CN110314622A - 一种混合、反应、分离一体化液-液螺旋管旋流反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合、反应、分离一体化液‑液螺旋管旋流反应器，包括螺旋管、溢流管、反应管和底流管，所述的反应管从上到下依次包括缓冲腔、混合反应腔、分离腔；所述的溢流管底部插入到反应管的混合反应腔，溢流管的顶部为溢流出口，溢流管的底部为溢流内部出口，所述的螺旋管缠绕在溢流管外，螺旋管的顶部设置连续相入口和分散相入口，螺旋管的底部插入到缓冲腔内；所述的底流管安装在反应管的底部与反应管对接，底流管的内部与分离腔连通，底流管的底部为底流出口。

Description

一种混合、反应、分离一体化液-液螺旋管旋流反应器

技术领域

本发明涉及石油化工、生物反应、环境保护等工程领域，是一种用于液-液非均相反应的混合、反应、分离一体化液-液螺旋管旋流反应器。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

互不相溶的液-液非均相反应过程广泛存在于石油化工、生物反应、环境保护等工程领域，液-液非均相反应的关键在于实现液-液两相的高效混合、充分接触以提高反应速率，而相间的接触与混合是通过分散相以液滴的形式分散在连续相中，分散相的分散过程则是通过液滴的破碎和聚并实现，因此分散相液滴在连续相中的尺寸分布、运动形态对两相之间的相互作用有着直接的影响，且是影响反应速率及产物收率的重要因素，液滴破碎越剧烈分散相液滴的平均尺寸就越小，液-液两相之间的相接触界面面积就越大，越有助于两相的充分混合。液滴是多相流反应器热量和质量传递的重要载体，在液-液非均相反应体系中，多液滴并存的反应机理十分复杂，如在湍流作用下，部分液滴碰撞接触后发生聚并，还有一部分液滴在连续相的湍流脉动作用下发生破碎，分散相液滴尺寸的变化使得两相的相接触界面面积发生变化，从而影响着系统内的热量和质量传递，并进一步影响了混合反应效果。同时由于液-液非均相反应发生于相界面，因此两相相界面面积与反应速率直接相关，工业上多采用调控分散相尺寸等手段提高两相相界面面积，由此可见，液-液非均相反应体系中，分散相尺寸对界面面积有着显著影响，进而对化工过程的反应速率、传质速率和产品质量有重要影响，因此对不同类型反应器分散特性的研究引起了广泛的关注。

互不相溶的液-液非均相反应实际上是相际反应，影响反应速率的主要因素包括：反应物的理化性质、反应器结构形式、反应器中的流体力学条件等。

最常用的液-液非均相反应器有膜分散微反应器、微通道反应器、搅拌釜、静态混合器等。微反应器可将分散相液滴减小至纳米级别，但是产量较小；搅拌釜式反应器中不同位置处混合情况不同，搅拌桨或叶轮附近湍流程度较高，壁面出流动较平缓，容易造成反应物料混合不均匀，对于一些反应时间很短的快速反应，在反应过程中会释放大量的热，须在搅拌釜内设置盘管来释放反应产生的热量；静态混合器可在较宽雷诺数范围内使用，且无动部件，但是由于其内部结构复杂，反应器内部的清洗和维修是一个较大的难题。且上述反应器均单纯作为混合反应设备，须在后续过程中添加分离模块以完成整个工艺流程，因此对于反应时间较短的非均相反应除了提高混合水平之外，如何实现产物的及时分离避免副反应的发生也是提高产物收率的关键问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种多功能反应器，可以在单一设备中实现液-液非均相反应的混合、反应与分离单元过程的一体化，借助该发明中提出的螺旋管旋流反应器内的三级混合降低分散相液滴的尺寸，提高两相的相接触界面面积，加快反应速率，同时实现反应产物的及时分离以降低副反应发生的概率，从而提高目标产物收率。

本发明采用的技术方案如下：

一种混合、反应、分离一体化液-液螺旋管旋流反应器，包括螺旋管、溢流管、反应管和底流管，所述的反应管从上到下依次包括缓冲腔、混合反应腔、分离腔；所述的溢流管底部插入到反应管的混合反应腔，溢流管的顶部为溢流出口，溢流管的底部为溢流内部出口，所述的螺旋管缠绕在溢流管外，螺旋管的顶部设置连续相入口、分散相入口，螺旋管的底部插入到缓冲腔内；所述的底流管安装在反应管的底部与反应管对接，底流管的内部与分离腔连通，底流管的底部为底流出口。

作为进一步的技术方案，所述的分散相入口位置设置一个分散相入口管，所述的分散相入口管切向连接在螺旋管上；所述的分散相入口管焊接在所述的螺旋管上。借助于两相入口速度方向不同提高分散相所受剪切力，有助于分散相液膜形成及液膜振荡脱落形成液滴；切向进入螺旋管的分散相液体在管内连续相的剪切作用下液膜振荡脱落形成液滴，两相在此过程中实现两相的一级混合。

作为进一步的技术方案，在所述的缓冲腔、混合反应腔之间还设有一段导向管段，在该导向管段内安装有导向叶轮，导向叶轮的中心设有通孔，导向叶轮通过该通孔安装在所述的溢流管，溢流管底部穿过该通孔，延伸到所述的混合反应腔，所述的导向叶轮以增大两相流动的湍流强度，从而增大分散相液滴的剪切力。

作为进一步的技术方案，所述的溢流内部出口处采用弧形过渡，避免直角造成内部溢流出口附近的回流出现流动死区。

作为进一步的技术方案，所述的分离腔为上粗下细的锥形腔结构。

作为进一步的技术方案，所述的反应管和底流管一体成型或者焊接在一起。

作为进一步的技术方案，所述的缓冲腔、混合反应腔的半径相等。

具体的反应过程如下：

液-液非均相反应体系中的连续相液体经连续相入口进入螺旋管反应器内，与此同时分散相液体经分散相入口进入螺旋管反应器内，分散相入口切向连接在螺旋管上，切向进入螺旋管的分散相液体在管内连续相的剪切作用下由液膜振荡脱落形成液滴，液滴进一步在剪切力的作用下破碎并分散与连续相中，在此过程中两相液体实现一级混合，混合后的液体混合物进入螺旋管后，在管内由二次流产生的副运动作用下，流场湍流强度增大，在螺旋管内狄恩涡的作用下，分散相液滴在湍流作用下发生进一步破碎，分散相液滴尺寸随之减小，两相的相接触界面面积也随之增大，两相在此过程中实现二级混合，完成二级混合后的两相进入缓冲腔，缓冲腔的设计目的是避免液体混合物直接进入导向叶片流场发生紊乱，两相速度产生不规则现象，从而造成乳化现象不利于后续产物的分离，液体混合物流经缓冲腔速度平稳之后经导向叶片进行二次加速以增强反应器内湍流强度，随后进入混合反应腔进行三级混合，混合反应完成后产物与其它物质组成的液体混合物进入分离腔，在密度差的作用下及离心力的作用下完成分离过程，分离完成后密度较小的从溢流内部出口进入溢流管然后经溢流出口排出，密度较大的进入底流管从底流出口排出，从而在该螺旋管旋流反应器中实现了混合、反应与分离过程。

本发明具有如下优点：

通过应用本发明专利，在单一设备中实现了混合、反应、分离单元过程的一体化，简化了工艺流程，减少基建成本；同时由于该螺旋管旋流反应器内无动部件从而降低了能耗也较少了操作维修的成本；且该螺旋管旋流反应器内充分利用了剪切流场实现了两相的三级混合，提高了两相的混合过程，螺旋管的存在也起到了释放反应产生的热量。

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本发明总体结构示意图；

图2为溢流内部出口弧形结构放大图；

图3为两相入口结构放大图；

图4、图5导向叶片三维立体图。

在图中，1溢流出口，2连续相入口，3分散相入口，4螺旋管，5溢流管，6缓冲腔，7导向叶轮，8溢流内部出口，9混合反应腔，10分离腔，11底流管，12底流出口。

具体实施方式

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；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

名词解释，本发明中所述的“切向连接”是指分散相入口管的轴线与连螺旋管相切；连续相入口直接是螺旋管口位置本身形成的口，而分散相入口则是在螺旋管的管壁上额外设置的口，参考图1。

正如背景技术所介绍的，现有技术中最常用的液-液非均相反应器有膜分散微反应器、微通道反应器、搅拌釜、静态混合器等。微反应器可将分散相液滴减小至纳米级别，但是产量较小；搅拌釜式反应器中不同位置处混合情况不同，搅拌桨或叶轮附近湍流程度较高，壁面出流动较平缓，容易造成反应物料混合不均匀，对于一些反应时间很短的快速反应，在反应过程中会释放大量的热，须在搅拌釜内设置盘管来释放反应产生的热量；静态混合器可在较宽雷诺数范围内使用，且无动部件，但是由于其内部结构复杂，反应器内部的清洗和维修是一个较大的难题。且上述反应器均单纯作为混合反应设备，须在后续过程中添加分离模块以完成整个工艺流程，因此对于反应时间较短的非均相反应除了提高混合水平之外，如何实现产物的及时分离避免副反应的发生也是提高产物收率的关键问题。

为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种多功能反应器，可以在单一设备中实现液-液非均相反应的混合、反应与分离单元过程的一体化，借助该发明中提出的螺旋管旋流反应器内的三级混合降低分散相液滴的尺寸，提高两相的相接触界面面积，加快反应速率，同时实现反应产物的及时分离以降低副反应发生的概率，从而提高目标产物收率。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种用在液-液非均相反应体系中的耦合混合、反应、分离单元过程与一体化的螺旋管旋流反应器，包括螺旋管4、溢流管5、反应管和底流管11，所述的反应管从上到下依次包括缓冲腔6、混合反应腔9、分离腔10；所述的溢流管5底部插入到反应管的混合反应腔9内，溢流管5的顶部为溢流出口1，溢流管的底部为溢流内部出口8，所述的螺旋管4缠绕在溢流管5外，螺旋管4的顶部设置连续相入口3、分散相入口2，螺旋管4的底部插入到缓冲腔6内；所述的底流管安装在反应管的底部与反应管对接，底流管的内部与分离腔连通，底流管的底部为底流出口。

如图2所示，所述的分散相入口位置设置一个分散相入口管，所述的分散相入口管切向连接在螺旋管上；进一步优选的，所述的分散相入口管直接焊接在所述的螺旋管上；借助于两相入口速度方向不同提高分散相所受剪切力，有助于分散相液膜形成及液膜振荡脱落形成液滴；切向进入螺旋管的分散相液体在管内连续相的剪切作用下液膜振荡脱落形成液滴，两相在此过程中实现两相的一级混合。

在缓冲腔、混合反应腔之间还设有一段导向管段，在该导向管段内安装有导向叶轮7，导向叶轮7的中心设有通孔，导向叶轮的具体结构如图4、图5所示，导向叶轮7包括一个中空管，在中空管的外圈有导向叶片；导向叶轮7通过该通孔安装在所述的溢流管，溢流管底部穿过该通孔，延伸到所述的混合反应腔，所述的导向叶轮以增大两相流动的湍流强度，从而增大分散相液滴的剪切力。

进一步的，如图1所示，所述的分离腔为上粗下细的锥形腔结构。所述的缓冲腔、混合反应腔的半径相等。

进一步的，所述的溢流内部出口处采用弧形过渡，避免直角造成内部溢流出口附近的回流出现流动死区。

所述的反应管和底流管一体成型或者焊接在一起。

本发明中的液-液非均相反应体系中的连续相液体经连续相入口2进入螺旋管反应器内，与此同时分散相液体经分散相入口3进入螺旋管反应器内，分散相入口管切向连接在螺旋管4上，切向进入螺旋管的分散相液体在管内连续相的剪切作用下由液膜振荡脱落形成液滴，液滴进一步在剪切力的作用下破碎并分散与连续相中，在此过程中两相液体实现一级混合，混合后的液体混合物进入螺旋管4后，在管内由二次流产生的副运动作用下，流场湍流强度增大，在螺旋管内狄恩涡的作用下，分散相液滴在湍流作用下发生进一步破碎，分散相液滴尺寸随之减小，两相的相接触界面面积也随之增大，两相在此过程中实现二级混合，完成二级混合后的两相进入缓冲腔6，缓冲腔的设计目的是避免液体混合物直接进入导向叶片7流场发生紊乱，两相速度产生不规则现象，从而造成乳化现象不利于后续产物的分离，液体混合物流经缓冲腔速度平稳之后经导向叶片7进行二次加速以增强反应器内湍流强度，随后进入混合反应腔9进行三级混合，混合反应完成后产物与其它物质组成的液体混合物进入分离腔10，在密度差的作用下及离心力的作用下完成分离过程，分离完成后密度较小的从溢流内部出口8进入溢流管5然后经溢流出口1排出，密度较大的进入底流管11从底流出口12排出，从而在该螺旋管旋流反应器中实现了混合、反应与分离过程。

本发明实现了反应器的多功能化，在单一设备中实现混合、反应和分离单元过程；反应器内分为三级混合，一级混合位于分散相入口3，切向进入螺旋管4后的分散相在剪切力作用下以液滴的形式分散于连续相中实现一级混合，两相进入螺旋管4在管内流场作用下实现二级混合，随后经导向叶片7进入混合反应腔9实现三级混合，借助于三级混合可有效提高两相的相接触界面面积，提高混合水平，加快反应速率。两相进入导向叶片之前设计有缓冲腔防止流场发生紊乱产生乳化现象。在三级混合之前设计安装导向叶轮，以增大两相流动的湍流强度，从而增大分散相液滴的剪切力。螺旋管的存在还起到了释放反应过程中产生的热量的作用。

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。

Claims (8)

1.一种混合、反应、分离一体化液-液螺旋管旋流反应器，其特征在于，包括螺旋管、溢流管、反应管和底流管，所述的反应管从上到下依次包括缓冲腔、混合反应腔、分离腔；所述的溢流管底部插入到反应管的混合反应腔，溢流管的顶部为溢流出口，溢流管的底部为溢流内部出口，所述的螺旋管缠绕在溢流管外，螺旋管的顶部设置连续相入口和分散相入口，螺旋管的底部插入到缓冲腔内；所述的底流管安装在反应管的底部与反应管对接，底流管的内部与分离腔连通，底流管的底部为底流出口。

2.如权利要求1所述的混合、反应、分离一体化液-液螺旋管旋流反应器，其特征在于，所述的分散相入口位置设置一个分散相入口管，所述的分散相入口管切向连接在螺旋管上。

3.如权利要求1所述的混合、反应、分离一体化液-液螺旋管旋流反应器，其特征在于，所述的分散相入口管焊接在所述的螺旋管上。

4.如权利要求1所述的混合、反应、分离一体化液-液螺旋管旋流反应器，其特征在于，在所述的缓冲腔、混合反应腔之间还设有一段导向管段，在该导向管段内安装有导向叶轮，导向叶轮的中心设有通孔，导向叶轮通过该通孔安装在所述的溢流管上，溢流管底部穿过该通孔，延伸到所述的混合反应腔。

5.如权利要求1所述的混合、反应、分离一体化液-液螺旋管旋流反应器，其特征在于，所述的溢流内部出口处采用弧形过渡。

6.如权利要求1所述的混合、反应、分离一体化液-液螺旋管旋流反应器，其特征在于，所述的分离腔为上粗下细的锥形腔结构。

7.如权利要求1所述的混合、反应、分离一体化液-液螺旋管旋流反应器，其特征在于，所述的反应管和底流管一体成型或者焊接在一起。

8.如权利要求1所述的混合、反应、分离一体化液-液螺旋管旋流反应器，其特征在于，所述的缓冲腔、混合反应腔的半径相等。