CN110681343A - 一种连续反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种连续反应器，涉及化学反应装置领域。连续反应器包括反应器壳体，反应器壳体上设有流体进口和流体出口，反应器壳体的内部具有供流体自流体进口至流体出口方向流动的容纳空间，反应器壳体的内壁上设有新月形扰流体，新月形扰流体的凹口朝向流体出口，新月形扰流体包括朝向流体的流动方向的迎向面以及背向流体的流动方向的背向面。新月形扰流体借鉴于沙丘驻涡理论制作而成，在新月形扰流体的背向面一侧形成了局部涡流，通过局部涡流提高了流体中各种成分在容纳空间中的混合效果；更重要的是，在新月形扰流体的背向面一侧形成了的局部涡流对于流体的整体流动不造成阻碍，使流体在容纳空间中兼顾了流动速度和混合效果。
Description
技术领域
本发明涉及化学反应装置技术领域，特别是涉及一种连续反应器。
背景技术
在化工产业中，通常会使用流体化学试剂进行混合反应以制备产品，反应器则是用于容纳此类反应的容器。
如申请公布号为CN102068955A、申请公布日2011.05.25的中国发明专利申请公开了一种带有异型扰流板的絮凝反应器，该絮凝反应器包括反应器壳体、置于反应器中部的搅拌器、设置在反应器内壁上的异型挡板及设置在上封头上的扰流栅条。壳体侧壁上部设进料口，底部设出料口，异型挡板的形式(轴向截面形状)有正弦形、浪花形、半圆弧形、圆形或不规则形凸起，挡板安装形式为竖直安装、倾斜安装或水平安装，若干挡板均匀或不规则的离散或连续固定于絮凝器内壁上。通过不同形式的扰流板与搅拌器配合，以使絮凝剂与液体充分混合，改善流体剪切速率，减少流场死区，增加微漩涡达到强化絮凝流场，提高絮凝效果的目的。
现有技术中的絮凝反应器主要借助搅拌器对流体进行搅拌旋转，在反应器中旋转的流体在异型挡板影响下充分混合。但是，在连续化学反应中，流体源源不断地进入和排出反应器以实现连续反应，由于搅拌器的搅动方向与流体的整体流向不一致，且搅动作用对流体的整个流场形成干扰，难以使反应器中的流体兼顾流动速度和混合效果。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种连续反应器，以解决现有技术中的反应器难以使流体兼顾流动速度和混合效果的问题。
本发明的连续反应器的技术方案为：
连续反应器包括反应器壳体，所述反应器壳体上设有流体进口和流体出口，所述反应器壳体的内部具有供流体自流体进口至流体出口方向流动的容纳空间，所述反应器壳体的内壁上设有新月形扰流体，所述新月形扰流体的凹口朝向所述流体出口，所述新月形扰流体包括朝向所述流体的流动方向的迎向面以及背向所述流体的流动方向的背向面。
有益效果：新月形扰流体借鉴于沙丘驻涡理论制作而成，当流体经过新月形扰流体时，沿新月形扰流体的迎向面斜向上爬升，并且迎向面附近的流体受到迎向面的挤压作用，靠近迎向面附近的流体流动速度增加，流体以更高的流速进过迎向面与背向面的交界；根据文丘里效应可知，在新月形扰流体的背向面靠近交界处形成了局部负压区，而处于新月形扰流体的背向面的流体相对于局部负压区形成了压强差；处于新月形扰流体的背向面的流体在压强差的作用下，流体沿背向面爬升至新月形扰流体的背向面的局部负压区，然后朝靠近流动方向一侧转向并随流体的整体流动方向流动；由于部分流体沿背向面爬升，则其他位置的流体源源不断地补入新月形扰流体的凹口位置，从而在新月形扰流体的背向面一侧形成了朝顺时针方向流动的局部涡流；在新月形扰流体的背向面一侧形成的局部涡流不仅存在垂直方位的空间中，而且在靠近新月形扰流体的尖端位置也会因局部负压区的存在，使得处于凹口位置的流体沿平行方位产生由内而外流向的局部涡流，即局部涡流为存在于新月形扰流体的背向面一侧的空间涡流，通过局部涡流提高了流体中各种成分在容纳空间中的混合效果；更重要的是，在新月形扰流体的背向面一侧形成了的局部涡流对于流体的整体流动不造成阻碍，使流体在容纳空间中兼顾了流动速度和混合效果。
进一步的，所述迎向面和背向面分别倾斜于所述流体的流动方向布置，且所述迎向面的倾斜角小于所述背向面的倾斜角。
进一步的，所述迎向面与所述流体的流动方向的倾斜角为5°至45°。
进一步的，所述背向面与所述流体的流动方向的倾斜角为20°至60°。
进一步的，所述容纳空间的形状自流体进口至流体出口方向呈放大状。
进一步的，所述容纳空间包括通径段和主腔体，所述通径段和主腔体沿所述流体的流动方向依次设置，所述主腔体的截面尺寸大于所述通径段的截面尺寸。
进一步的，所述反应器壳体包括平行布置的间壁，以及连接间壁之间的弧形侧壁，所述间壁以及弧形侧壁所围的空间构成所述容纳空间，所述新月形扰流体布置在所述间壁上。
进一步的，所述弧形侧壁上设有凸起结构，所述凸起结构的末端朝所述流体的流动方向弯曲设置。
进一步的，所述凸起结构的形状为棒状，所述凸起结构沿远离弧形侧壁的方向呈收窄状。
进一步的，所述新月形扰流体设有多个，所述多个新月形扰流体分散布置在所述反应器壳体的内壁上。
附图说明
图1为本发明的连续反应器的具体实施例1中连续反应器的立体示意图；
图2为图1中连续反应器的竖直剖视示意图；
图3为流体经过新月形扰流体时的流场立体示意图；
图4为图3中流体经过新月形扰流体时的横剖示意图。
图中：1－反应器壳体、10－容纳空间、11－间壁、12－弧形侧壁、13－通径段、14－主腔体、2－流体进口、3－流体出口、4－新月形扰流体、41－迎向面、42－背向面、5－凸起结构。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明的连续反应器的具体实施例1，如图1、图2所示，连续反应器包括反应器壳体1，反应器壳体1上设有流体进口2和流体出口3，反应器壳体1的内部具有供流体自流体进口2至流体出口3方向流动的容纳空间10，反应器壳体1的流体进口2与进液管路连通，反应器壳体1的流体出口3与出液管路连通，通过进液管路向反应器壳体1的容纳空间10中源源不断地通入流体，流体在容纳空间10中流动混合并完成反应过程，容纳空间10中源源不断地产生反应产物，最后从流体出口3排出反应器壳体1，整个反应过程连续不间断进行。
反应器壳体1包括平行布置的两个间壁11，以及连接两个间壁11之间的弧形侧壁12，两个间壁11以及弧形侧壁12所围的空间构成容纳空间10。在本实施例中，如图1所述的空间方位为准，两个间壁11分别布置在前、后侧位置，弧形侧壁12连接在前、后两个间壁11的边缘位置，流体进口2开设于反应器壳体1的顶部位置，流体出口3开设于反应器壳体1的底部位置，流体自流体进口2至流体出口3朝下方向流动。容纳空间10的形状自流体进口2至流体出口3方向呈放大状，容纳空间10包括通径段13和主腔体14，通径段13和主腔体14沿流体的流动方向依次设置，即通径段13布置在靠近流体进口2的上部位置，主腔体14布置在靠近流体出口3的下部位置，且主腔体14的横截面积大于通径段13的横截面积，当流体自通径段13进入主腔体14时，由于横截面积变大，流体所受的压强变小，流体在主腔体14中的流速降低，保证了流体在反应器壳体1的容纳空间10中停留的反应时间充足，避免流体中各种成分未经充分混合反应而直接排入后续的出液管路。
在反应器壳体1的内壁上设有新月形扰流体4，新月形扰流体4的凹口朝向流体出口3。在本实施例中，新月形扰流体4布置在反应器壳体1的两个间壁11上，新月形扰流体4包括朝向流体的流动方向的迎向面41以及背向流体的流动方向的背向面42，迎向面41和背向面42分别倾斜于流体的流动方向布置，且迎向面41的倾斜角小于背向面42的倾斜角，新月形扰流体4借鉴于沙丘驻涡理论制作而成，如图3、图4所示，当流体经过新月形扰流体4时，沿新月形扰流体4的迎向面41斜向上爬升，并且迎向面41附近的流体受到迎向面41的挤压作用，靠近迎向面41附近的流体流动速度增加，流体以更高的流速进过迎向面41与背向面42的交界处。
根据文丘里效应可知，在新月形扰流体4的背向面42靠近交界处形成了局部负压区，而处于新月形扰流体4的背向面42的流体相对于局部负压区形成了压强差。处于新月形扰流体4的背向面42的流体在压强差的作用下，流体沿背向面42爬升至新月形扰流体4的背向面42的局部负压区，然后朝靠近流动方向一侧转向并随流体的整体流动方向流动。由于部分流体沿背向面42爬升，则其他位置的流体源源不断地补入新月形扰流体4的凹口位置，从而在新月形扰流体4的背向面42一侧形成了朝顺时针方向流动的局部涡流。
需要说明的是，在新月形扰流体4的背向面42一侧形成的局部涡流不仅存在于如图4所示的垂直间壁11方位的空间中，而且在靠近新月形扰流体4的尖端位置也会因局部负压区的存在，使得处于凹口位置的流体沿平行于间壁11的方位产生由内而外流向的局部涡流，即局部涡流为存在于新月形扰流体4的背向面42一侧的空间涡流，通过局部涡流提高了流体中各种成分在容纳空间10中的混合效果。更重要的是，在新月形扰流体4的背向面42一侧形成了的局部涡流对于流体的整体流动不造成阻碍，使流体在容纳空间10中兼顾了流动速度和混合效果。
新月形扰流体4设有多个，多个新月形扰流体4分散布置在反应器壳体1的两个间壁11上，保证涡流区能够分散在整个容纳空间10中，提高了流体中各种成分的混合均匀性。此外，涡流相比于紊流对流体的整体流动干扰更小，而且涡流对流体中各种成分的混合效果也更好，为了保证新月形扰流体4的造涡效果，避免在整体流场中出现紊流的情况，迎向面41与流体的流动方向的倾斜角为20°，背向面42与流体的流动方向的倾斜角为45°，通过迎向面41与背向面42的空间位置配合，使得流体的整体平流与新月形扰流体4的背向面42一侧的局部涡流搭配效果更好。
为了避免部分流体进入容纳空间10后贴合于弧形侧壁12流动，在弧形侧壁12上设有凸起结构5，在本实施例中，凸起结构5的形状为棒状，凸起结构5的末端朝流体的流动方向弯曲设置，且凸起结构5沿远离弧形侧壁12的方向呈收窄状。通过设置凸起结构5对贴合弧形侧壁12流动的部分流体产生干扰，且由于凸起结构5的末端朝流体的流动方向弯曲设置从而能产生导流作用，使得贴合弧形侧壁12流动的部分流体沿凸起结构5的弯曲方向流动，并保证流体的聚中流动进而使新月形扰流体4能够更好地发挥造涡和混合作用。
为了提高反应器的内部结构的精密度，在本实施例中采用3D打印技术制造连续反应器，大致制造过程为：步骤一、根据流体的种类(气体或者液体)、流体的设定混合时间、以及流体的设定流速确定所需反应器的尺寸大小；步骤二、使用三维建模软件按照本实施例中的结构制作出内部具有新月形扰流体4和凸起结构5的反应器的三维模型；步骤三、将反应器的三维模型导入仿真模拟软件中，在三维模型中模拟流通有对应种类的流体，根据流场情况调整反应器的大小尺寸、局部细节形状、新月形扰流体4的大小、数量和分布位置、凸起结构5的大小、数量和分布位置等，使流体在反应器的容纳空间10中达到最佳混合和稳定流通的状态，得到制造模型；步骤四、将制造模型导入3D打印的机械制造软件中，对制造模型分层处理、编程，最后输出程序代码；步骤五、将程序代码输入3D打印设备中进行反应器的实物制造；步骤六、对制造成型的反应器进行表面处理，采用电泳技术提高反应器的表面防腐性能。
本发明的连续反应器的其他具体实施例，为了能够适应不同的使用需求，反应器壳体的形状不仅限于具体实施例1中的形状，还可为锥台形，锥台形的反应器壳体的流体进口在上流体出口在下，且锥台形的反应器壳体自流体进口至流体出口方向的截面积逐渐放大，在锥台形反应器壳体的内壁上分散设有多个新月形扰流体，通过新月形扰流体同样能够起到造涡和混合作用。
本发明的连续反应器的其他具体实施例，为了能够适应不同的使用需求，迎向面与流体的流动方向的倾斜角不仅限于具体实施例1中的20°，还可为5°至20°之间的任意角度，或者20°至45°之间的任意角度；相对应的，背向面与流体的流动方向的倾斜角也不仅限于具体实施例1中的45°，还可为20°至45°之间的任意角度，或者45°至60°之间的任意角度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种连续反应器，包括反应器壳体，所述反应器壳体上设有流体进口和流体出口，其特征是，所述反应器壳体的内部具有供流体自流体进口至流体出口方向流动的容纳空间，所述反应器壳体的内壁上设有新月形扰流体，所述新月形扰流体的凹口朝向所述流体出口，所述新月形扰流体包括朝向所述流体的流动方向的迎向面以及背向所述流体的流动方向的背向面。
2.根据权利要求1所述的连续反应器，其特征是，所述迎向面和背向面分别倾斜于所述流体的流动方向布置，且所述迎向面的倾斜角小于所述背向面的倾斜角。
3.根据权利要求2所述的连续反应器，其特征是，所述迎向面与所述流体的流动方向的倾斜角为5°至45°。
4.根据权利要求2所述的连续反应器，其特征是，所述背向面与所述流体的流动方向的倾斜角为20°至60°。
5.根据权利要求1至4任一项所述的连续反应器，其特征是，所述容纳空间的形状自流体进口至流体出口方向呈放大状。
6.根据权利要求5所述的连续反应器，其特征是，所述容纳空间包括通径段和主腔体，所述通径段和主腔体沿所述流体的流动方向依次设置，所述主腔体的截面尺寸大于所述通径段的截面尺寸。
7.根据权利要求2所述的连续反应器，其特征是，所述反应器壳体包括平行布置的间壁，以及连接间壁之间的弧形侧壁，所述间壁以及弧形侧壁所围的空间构成所述容纳空间，所述新月形扰流体布置在所述间壁上。
8.根据权利要求7所述的连续反应器，其特征是，所述弧形侧壁上设有凸起结构，所述凸起结构的末端朝所述流体的流动方向弯曲设置。
9.根据权利要求8所述的连续反应器，其特征是，所述凸起结构的形状为棒状，所述凸起结构沿远离弧形侧壁的方向呈收窄状。
10.根据权利要求2所述的连续反应器，其特征是，所述新月形扰流体设有多个，所述多个新月形扰流体分散布置在所述反应器壳体的内壁上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 510000 363 Changxin Road, Tianhe District, Guangzhou, Guangdong. Applicant after: Institute of new materials, Guangdong Academy of Sciences Address before: 510000 363 Changxin Road, Tianhe District, Guangzhou, Guangdong. Applicant before: GUANGDONG INSTITUTE OF NEW MATERIALS |
|
| CB02 | Change of applicant information | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20210607 Address after: 510000 363 Changxin Road, Tianhe District, Guangzhou, Guangdong. Applicant after: Institute of new materials, Guangdong Academy of Sciences Applicant after: ZHONGSHAN JINGCHENG MACHINERY Co.,Ltd. Address before: 510000 363 Changxin Road, Tianhe District, Guangzhou, Guangdong. Applicant before: Institute of new materials, Guangdong Academy of Sciences |
|
| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20230506 Address after: No. 363, Changxing Road, Tianhe District, Guangzhou City, Guangdong Province Applicant after: Institute of new materials, Guangdong Academy of Sciences Address before: 510000 363 Changxin Road, Tianhe District, Guangzhou, Guangdong. Applicant before: Institute of new materials, Guangdong Academy of Sciences Applicant before: ZHONGSHAN JINGCHENG MACHINERY Co.,Ltd. |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |