13，与三个高剪切应力和高空化段15交替布置。所示的装置111的实施方式被配置为用于逆流操作。图4C中的箭头F2表示段13，15中液相的主要流动方向，而箭头F3表示固相的主要流动方向。
装置111配备有用于新鲜固体基质的入口料斗161。所示的配置包括在料斗161下游的马达驱动的挤压装置163，其适于将引入到料斗161中的固体基质材料转移到相对于马达41近端的第一混合段13。挤压装置163可包括例如由电机163a驱动的锥形螺钉或锥形螺旋钻。挤压装置163通过设置在定子21中的端口165与近端的第一混合段13连通。此外，第二端口167设置在近端的第一混合段13中，以用于从近端混合段13输出液相。所述第二端口167优选配备有栅格167a，用于防止固相与液相一起从近端混合段13通过端口167被排出。端口167与用于排出液相的管道169连通，例如与位于所述管道169下游的贮槽连通。
在所示的优选但非排他性实施方式中，当所述装置111处于工作配置时，用于固相入口的进口端口165和用于液相出口的出口端口167分别位于装置111的径向相对的上部和下部。
还是参考所示的实施例，近端混合段13还包括可旋转叶片171，其通过从转子17径向延伸的一对平行臂171a，171b固定连接到转子17。叶片171的目的是防止格栅167a将段13与排出管道169分离，以免由于固体材料的积聚而堵塞，而这将阻止液相通过管道169排出。叶片171保持了所述格栅167a的独立，这主要是由于近端段13中存在的混合液固物质的周向涡旋运动所致。
根据本发明，在所示的装置111被配置为逆流操作的实施方式中，从近端混合阶段13排出的液相物质的量相对于通过格栅从同一近端混合阶段13排出的固相物质的量是主要的。
在所示的配置中，相对于电机41位于远端的混合段13设置有用于液相入口的第一端口173和用于固相排出的第二端口175。在所示的实施方式中，当装置111处于工作配置时，端口173和175分别位于装置111的径向相对的上部和下部。
用于输送液相，例如水的管道177位于端口173的上游。例如，管道177可以在端口173的上游连接到输送来自合适的罐的液体物质的管路。还是参考所示的优选但非排他性的实施方案，在端口175的下游设置有螺旋压力机179，其适于分离从远端混合段13排出的物质中所包含的固相和液相。螺旋压力机179具有用于排出耗尽的固相或固体基质的第一端口179a和用于液相出口的第二端口179b。根据本发明，在所示的装置111被配置用于逆流操作的实施方式中，从远端混合段13排出的固相物质的量相对于从相同的远端混合段13排出的液相物质的量是占主要的。
优选地，装置111配备有再循环泵181，以用于回收从螺旋压力机179通过端口179b排出的残余液相。所述泵181在其上游侧通过第一管道183a连接到螺旋压力机179，以用于将液相从螺旋压力机179输送到泵181，并且在其下游侧通过三通管177a连接到进料管道177以通过第二管道183b将液相输送到远端混合段13。
在下文中，将给出根据本发明制造的装置11的一些应用实例。
实施例1
本发明的装置用于从废弃生物质中以低成本获得糖的方法中预处理秸秆。
在过去十年中，人们对生物燃料和炼油中间体中的木质纤维素生物质的转化方法产生了相当大的兴趣，其目的是确定替代化石燃料的可行替代方案。第二代生物燃料和第二代生物精炼的概念规定从属于废弃生物物质领域的原料开始，并从这些原料中获得糖(C5和C6，即具有5或6个碳原子)流。然而，植物细胞壁的结构复杂性使得相同的生物质对化学或生物攻击具有高度耐受性。存在不同的预处理过程(以不同的化学方法，在不同的温度和压力水平下)以降低植物对化学或生物攻击的不应性。在这些方法中，稀释的酸性溶液中的预处理目前被认为是利用纤维素酶使生物质能被酶攻击的最有效方法。在这种情况下，在一定的严格操作条件下，进行预处理的反应器或装置的类型对预处理材料的性质以及随后的酶解的性能都具有相当大的影响。这是由于反应器或装置在相界面产生的能力、以及孔隙的总体尺寸和整体体积增加方面的独特性，以及因此在生物质中的破坏细胞壁的能力方面的独特性。
“蒸汽闪爆”是一种已知的水热处理方法，从环境角度来看，其使得形成普通植物基质(半纤维素，纤维素和木质素)的三种馏分的分离变得更容易且不太剧烈。该方法包括利用高压饱和蒸汽在连续或不连续反应器中快速加热生物质。将材料在所需温度(180-230℃)下保持一段短的时间(1-10分钟)，在此期间半纤维素被水解并变得可溶。在该时间段结束时，压力迅速恢复到大气压，从而获得进一步破坏生物质的爆发性减压。
用本发明的装置以及“蒸汽爆炸”装置对麦秸在稀释酸性溶液中进行预处理后得到的结果进行了比较，其特点如下(按重量％计)：
现有技术装置采用以下操作条件：L/S比＝10；温度＝150℃；时间＝6分钟；酸浓度＝2重量％H2SO4，L/S是液相流速与固相流速之比。
除了温度为30℃之外，本发明的装置采用相同的操作条件。所采用的装置还具有以下特点：
-湍流混合室数量：2；
-转子-定子段数量：2(转子和定子元件具有抛物线形状的齿)；
-定子的内径：195毫米；
-转子-定子间隙：1mm(第1段)和0.75mm(第2段)；
-转速：2100rpm。
此后，通过使用纤维素酶型酶复合物(Genenco/Danisco生产的酶GC 220浓度为18mg每克葡萄糖醛酸，pH＝5，以及在容器中以120rps搅拌)对预处理后的生物质样品进行酶消化，并绘制了纤维素基质转化率随时间变化的关系图。
纤维素转化率[％b.w.]
蒸汽闪烁与本发明的对比
实施例2
在本申请的第二个示例中，本发明的装置被用于处理高度污染的原料乳中的细菌灭活。所采用的装置具有以下特点(混合室的编号是指待处理相的前进方向)：
-湍流混合室数量：2；
-转子数-定子段的数量：2(转子和定子元件具有抛物线形状的齿)；
-混合室直径：206毫米(D)；
-混合室的轴向长度：70毫米(即0.29x D)；
-第一混合室的销：4个销设置在平行平面上，以便在轴旋转时形成具有向前推力的螺旋。径向尺寸为59.75mm的销，即在旋转过程中，由销所划定的周长为0.58xD的尺寸；
-第二混合室的销：6个销布置在平行平面上，以便在轴旋转时形成具有向前推力的螺旋。径向尺寸为59.75mm的销，即在旋转过程中由销所划定的周长为0.58xD；
-定子的内径：195毫米；
-转子-定子间隙(即最小转子-定子跨距)：1mm(第一段)和0.75mm(第二段)；
-转子和定子的轴向长度：40mm；
-转速：1500rpm；
-电机驱动：安装功率15kW的三相电机。
具有高细菌污染的生牛乳样品具有以下特点：
并具有以下微生物含量：
该方法的设置或启动步骤，在该装置的上游包括用于待处理的液相(在特定情况下是具有上述特性的受污染的牛奶)的罐，用于将牛奶供给到所述装置的离心泵，在其输送管线上连接有流量调节阀以及流量计或浮子流量计(
类型)。在装置的下游设置了已处理牛奶的出口管线，该管线配备有取样阀以及随后的三通阀，以用于将已处理的牛奶引导至牛奶收集罐或再循环管线(如果处理需要几次通过装置)。板式换热器(以逆流方式供给冷却水，就冷却液而言：入口温度2℃，出口温度7℃)位于再循环管路上，并适用于在每次通过结束时将牛奶带回到设定温度为10℃的装置进料点处。
进行了三种处理：
(a)单次通过装置(装置内的持续间：15秒；处理起始温度：10℃；处理结束温度：15℃)；
(b)五次通过装置，在连续通过之间进行制冷(装置内的持续时间：15秒/通过，总共75秒；处理起始温度：10℃；处理结束温度：15℃)；
(c)以向所述第一混合室中注入CO2的方式单次通过装置(装置内的持续时间：15秒；处理起始温度：10℃；处理结束温度：15℃；CO2剂量：20g/l)。
在所述的所有处理中，供给到装置的液相(即受污染的牛奶)的流速为15l/min。
测量处理结束时的细菌含量(以log cfu/ml表示)：
在细菌灭活处理中，该装置(有和没有CO2注射辅助)的有效性已经得到证实。
实施例3
在该实例中，本发明的装置被用作提取器。
所使用的装置具有以下特点：
-湍流混合室数量：3；
-转子-定子段的数量：2(转子和定子元件具有抛物线形状的齿)；
-湍流混合室与高剪切应力和高空化段交替；
-定子的内径：195毫米；
-转子-定子间隙1mm(第一段)和0.75mm(第二段)；
-转速：2000rpm。
已经进行了用特级初榨橄榄油从番茄皮中提取胡萝卜素(主要是番茄红素)。
所采用的特级初榨橄榄油(EVOO)具有以下特点：
经处理的番茄皮具有以下特点：
进行了两种处理：
(a)单次通过装置(装置内的持续时间：5秒；处理起始温度：25℃；处理结束温度：28℃)，番茄皮与EVOO的进料比为1:5w/w；
(b)单次通过装置(装置内的持续时间：5秒；处理起始温度：25℃；处理结束温度：28℃)，番茄皮和EVOO的逆流进料比为1:5w/w。
测量提取处理结束时获得的浓缩的EVOO的总胡萝卜素和番茄红素的含量，以logmg/Kg的值表示：
证明了本发明的装置作为提取器的有效性，并且最重要的是，如果固相和提取液相以逆流方式进料，则可获得多级提取器性能的可能性。
实施例4
在该实施例中，本发明的装置被用作提取器。
所使用的装置具有以下特点：
-湍流混合室数量：4；
-转子-定子段数量：3个(转子和定子元件具有抛物线形轮廓的齿)；
-湍流混合室与高剪切应力和高空化段交替；
-混合室直径：206毫米；
-混合室的轴向长度：70毫米；
-第一混合室的销：在平行平面上布置6个销，以便在轴旋转时形成具有向前推力的螺旋。销的径向尺寸为75mm，也就是在旋转时由销所划定的圆周为0.73xD的尺寸，其中，D是混合室的直径；
-第二混合室的销：在平行平面上布置6个销，以便在轴旋转时形成具有向前推力的螺旋。销的径向尺寸为75毫米，也就是在旋转时由销所划定的圆周为0.73xD的尺寸；
-第3混合室的销：在平行平面上布置6个销，以便在轴旋转时形成具有向前推力的螺旋。销的径向尺寸为75毫米，也就是在旋转时由销所划定的圆周为0.73xD的尺寸；
-第4混合室的销：在平行平面上布置4个销，以便在轴旋转时形成具有向前推力的螺旋。销的径向尺寸为59.75mm，也就是在旋转时由所述销划定的圆周为0.58x D的尺寸；
-定子的内径：195毫米；
-最小转子-定子间隙：2.5mm(第一段)，1.25mm(第二段)和0.75mm(第三段)；
-转子和定子的轴向长度：35mm；
-转速：2250rpm；
-电机驱动：安装功率为22kW的三相电机。
该装置以等流方式和逆流方式运行：
等流方式：通过螺旋进料器将固相送入第一混合室中，并同时通过流量恒定的蠕动式容积泵将液相输送到第一混合室中；从最后一个混合室(即第四个混合室)中提取出最终悬浮液，然后通过倾析法进行液固分离，随后进行最后的压制。随后，在盘式离心机上离心，以绝对保留度为50微米的聚酯袋式过滤器对液相进行过滤，然后用“旋转蒸发仪”型真空蒸发器对所提取的液相进行脱水，再用真空柜式干燥机进行干燥，从而得到粉末状的干燥提取物。
逆流方式：通过螺旋进料器将固相送入到第一混合室中，并同时通过流量恒定的蠕动式容积泵将提取液相输送到第四混合室中；通过螺旋提取-压榨器从第4混合室中提取所排出的固相，并在第4混合室中再循环挤压的液相；通过格栅覆盖的管从第1混合室中提取出液相，其中格栅跨度为0.5×0.5mm，以适于使液相流出并保留固相，其中所述格栅是通过装配到机器主轴上的叶片的移动形成的液相流的湍流来保持清洁，由所述叶片划定的圆周直径为0.9×D。提取的液相在盘式离心机上离心，以绝对保留度为50微米的聚酯袋式过滤器过滤然后通过“旋转蒸发仪”类型的真空蒸发器进行脱水，再用真空柜式干燥机进行干燥，从而得到粉末状的干燥提取物。
通过使用水作为提取液相，已经从橄榄树叶(固相)中提取多酚(主要是橄榄苦苷)。
进入TURBEX提取器的水具有以下特点：
作为固相进料的橄榄树叶具有以下特点：
两种处理的操作条件如下：
等流方式：单次通过装置(装置内的持续时间：36s；处理起始温度：25℃；处理结束温度：30℃)，橄榄树叶和水的等流进料比为1:7w/w[液相(水)流速700kg/h-固相(橄榄树叶)流速100kg/h]。
逆流方式：单次通过装置(装置内持续时间：36s；处理起始温度：25℃；处理结束温度：30℃)，橄榄树叶和水的逆流进料比例1:7w/w[液相(水)流速700kg/h-固相(橄榄树叶)流速100kg/h]。
对得到的固体提取物称重，通过HPLC(高效液相色谱)技术分析固体提取物中的橄榄苦苷含量，并计算橄榄苦苷提取率。
等流处理结果：
获得的总固体提取物的量： 305g/kg
其中：
逆流处理结果：
获得的总固体提取物的量：375g/kg
其中：
本发明的第四个示例性实施例中公开的装置所获得的结果证明了该装置作为提取器的有效性，尤其是，如果固相和提取液相以逆流方式进料，则有可能获得多级提取器的性能。
工业适用性
本发明的装置在多个工业领域，例如作为萃取器、混合器、均质器、反应器，用于生物炼制和生物燃料装置的生物质预处理装置等中得到了有利的应用。
所述装置可作为汽提塔和反应器用于一级和二级水处理技术领域，以去除NH3以及提高用于去除COD的高级氧化技术的性能。此外，本发明的装置可用作将对二甲苯氧化成对苯二甲酸的反应器以及用作聚酯聚合的反应器，使得能够主要或仅通过动力学组分获得反应活化能，且因此可在低于传统操作的温度下进行反应，当然，由于提高了所产生相界面积以及性能传递系数，还实现了反应时间的大幅缩短，从而节省了投资和运行成本。
可以在相同的发明原理下对所描述和示出的本发明进行若干替换和修改。
Claims (18)
1.用于提高相接触和化学反应的装置（11），包括：
至少一个第一高湍流混合段（13）；
至少一个第二高剪切应力和高空化段（15）；
其中，段（13，15）适于提高通过所述段（13，15）的多相流中所含相的相对滑移速度；
所述第一高湍流混合段（13）包括可在由定子（21）包围的混合室（19）内旋转的转子（17），其中，所述转子（17）包括至少一个与所述转子（17）成一体的径向销（23）；
所述至少一个径向销（23）从所述转子（17）的轴（39）的旋转轴线径向延伸这样一长度：使得由所述销（23）划定的外部圆周的直径在0.3-0.9xD的范围内，其中，D为混合室（19）的直径；
所述至少一个混合段（13）适于使多相流经受Re> 500,000的高湍流方案；
所述至少一个第二高切应力和高空化阶段（15）适于使多相流经受空化数σ < 1的空化方案；
所述至少一个第二段（15）包括具有径向齿（27）的转子（25），并且被容纳在由具有径向齿（33）的定子（31）包围的空化室（29）中；
转子（25）和定子（31）的齿（27，33）的相对表面（35，37）在周向上具有抛物线形轮廓；
其中，所述齿（27，33）的抛物线沿抛物线（Pr，Ps）曲线，其中，抛物线的顶点（Vr，Vs）相对于转子（25）的旋转方向设置在齿（27，33）的后边缘（27b，33b）处，并且沿着半径（Rr）分别将该边缘（27b，33b）连接到转子（25）或定子（31）的中心（Cr），抛物线（Pr，Ps）的焦点也位于所述半径（Rr）上；
在转子齿（27）和定子齿（33）之间设置间隙（51），当所述边缘沿转子（25）和定子（31）的相应半径（Cr，Cs）基本对齐时，该间隙在转子和定子齿（27，33）的后边缘（27b，33b）处最小。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：包括多个高湍流混合段（13）以及多个高剪切应力和高空化段（15），段（13，15）串联并彼此交替设置，使得所述多相流通过每个段（13，15），其中，每个第一段（13）以及每个第二段（15）具有公共旋转轴（39），其中所述销（23）和具有径向齿（27）的转子（25）与该公共旋转轴（39）相关联；第一和第二物理状态包括液态、固态和气态，所述第一和所述第二物理状态彼此不同或相同。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述混合段（13）包括喷嘴（49a，49b），以适于将物质流或混合物注入到混合室（19）中。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：定子齿（33）具有与转子齿（27）的轮廓的相同并是其镜像的抛物线轮廓（33a），并且，定子齿的轮廓（33a）沿着抛物线（ps）的曲线，其顶点（Vs）相对于转子（25）的旋转方向位于定子齿（33）的后边缘（33b）处，沿着所述半径（Rs）将所述边缘（33b）连接到与转子（25）的中心（Cr）重合的定子中心（Cs），抛物线（Pr，Ps）的焦点也位于所述半径（Rs）上。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：转子齿（27）和/或定子齿（27）的轮廓的抛物线方程为Y = 0.0062974 X2。
6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：齿状转子（25）的直径为50-500 mm，轴向长度约为相应齿形转子（25）直径的0.05-2.5倍，其中，转子齿（27）与定子齿（33）之间的最小间隙约为0.2-5.0mm。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：齿形转子（25）的直径为100-300mm。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：齿形转子（25）的轴向长度为转子直径的0.1-1.0倍。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：转子齿（27）与定子齿（33）之间的最小间隙为0.5-2.5mm。
10.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：混合室（19）和空化室（29）的内径约为50-500mm，其中，高湍流混合段（13）的轴向长度约为相应混合室（19）内径的0.1-2.5倍。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于：混合室（19）和空化室（29）的内径为100-300mm。
12.根据权利要求10所述的装置，其特征在于：高湍流混合段（13）的轴向长度为混合室（19）内径的0.25-1.5倍。
13.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：转子（17）的转速为1000-3000rpm。
14.根据权利要求1或2所述的装置，当装置以逆流方式操作时，其包括设有用于处于第一物理状态的第一物质入口的第一端口（165）和用于处于第二物理状态的第二物质出口的第二端口（167）的第一高湍流混合段（13），以及设置有用于处于第二物理状态的物质的入口的第一端口（173）和用于处于所述第一物理状态的物质的出口的第二端口（175）的第二高湍流混合段（13）。
15.根据权利要求1或2所述的装置，当装置以等流方式操作时，其包括设有用于处于第一物理状态的第一物质入口的第一端口（165）和用于处于第二物理状态的第二物质入口的第二端口（167）的第一高湍流混合段（13），以及设有用于处于所述第二物理状态的物质的出口的第一端口（173）和用于处于所述第一物理状态的物质的出口的第二端口（175）的第二高湍流混合段（13）。
16.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：至少两个销（23）与同一混合段（13）相关联，并被设置在垂直于所述转子（17）的旋转轴线的同一平面或垂直于所述转子（17）的旋转轴线的平行平面内。
17.用于提高相接触和化学反应的方法，包括提供如权利要求1-16中任意一项所述的装置步骤，以及在所述装置中使多相流经过至少一个第一高湍流混合段（13）和至少一个第二高剪切应力和高空化段（15）的步骤，其中，所述段（13，15）适于提高流经所述段（13,15）的多相流中所含的相的相对滑移速度。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于：所述多相流是通过以逆流方式进料不同相得到的。
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