CN111185132A - 一种高效强化多尺度混合传质装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及化学反应工程与技术领域,尤其涉及一种高效强化多尺度混合传质装置及方法,包括超重力快速反应器,第一料液储槽和第二料液储槽,所述第一料液储槽通过第一离心泵和第一流量计与超重力快速反应器的入口一相连通;所述第二料液储槽通过第二离心泵和第二流量计与超重力快速反应器的入口二相连通;所述超重力快速反应器的出口设有计量槽;所述超重力快速反应器包括定子和转子。本发明的装置具有高效强化传质与多尺度混合过程的功效,使快速反应按照本征动力学的方向进行,装置配合紧凑,调控简便,生产高效,拆装方便,易清洗、易模拟、易放大,易实现大规模低成本高效生产各种微观结构的材料。
Description
技术领域
本发明涉及化学反应工程与技术领域,尤其涉及一种高效强化多尺度混合传质过程的装置及方法。
背景技术
超重力技术是强化流体传递过程的新技术,由于它的广泛适用性以及具有传统设备所不具有的体积小、重量轻、能耗低、易运转、易维修、安全、可靠、灵活以及更能适应环境等优点,使得超重力技术在环保、材料、生物、化工等工业领域中有广阔的工业化应用前景。超重力工程技术的基本原理是利用超重力场条件下流体的独特流动行为,强化相与相之间,以及流体内部的相对速度和相互接触,从而实现高效的动量、质量和热量传递过程。通常形成超重力场的惯用方式是通过马达转动设备的整体或部件形成离心力场。
中国专利公开了“一种基于八卦图原理的超重力-连续微撞击流反应器”,其公告号为CN104437334A,该发明介绍了一种将A、B两种料液实现快速多尺度混合的方法与装置,反应器属于静态反应器。此发明采用了两种方法实现了A、B两种料液之间快速的多尺度混合过程:第一,A料液在流道内通过高速的二次旋转产生旺盛的二次流强化介观与微观混合过程,已经测得其二次旋转的平均传质系数达到16.7s-1;第二,B料液先进行两级宏观分配,再汇入A料液,实现两者之间的宏观混合。第一级是从设备尺度上先均分成4股料液,每股料液再均分成6股支料液,合计被均分成24股支料液,这24股支料液与24条半圆形流道之间存在着一一对应的关系,第二级是在每条半圆形流道区间内将每股支料液以180度的扇形分布方式从不足10微米的狭缝中射入二次旋转流道内,经过上述两级分配实现了B料液的宏观大尺度均匀分布。
该发明存在两个明显不足之处:第一,反应器属于静态反应器,为了实现A、B料液之间快速的多尺度混合,需要很高的静压驱动,反应器自身无法提供动力,需要外配强动力源,强动力源的选择不仅难度大,而且整套装置结构复杂,操控困难,实用性差;第二,该发明为了实现B料液均分成24股料液,需配置多个流量计,还需采用指示剂示踪法和手动调节相结合,整个调控过程不仅费时费力,而且重现性差。
发明内容
本发明为了克服上述现有技术中存在的问题,提供了一种高效强化多尺度混合传质的装置与方法,该装置配合紧凑,调控简便,生产高效,拆装方便,易清洗、易模拟、易放大,易实现大规模低成本高效生产各种微观结构的材料。该方法具有高效强化传质与多尺度混合过程的功效,能够实现两股料液之间的快速反应按照本征动力学方向快速进行,在化工、纳米材料、工业催化、高分子材料等诸多领域具有广阔的应用前景。
本发明的装置与方法是基于超重力耦合技术实现高效强化多尺度混合传质过程。所述超重力耦合技术是指将一次与二次旋转耦合在一起,充分利用一次旋转所产生的正能量流驱动第一料液进行快速的二次旋转,实现快速的多尺度混合过程。同时,充分利用一次旋转在强化宏观大尺度分布方面的优势,强化第二料液的大尺度宏观均匀分布。最终,两股料液在二次旋转流内实现了连续的、快速的、可调控的多尺度混合传质过程,该混合传质速率快于本征反应速率,使两股料液之间的快速反应过程按照本征动力学方向快速进行。
为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种高效强化多尺度混合传质装置,包括超重力快速反应器,第一料液储槽和第二料液储槽,所述第一料液储槽通过第一离心泵和第一流量计与超重力快速反应器的入口一相连通;所述第二料液储槽通过第二离心泵和第二流量计与超重力快速反应器的入口二相连通;所述超重力快速反应器的出口设有计量槽;所述超重力快速反应器包括定子和转子;所述转子由三块扣板紧密叠扣构成,由上至下依次为第一扣板,第二扣板和第三扣板,所述第一扣板和第二扣板的接触面设有与第二料液储槽相连通的第一流道;所述第二扣板和第三扣板的接触面设有与第一料液槽相连通的第二流道;所述第一流道包括圆环形通道和沿圆环形通道外围均匀分布的支流道;所述第二流道包括圆形通道和至少两条沿圆形通道外围对称分布的二次旋转流道,所述二次旋转流道内侧设有扇形流道,所述扇形流道与二次旋转流道之间设有若干狭缝;所述支流道的末端与扇形流道通过垂直流道相连通。
本发明装置的核心是超重力快速反应器,超重力快速反应器由定子和转子两部分构成,转子由马达驱动,马达的最高转速为10000rpm,外壳是定子部分,用于接收混合好的料液。转子部分由上至下三层扣板紧密叠扣在一起构成。在三层扣板之间有两个接触面,在这两个接触面内雕刻有上、下两层流道。上层是宏观分布流层,用于强化第二料液的大尺度宏观分布。下层是微观混合流层,用于强化两股料液之间的微观混合过程。三块扣板由上至下编号为第一,第二和第三扣板,所述第一扣板和第二扣板的接触面设有与第二料液储槽相连通的宏观分布流层;所述第二扣板和第三扣板的接触面设有与第一料液槽相连通的微观混合流层;所述宏观分布流层包括圆环形通道和沿圆环形通道外围均匀分布的支流道;所述微观混合流层包括圆形通道和至少两条沿圆形通道外围对称分布的二次旋转流道,所述二次旋转流道内侧设有扇形流道,每条扇形流道都对应一条支流道,即每条支流道的末端与所对应的扇形流道通过一条垂直流道相连通,所述每条扇形流道与二次旋转流道之间通过一条狭缝相连通。
作为优选,所述垂直流道的直径不小于1mm;所述支流道的数目为8~24条,优选为8~12条。
作为优选,所述支流道的流通截面为相等的圆形截面;所述二次旋转流道的流通截面为相等的圆形截面;所述垂直流道的流通截面是相等的圆形截面;所述扇形流道的流通截面为正方形。
作为优选,所述二次旋转流道的流通截面的直径为2~5mm,优选为2~3mm;所述支流道的流通截面的直径为2~5mm,优选为2~3mm;所述垂直流道的流通截面的直径小于或等于所述支流道和扇形流道的流通截面的直径或宽度;所述扇形流道的流通截面的宽度为1~3mm,优选为1~2mm。
作为优选,所述二次旋转流道与扇形流道间距为0.5~2mm,狭缝宽度均小于0.02mm,所述定子部分设有换热夹套,料液以微射流的方式进入二次旋转流道。
一种利用上述任一所述的装置进行高效强化多尺度混合传质的方法,包括以下步骤:
(1)开启超重力快速反应器,使其转速达到设定值,开启两台离心泵,调节第一料液和第二料液流量至设定值,第一料液先进入第二流道的圆形通道,在超重力场作用下,分流进入两条二次旋转流道内,第一料液通过二次旋转极大地强化了料液内部的多尺度混合过程;在第一料液储槽内投入第一料液,在第二料液槽内投入第二料液,开启超重力快速反应器至设定转速,开启第一和第二离心泵,调节第一和第二流量计流量至设定流量,第一料液进入微观混合流层的圆形通道,在超重力场作用下,分流后进入二次旋转流道,进行二次旋转,得高分散态第一料液;
(2)第二料液进入宏观分布流层的圆环形通道,在超重力场作用下,料液经大尺度平均分配后进入各支流道中,每股料液在每条支流道终端后再穿过垂直流道进入扇形流道,然后从扇形流道的狭缝以微射流的方式射入二次旋转流道内并与高分散态第一料液瞬间混合均匀(图4),即完成高效强化多尺度混合传质。
作为优选,步骤(1)中,所述第一料液包含介稳态物质,先将第一股料液进行一个周期的二次旋转流动后,再与第二料液混合。
作为优选,所述超重力快速反应器的最高转速为10000rpm;优选为3000~5000rpm。
作为优选,所述第一料液流经超重力快速反应器时所形成的超重力势能差为0.9~2.5Mpa。
作为优选,所述超重力快速反应器的混合传质速率大于等于快反应过程的本征反应速率。
因此,本发明具有如下有益效果:
本发明所提供的超重力快速反应装置与方法,具有高效强化传质与多尺度混合过程的功效,能够实现两股料液之间的反应按照本征动力学方向快速进行,装置配合紧凑,调控简便,生产高效,拆装方便,易清洗、易模拟、易放大,易实现大规模低成本高效生产各种微观结构的材料,在化工、纳米材料、工业催化、高分子材料等诸多领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是高效强化多尺度混合传质装置的一种结构示意图。
图2是第一流道的一种结构示意图。
图3是第二流道的一种结构示意图。
图4是两股料液的微观混合区结构示意图。
图中:超重力快速反应器1,第一料液储槽2,第二料液储槽3,第一离心泵4,第一流量计5,第二离心泵6,第二流量计7,计量槽8,定子9,转子10,第一扣板11,第二扣板12,第三扣板13,宏观分布流层14,微观混合流层15,圆环形通道(入口二)16,支流道17,圆形通道(入口一)18,二次旋转流道19,扇形流道20,垂直流道21,换热夹套22,马达23,第一料液24,第二料液25,狭缝26。
具体实施方式
下面通过具体实施例,并结合附图,对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
在本发明中,若非特指,所有设备和原料均可从市场购得或是本行业常用的,下述实施例中的方法,如无特别说明,均为本领域常规方法。
实施例1
如图1所示,一种高效强化多尺度混合传质装置,包括超重力快速反应器1,第一料液储槽2和第二料液储槽3,第一料液储槽通过第一离心泵4和第一流量计5与超重力快速反应器的入口一18相连通;第二料液储槽通过第二离心泵6和第二流量计7与超重力快速反应器的入口二16相连通;超重力快速反应器的出口设有计量槽8;超重力快速反应器包括定子9和直径为280mm的转子10;转子由三块扣板紧密叠扣构成,由上至下依次为第一扣板11,第二扣板12和第三扣板13,第一扣板和第二扣板的接触面设有与第二料液储槽相连通的宏观分布流层14;第二扣板和第三扣板的接触面设有与第一料液槽相连通的微观混合流层15;定子外层设有换热夹套22。
如图2所示,宏观分布流层包括内径为60mm,外径为100mm的圆环形通道16和沿圆环形通道外围均匀分布的16条支流道17;如图3所示,微观混合流层包括内径为50mm的圆形通道18和若干条沿圆形通道外围两条对称分布的二次旋转流道19,二次旋转流道内侧设有16条扇形流道20,所有扇形流道与二次旋转流道间距均为0.5mm,二次旋转流道、支流道和垂直流道的流通截面为直径2mm的圆形截面,扇形流道的流通截面为2mm×2mm的正方形截面;扇形流道与二次旋转流道之间设有若干狭缝26(图4);支流道的末端与扇形流道通过垂直流道21相连通。
采用该高效强化多尺度混合传质装置制备石墨烯负载四氧化三铁纳米复合材料,该纳米复合材料在锂离子电池、燃料电池和电催化领域具有广泛的应用前景。
首先,配制4L碱性石墨烯异丙醇溶液,溶液中含石墨烯为50mg/L,倒入储罐1中;配制4L浓度为0.011mol/L硝酸亚铁和0.02mol/L硝酸铁混合溶液,倒入储罐2中。开启调频仪,将超重力快速反应器转速调至3000rpm,使石墨烯溶液流经超重力快速反应器时所产生的超重力势能差达到0.9MPa。开启两台离心泵,将石墨烯溶液和硝酸铁混合溶液的流量都调至500ml/min,石墨烯溶液先进入微观混合层中的圆形通道内,然后以相等的流量进入2条对称的二次旋转流道内。硝酸铁混合溶液先进入宏观分布层中的圆环形通道内,然后以相等的流量分布到16条支流道中,当料液到达支流道末端后,向下穿过垂直流道,进入扇形流道内,最后从扇形流道与二次旋转流道之间的狭缝中进入二次旋转流道。石墨溶液与硝酸铁混合溶液在二次旋转流道内发生快速的多尺度混合,同时反应析出Fe3O4沉积在石墨烯表面上,产物从高速旋转的超重力快速反应器内流出后,收集于计量槽8中。经测定,沉积在石墨烯表面的Fe3O4微团平均分布尺度约为5nm。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并非对本发明作任何形式上的限制,在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。
Claims (10)
1.一种高效强化多尺度混合传质装置,其特征在于,包括超重力快速反应器(1),第一料液储槽(2)和第二料液储槽(3),所述第一料液储槽通过第一离心泵(4)和第一流量计(5)与超重力快速反应器的入口一相连通;所述第二料液储槽通过第二离心泵(6)和第二流量计(7)与超重力快速反应器的入口二相连通;所述超重力快速反应器的出口设有计量槽(8);所述超重力快速反应器包括定子(9)和转子(10);所述转子由三块扣板紧密叠扣构成,由上至下依次为第一扣板(11),第二扣板(12)和第三扣板(13),所述第一扣板和第二扣板的接触面设有与第二料液储槽相连通的第一流道(14);所述第二扣板和第三扣板的接触面设有与第一料液槽相连通的第二流道(15);所述第一流道包括圆环形通道(16)和沿圆环形通道外围均匀分布的支流道(17);所述第二流道包括圆形通道(18)和至少两条沿圆形通道外围对称分布的二次旋转流道(19),所述二次旋转流道内侧设有扇形流道(20),所述扇形流道与二次旋转流道之间设有若干狭缝(26);所述支流道的末端与扇形流道通过垂直流道(21)相连通。
2.根据权利要求1所述的一种高效强化多尺度混合传质装置,其特征在于,所述垂直流道的直径不小于1mm;所述支流道的数目为8~24条。
3.根据权利要求1所述的一种高效强化多尺度混合传质装置,其特征在于,所述支流道的流通截面为相等的圆形截面;所述二次旋转流道的流通截面为相等的圆形截面;所述垂直流道的流通截面是相等的圆形截面;所述扇形流道的流通截面为正方形。
4.根据权利要求1所述的一种高效强化多尺度混合传质装置,其特征在于,所述二次旋转流道的流通截面的直径为2~5mm;所述支流道的流通截面的直径为2~5mm;所述垂直流道的流通截面的直径小于或等于所述支流道的流通截面的直径或宽度;所述扇形流道的流通截面的宽度为1~3mm。
5.根据权利要求1所述的一种高效强化多尺度混合传质装置,其特征在于,所述二次旋转流道与扇形流道的间距为0.5~2mm;所述狭缝的宽度均小于0.02mm;所述定子设有换热夹套(22)。
6.一种利用权利要求1-5任一所述的装置进行高效强化多尺度混合传质的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)开启超重力快速反应器,使其转速达到设定值,开启两台离心泵,调节第一料液和第二料液流量至设定值,第一料液先进入第二流道的圆形通道,在超重力场作用下,分流进入两条二次旋转流道内;
(2)第二料液先进入第一流道的圆环形通道,在超重力场作用下,料液经大尺度平均分配后进入各支流道中,每股料液在每条支流道末端穿过垂直流道进入扇形流道,然后从扇形流道的狭缝之间以微射流的方式射入二次旋转流道内并与第一料液瞬间混合均匀,即完成高效强化多尺度混合传质过程。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,步骤(1)中,所述第一料液包含介稳态物质,先将第一股料液进行一个周期的二次旋转流动后,再与第二料液混合。
8.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述超重力快速反应器的最高转速为10000rpm。
9.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述第一料液流经超重力快速反应器时所形成的超重力势能差为0.9~2.5Mpa。
10.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述超重力快速反应器的混合传质速率大于等于快反应过程的本征反应速率。
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Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200522 |
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