CN110433682A - 一种承压流体混合装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种承压流体混合装置,包括内套管与外套管，所述内套管内设有第一通道，所述第一通道包括若干单元通道，相邻所述单元通道之间相连通，所述单元通道上固定有挡流件，所述内套管上设有若干第一入口与若干第一出口，所述外套管内设有第二通道，所述外套管上设有若干第二入口与若干第二出口，所述内套管固定于所述第二通道上。本发明通过内套管与外套管的有机结合，来达到对不同流体的高效混合、换热的效果，相对于传统的流体搅拌装置，本发明公开的技术方案具有混合反应持续稳定，安全高效的优点。

Description

一种承压流体混合装置
技术领域
本发明涉及食品、化工流体混合技术领域，特别涉及一种承压流体混合装置。
背景技术
我国是个化工大国，每年有大量的企业和化工厂需要把大量的流体混合或混合反应以合成为所需要的产品。传统的釜式混合反应器应用通常由进料、传热、传动、搅拌及密封等部分组成，其体积庞大、单次原料添加量大，导致混合反应的时间过长，混合效率大大降低，且添加的材料又包含易燃、易爆、毒害、腐蚀介质等特性，具有极大的危险性，而且，为了能稳定控制混合物的反应温度，通常需要另外配备相应的冷却和换热装置，这使得整个混合设备结构不够紧凑，换热表面积较小，导致换热效率低下，从而不方便进行相关操作，容易导致安全事故。因此，传统的混合装置具有搅拌效率低下、危险程度高，不够安全、体积大不够紧凑、不能有效控制反应温度的缺点，需要提出有效的方案来加以解决。
发明内容
本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种承压流体混合装置，能够安全、高效地对两种以上的不同流体进行混合，或者对一种以上的流体进行换热，控温，并且结构紧凑，大大减小空间占用率，换热表面积大，进而提高换热效率。
本发明为解决其技术问题而采用的技术方案是：
一种承压流体混合装置,包括内套管与外套管，所述内套管内设有第一通道，所述第一通道包括若干单元通道，相邻所述单元通道之间相连通，所述单元通道上固定有挡流件，所述内套管上设有若干第一入口与若干第一出口，所述外套管内设有第二通道，所述外套管上设有若干第二入口与若干第二出口，所述内套管固定于所述第二通道上。
优选地，所述内套管呈长条直线状，所述内套管的两端延伸出所述外套管外，所述内套管与所述外套管的连接处密封固定。
优选地，所述单元通道沿所述内套管长度方向横向叠加连接，所述挡流件呈柱状。
优选地，所述单元通道侧壁与所述挡流件侧壁形成混合流道，所述混合流道的横截面形状包含椭圆形、圆形、多边形、三角形或者波浪形中的一种或两种以上。
优选地，所述挡流件侧壁上固定有若干第一挡流齿，所述第一通道内壁上固定有若干第二挡流齿，所述第一挡流齿与所述第二挡流齿错开分布，所述第一挡流齿与所述第一通道内壁之间形成第一间隙，所述第二挡流齿与所述挡流件侧壁之间形成第二间隙。
优选地，所述挡流件的一端设有贯穿所述挡流件与所述内套管的第三通道，所述第三通道与所述第二通道连通。
优选地，所述外套管与所述内套管由金属、塑料或陶瓷材料构成。
优选地，所述内套管与所述外套管的壁厚均为0.1mm-5mm；
所述第二通道的容积是所述第一通道容积的1-100倍。
优选地，所述第一通道的高度为0.5mm-300mm；
所述单元通道的长度为3mm-40mm。
优选地，所述混合流道的宽度为2mm-40mm；
所述单元通道之间形成过度间隙，所述过度间隙的长度为0.05mm-10mm，所述过度间隙的宽度为1mm-40mm。
上述技术方案中的一个技术方案具有以下有益效果：一种承压流体混合装置通过内套管与外套管的有机结合，来达到高效混合、换热的效果，内套管用于输送一种或多种流体，内套管内设有第一通道，通过外力作用，使第一入口与第一出口的流体产生压力差，迫使流体在第一通道内通过，流体在第一通道内经过挡流结构充分地实现接触、混合、碰撞、剪切、立体翻滚或反应，因而提高了流体之间的混合、反应效率；外套管上设置的第二通道用来输送冷却液或者保温液，而内套管固定于第二通道上，冷却液或保温液直接作用在内套管外壁，并不断更新、流动，增加了换热表面积，冷却液能及时把流道产生的混合、反应热量，快速传递交换，从而使物料流道内腔温度得到有效控制，避免了因温度升高导致副产和物料降解，从而提高了不同混合反应的安全性；而在输送保温液时，则可使混合空腔保持恒温状态，使混合空腔内流体保持在所需要反应的温度范围内，有利于反应的进行，提高流体混合反应效率。同时，本发明实施例提供的方案结构简单可靠紧凑，占用体积小，为工作人员的操作带来极大方便。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；
图1为本发明第一种实施例的整体结构示意图；
图2为本发明第二种实施例的整体结构示意图；
图3为本发明第三种实施例的整体结构示意图；
图4为本发明第一种实施例的侧视剖视图；
图5为本发明第一种实施例的俯视剖视图；
图6为本发明第一种实施例中部分结构的放大图；
图7为本发明第四种实施例的俯视剖视图；
图8为本发明第五种实施例的俯视剖视图；
图9为本发明第五种实施例的部分结构放大图；
图10为本发明第六种实施例的俯视剖视图；
图11为本发明第六种实施例的部分结构放大图；
图12为本发明第七种实施例的俯视剖视图；
图13为本发明第七种实施例的部分结构放大图；
图14为本发明第八种实施例的俯视剖视图；
图15为本发明第八种实施例的部分结构放大图；
图16为本发明第九种实施例的俯视剖视图；
图17为本发明第九种实施例的部分结构放大图；
图18为本发明第十种实施例的俯视剖视图；
图19为本发明第十种实施例的部分结构放大图；
图20为本发明第十一种实施例的俯视剖视图；
图21为本发明第十二种实施例的俯视剖视图；
图22为本发明第十三种实施例的俯视剖视图；
图23为本发明第十三种实施例的部分结构发大图；
图24为本发明第十四种实施例的俯视剖视图；
图25为本发明第十五种实施例的俯视剖视图；
图中：
100、内套管；110、第一入口；120、第一出口；130、第一通道；140、挡流件；150、混合流道；160、第一挡流齿；170、第二挡流齿；200、外套管；210、第二入口；220、第二出口；230、第二通道；240、第三通道。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明技术方案的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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，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装置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。
在本发明技术方案的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明技术方案的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参照图1-图5，一种承压流体混合装置,包括内套管100与外套管200，内套管100内设有第一通道130，第一通道130包括若干单元通道，相邻单元通道之间相连通，单元通道上固定有挡流件140，内套管100上设有若干第一入口110与若干第一出口120，外套管200内设有第二通道230，外套管200上设有若干第二入口210与若干第二出口220，内套管100固定于第二通道230上。
以上实施，具体来说，内套管100的内设置的第一通道130用来输送一种或多种承压流体，根据实际需要来选择挡流件的形状，挡流结构可以设计成板状，也可以设计成柱状，或者是板状体和柱状体的综合应用，目的是为了使流体在第一通道130流通的过程中产生不规则的湍流，以提高混合或反应的效果，从而提高混合或反应的效率，待混合或反应流体从第一入口110进入，在第一通道130中经挡流结构充分混合、剪切、接触、碰撞，物料能充分接触，达到高效率的混合反应效果，混合效果接近传统搅拌釜3000转/分钟搅拌的效果，最终从第一出口120流出，由于待混合流体或待反应的流体可以有多种不同的性质的流体，因此第一入口110可以设置一个或者多个，如果设计成一个，则可先从外部进行初步混合，再通过第一入口110承压注入到第一通道130内，进行深度高效的混合；如果设计成多个，则每个第一入口110可分别对应注入一种流体，可在第一通道130内一次性地混合、反应，最终从第一出口120流出成品流体，两种情况相对于传统的混合搅拌釜、搅拌塔等，具有连续、高效、稳定混合反应的优点。
外套管200内设有第二通道230，内套管100固定于第二通道230内，第二通道230可根据实际任务需求，流通冷却液或者保温液等，当第二通道230内注入冷却液时，冷却液可直接作用于内套管100的外壁，增加了热交换面积，并在内套管100外壁不断流通、更新，从而使内套管100内混合、反应所产生的热量及时传递热交换，提高了热交换效率，从而使第一通道130内的温度得到有效控制，冷却液的持续输送避免了因温度升高导致副产物和物料降解，也避免了一些因温度过高所导致的安全隐患。由此可见，本发明所公开的装置相比传统的搅拌反应釜、反应塔等具有更高的安全性，同时也减少了装置本身的空间占用率，使其结构紧凑而方便生产和工作人员操作使用；若第二通道230内输送的是保温液，则可使混合空腔保持恒温状态，使混合空腔内流体保持在所需要反应的温度范围内，有利于反应的进行，提高流体混合反应效率。
进一步地，内套管100呈长条直线状，内套管100的两端延伸出外套管200外，内套管100与外套管200的连接处密封固定。具体来说，长条直线状的内套管100一方面方便生产、组装，另一方面提高了装置的紧凑程度，方便工作人员对装置进行安装，内套管100的两端延伸出外套管200内，有利于在延伸部分设置第一入口110和第一出口120，也有利于承压注入待混合流体；内套管100与外套管200的密封处可用焊接固定，也可使用工业密封胶进行快速安装固定，还可采用一体成型以及夹具的方式进行固定；同时，内套管100的形状也可以呈非直线型，如图24中的U型，设计成U型可以在不增加内套管100整体横向长度的前提下增加第一通道130的流通行程，从而在保持结构紧凑的前提下提高混合或反应的效果。
进一步地，参照图4与图5，单元通道沿内套管100长度方向横向叠加连接，挡流件呈柱状。具体来说，单元通道沿内套管100横向叠加连接是一种使内套管100结构更加紧凑的优选方案，当然，单元通道也可以选择设计成单元通道在内套管内呈S型分布，Z型分布等等，不仅如此，单元通道还可设计成多种不同形状，除了柱状，挡流件140也能设计成多种不同的形状，目的是为了增加流体在第一通道130内流通的形成湍流的不规则程度，以提高混合、剪切效果。
进一步地，参照图5-图23，单元通道侧壁与挡流件140侧壁形成混合流道150，混合流道150的横截面形状包含椭圆形、圆形、多边形、三角形或者波浪形中的一种或两种以上。具体来说，本实施例提供的一种带热换功能的承压流体混合装置中的单元通道与挡流件140的形状设计成一致，目的是使单元通道侧壁与挡流件140侧壁形成固定尺寸的混合流道150，因此，混合流道150所呈现出来的截面形状与单元通道以及挡流件140的具体形状相关，除了可采用上述实施例所包含的形状以外，还可以采用L型、V型、U型、Σ型等，各种形状的混合流道150可根据实际输送的流体性质自由组合、排列，使混合流道150的俯视截面呈现出多样化的复杂结构，以便达到最佳的混合、反应效果。
进一步地，参照图6，挡流件140侧壁上固定有若干第一挡流齿160，第一通道130内壁上固定有若干第二挡流齿170，第一挡流齿160与第二挡流齿170错开分布，第一挡流齿160与第一通道130内壁之间形成第一间隙，第二挡流齿170与挡流件140侧壁之间形成第二间隙。具体来说，第一间隙与第二间隙的设置进一步加大不同流体的混合剪切力度，第一挡流齿160与第二挡流齿170错开分布能够使流体通过第一间隙和剪切间隙后形成不规则湍流，反复与随后通过的流体混合、剪切，促使不同流体充分混合或反应，提高混合或反应速率。另一方面，挡流齿还起到加强筋的作用，有助于提高挡流件的结构强度。
进一步地，参照图4-图6，挡流件140的一端设有贯穿挡流件140与内套管100的第三通道240，第三通道240与第二通道230连通。具体来说，第三通道240可供冷却液或保温液通过，进一步增加本实例提供装置的换热表面积，从而进一步提高对混合或反应流体的热交换效率，同时也可以提高冷却液或者保温液的流通速率，从而加强对内套管的冷却或保温的效果。
进一步地，外套管200与内套管100由金属、塑料或陶瓷材料构成，例如钛、锆、钽、PTFE、PEEK、碳纤、玻璃、碳钢、C4不锈钢、2205双钼不锈钢、镍基625不锈钢、哈氏C276、哈氏B、哈氏C2000、PET、氧化锆、氮化硅、碳化硅。具体来说，可根据流体的具体性质来确定内套管100与外套管200的材料构成，当内套管100与外套管200设计成金属材质时，可使用金属3D打印机进行生产，能够满足第一通道130与第二通道230的精密性，使第一通道130与第二通道230的尺寸得到严格控制，使第一通道130与第二通道230获得较强的承压能力，提高内套管100与外套管200的结构稳定性，从而提高本实施例提供的装置的整体安全性；当内套管100与外套管200采用轻便的塑料材质构成时，可适用于流体数量不多，或者入射压力较小的任务需求，轻质的塑料构成的装置本体虽然没有金属材质的承压能力强，但是方便携带和运输，也方便工作人员进行安装、操作；当内套管100与外套管200设计成陶瓷材料时，适合做成第一通道130与第二通道230容积较大的情况，用于混合输送量较大的流体，陶瓷材质本身具有高强度的特性，因此本实施例提供的装置具有较强的承压能力，而且不容易受到流体的侵蚀，避免流体对本实施例提供的装置造成较大的损害，提高装置的使用寿命。
进一步地，参照图4、图5与图6，内套管100与外套管200的壁厚均为0.1mm-5mm；
第二通道230的容积是第一通道130容积的1-100倍；
第一通道130的高度对应图4中的Ha，其范围是0.5mm-300mm；
单元通道的长度对应图6中的LB,其范围是3mm-40mm；
混合流道150的宽度是指单元通道侧壁与挡流件140侧壁的间隔，即图6中的WB，其范围是2mm-40mm；
单元通道之间形成过度间隙，过度间隙的长度对应图6中的LA，其范围是0.05mm-10mm，过度间隙的宽度对应图6中的WA，其范围是1mm-40mm。
具体来说，当内套管100与外套管200的壁厚为0.1mm，第一通道130高度Ha为0.5mm，单元通道长度LB为3mm，混合流道150宽度WB为2mm，过度间隙长度LA与宽度WA均为1mm，第二通道230容积是第一通道130的10倍，且内套管100与外套管200采用镍625不锈钢制成，可适应0.6Mpa左右的流体承压力，用于输送、混合小流量流体。
当内套管100与外套管200的壁厚为5mm，第一通道130高度Ha为300mm，单元通道长度LB为40mm，混合流道150宽度WB为40mm，过度间隙长度LA为10mm，过度间隙宽度WA是40mm，第二通道230容积是第一通道130的100倍，且内套管100与外套管200采用镍625不锈钢制成，可适应40Mpa左右的流体承压力，用于输送、混合流量较大的流体。
当内套管100与外套管200的壁厚为2mm，第一通道130高度Ha为100mm，单元通道长度为20mm，混合流道150宽度WB为20mm，过度间隙长度LA为5mm，过度间隙宽度WA是20mm，第二通道230容积是第一通道130的30倍，且内套管100与外套管200采用镍625不锈钢制成，可适应25Mpa左右的流体承压力，适合输送、混合流量中等程度的流体。
本发明的一个实施例提供的一种承压流体混合装置，可用于化学、食品、日化、石化、精细化工等行业中不同气体、液体、含固液体、粉末之间的混合、剪切、换热和反应；而其混合、反应、换热类型不限于硝化、磺化、氯化、氢化、重氮化、缩合、酰化、酯化、转位、氟化、氨化、过氧化、加氢、聚合、裂解、肟化、中和。
本发明的一个实施例提供的一种承压流体混合装置可采用成体铸造、3D打印成型、焊接、高温扩散焊、螺丝、夹具固定等制造方法得以生产，在实际应用中，以常规金属打印机为例，经过模型设计、模型修复、摆放、切片等步骤，设定参数为：激光光斑：100um；扫描速度：966mm/s；扫描间距：0.1mm；粒径15-53um，所用材质为镍基625不锈钢，可打印出本发明的一种实施例提供的产品，其承压力可达到40Mpa,其工作温度在-100℃～500℃。
在实际应用中，采用甲苯200ml/分钟流体一、水100ml/分钟流体二分别从进口进入其中一实施例提供的装置，装置数量为1根，第一通道130总行程为250mm，压力0.3-0.6Mpa，两种流体混合后，95％乳化，混合效果优良。
在实际应用中，化学原料混合硝酸、硫酸A物料，流量50ml/分钟流量、化学品原料B物料，流量20ml/分钟，在常温30℃下混合，经过其中一实施例所提供的装置。同时在第二通道230通入-10℃的冷却液用于控制反应温度，反应温度40℃,停留时间3秒，硝化完毕，主产含量98％，硝化原料B剩余0.2％。本反应实现了硝化的安全生产。
另外，参照图25，可由多个本发明提供的一种承压流体混合装置排列，形成一个混合反应系统，以进一步提高对流体的混合效果，以一个由两个装置组成的系统整体为例，待反应流体经图25中的T1装置的第一入口110在T1装置内的混合空腔进行混合反应，在T1第一出口120流出后即可通过管路对接到T2装置的第一入口110，在增加混合进程的同时，也使反应液混合所产生的的热量得到进一步热交换传递，最终在T2出来时反应液已得到充分混合，也可保持生产任务所需求的温度，冷却液或者保温液则在T1装置和T2装置的第二通道230内流通，经T1的第二出口220通过连接管流道T2的第二入口210。并且装置T1与装置T2的内部结构可有所不同，混合流道150的俯视截面形状也可任意设计排列，这种自由组合式的模块化系统能够灵活地应对多种复杂的混合任务需求，这种混合、换热作用效果是传统反应釜、反应塔等无法比拟的。
在实际应用中，化学品原料A甲醛流量750ml/分钟作为流体一，化学品原料B丁醛流量690ml/分钟作为流体二，化学品原料C碱水流量750ml/分钟作为流体三，分别从进料嘴进入其中一实施例提供的装置，装置数量为4个，第一通道130总行程为1000mm，压力0.6Mpa，用热水恒温，恒温温度为70℃，物料反应出口温度为55℃，经过其中一实施例的装置后，时间10秒，反应全部完成；
在实际应用中，原料为含乳化剂的玉米油流体A与水流体B进行乳化实验，经过其中一实施例提供的装置2个，第一通道130总行程500mm，流量分为流体A：100L/分钟和流体B：200ml/分钟，出口得到的水乳剂产品，经分析水乳剂的粒径为1.5um，达到传统高效剪切机的同等效果。
在实际应用中，二氯菊酸酰氯作为A物料与四氟苄醇甲苯溶液作为B物料进行酯化反应，经过其中一实施例提供的装置4个，第一通道130总行程1000mm，流量分别为A物料：100L/分钟和B物料：400ml/分钟，用恒温水控制温度在40-80℃，停留时间10秒，出口得到99％四氟苯菊酯甲苯液产品。比采用三口瓶滴加合成法，生产时间缩短1小时，节约98％的生产时间；
在实际应用中，计量好的原料溶液，内有高效氯氰菊酯溶液A、乳化剂B和去离子水C，用100转/分钟以下的搅略微搅拌，用计量泵经过其中一实施例提供的装置4个，第一通道130总行程1000mm，用恒温水控制温度在10℃以下，停留时间10秒，得到高效氯氰菊酯水乳剂。经对比，剪切效果达到采用1500转/min的剪切机剪切60分钟的效果，提高生产效率的同时，降低了能耗。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种承压流体混合装置,包括内套管(100)与外套管(200)，其特征在于：
所述内套管(100)内设有第一通道(130)，所述第一通道(130)包括若干单元通道，相邻所述单元通道之间相连通，所述单元通道上固定有挡流件(140)，所述内套管(100)上设有若干第一入口(110)与若干第一出口(120)，所述外套管(200)内设有第二通道(230)，所述外套管(200)上设有若干第二入口(210)与若干第二出口(220)，所述内套管(100)固定于所述第二通道(230)上。
2.根据权利要求1所述的一种承压流体混合装置，其特征在于：
所述内套管(100)呈长条直线状，所述内套管(100)的两端延伸出所述外套管(200)外，所述内套管(100)与所述外套管(200)的连接处密封固定。
3.根据权利要求2所述的一种承压流体混合装置，其特征在于：
所述单元通道沿所述内套管(100)长度方向横向叠加连接，所述挡流件呈柱状。
4.根据权利要求3所述的一种承压流体混合装置，其特征在于：
所述单元通道侧壁与所述挡流件(140)侧壁形成混合流道(150)，所述混合流道(150)的横截面形状包含椭圆形、圆形、多边形、三角形或者波浪形中的一种或两种以上。
5.根据权利要求3所述的一种承压流体混合装置，其特征在于：
所述挡流件(140)侧壁上固定有若干第一挡流齿(160)，所述第一通道(130)内壁上固定有若干第二挡流齿(170)，所述第一挡流齿(160)与所述第二挡流齿(170)错开分布，所述第一挡流齿(160)与所述第一通道(130)内壁之间形成第一间隙，所述第二挡流齿(170)与所述挡流件(140)侧壁之间形成第二间隙。
6.根据权利要求3所述的一种承压流体混合装置，其特征在于：
所述挡流件(140)的一端设有贯穿所述挡流件(140)与所述内套管(100)的第三通道(240)，所述第三通道(240)与所述第二通道(230)连通。
7.根据权利要求1所述的一种承压流体混合装置，其特征在于：
所述外套管(200)与所述内套管(100)由金属、塑料或陶瓷材料构成。
8.根据权利要求1所述的一种承压流体混合装置，其特征在于：
所述内套管(100)与所述外套管(200)的壁厚均为0.1mm-5mm；
所述第二通道(230)的容积是所述第一通道(130)容积的1-100倍。
9.根据权利要求1所述的一种承压流体混合装置，其特征在于：
所述第一通道(130)的高度为0.5mm-300mm；
所述单元通道的长度为3mm-40mm。
10.根据权利要求4所述的一种承压流体混合装置，其特征在于：
所述混合流道(150)的宽度为2mm-40mm；
所述单元通道之间形成过度间隙，所述过度间隙的长度为0.05mm-10mm，所述过度间隙的宽度为1mm-40mm。
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