CN111359540A - 用于微反应器的无脉动浆料进料装置及使用方法 - Google Patents

用于微反应器的无脉动浆料进料装置及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于微反应器的无脉动浆料进料装置及使用方法，包括：密闭的储液罐和压力缓冲罐；所述储液罐设有气体输入管、气体输出管和浆料输出管；所述气体输入管上设有流量计；所述气体输出管连接压力缓冲罐；所述浆料输出管的一端伸入储液罐底部，另一端与微反应器连接。其通过气压推动的方式运输浆料，能够实现对浆料进行搅拌的同时施加一个恒定的气体压力，使得浆料的出料流量稳定无脉动且浓度均匀。其结构简单，具有安全可靠，流量恒定无脉动的优点。

Description

用于微反应器的无脉动浆料进料装置及使用方法
技术领域
本发明属于微反应器领域，具体涉及一种用于微反应器的无脉动浆料进料装置及使用方法。
背景技术
微反应器是指利用精密加工技术制造的，特征尺寸在微米级别的微型反应器。微反应器相比于传统搅拌釜式反应器而言，具有优良的传质传热性能，能够强化反应过程同时可以精确地控制反应。在用微反应器进行化工生产的过程中，往往会涉及到浆料（悬浮有固体的浆液）的输送，与普通液体的输送不同的是，浆料输送中的固体颗粒会损坏平流泵的柱塞杆，只能用隔膜泵或者蠕动泵来输送浆料。但是，隔膜泵或者蠕动泵都会不可避免地带来流量的脉动，而微反应器的良好运行需要精确且稳定的操作条件，流量的脉动可能会破坏微反应器中流体运动的流型，影响反应的结果。为了达到流量的稳定，通常会使用注射泵来输送物料，但是注射泵一般不带有搅拌的功能，悬浮性不好固体颗粒会很快沉积在注射泵内。
因此，提供一种针对微反应器的流量平稳无脉动，流量精确，输送浓度均匀浆料的进料装置是目前亟待解决的问题。
Liedtke等人在“Gas–liquid–solid “slurry Taylor” flow: Experimentalevaluation through the catalytic hydrogenation of 3-methyl-1-pentyn-3-ol”（Chemical Engineering Journal, 227(2013),第174-181页）提出一种流量平稳无脉动的浆料的进料装置，该装置以水作为传递介质，用一个袋状的薄膜将水和浆料隔开，通过控制水的流量将袋状的薄膜撑开，从而将浆料从罐中平稳无脉动地排出，同时在罐的底部设有磁子，可以实现一边磁力搅拌一边进料。但是该装置比较复杂，在开始新一轮的进料之前，需要将上一次进料结束后薄膜内充满的水排干净才可以继续使用。而且薄膜会存在老化和腐蚀的问题，存在安全隐患。
Ufer等人在“Suspension catalysis in a liquid–liquid capillarymicroreactor” （Chemical Engineering Journal, 167(2011),第468-474页）提出另一种方法是通过将水泵入与带有浆料悬浮液的烧瓶相连的压力容器中，将压力容器中的空气置换到带有悬浮液的烧瓶中，从而将浆料排出。但是该方法是通过控制泵入的水的体积流量来控制输出的浆料的流量，忽略了装置内气体的压缩性，不容易保证气体压力的恒定，从而不能保证输出的浆料流量恒定。而且也存在着需要将装置内的水排干净才可以开始下一次输送浆料的问题，操作不方便。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种用于微反应器的无脉动浆料进料装置及使用方法，通过气压推动的方式运输浆料，能够实现对浆料进行搅拌的同时施加一个恒定的气体压力，使得浆料的出料流量稳定无脉动且浓度均匀。
该装置主要包括一个装盛浆料的储液罐和一个压力缓冲罐。储液罐连接有一个气体输入管，一个浆料输出管和一个气体输出管。气体输入管和质量流量计相连，浆料输出管一端伸入储液罐的底部，另一端和微反应器系统相连，气体输出管和压力缓冲罐的入口相连。压力缓冲罐带有压力传感器，出口可以连接一个高精度背压阀。本发明通过搅拌的同时在浆料上方施加压力，利用压力的稳定来实现浆料的进料流量平稳无脉动，同时只需要气体作为传递介质，结构简单，具有安全可靠，浆料搅拌均匀，流量恒定无脉动的优点。
在本发明设计的方案当中，因为浆料完全是靠气体压力来提供动力的，在流速达到稳定的时候，浆料在微反应器内部因流动而产生的阻力完全由储液罐上部的气体压力克服，也就是浆料因为流动而产生的压力降等于储液罐上部的气体压力。根据流体在圆管内做层流流动时的直管阻力计算式，即哈根-泊肃叶公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
(1)
从此式(1)可以看出，对于某个确定的微反应器系统和某个确定的流体体系，层流时的压力降Δp和流速U的一次方成正比，而微反应器由于尺寸小，大都是在层流条件下进行操作的，所以在使用该装置对微反应器进料时，进料的流速和储液罐上部的气体压力的关系是近似满足哈根-泊肃叶公式的，是成正比的。进料的流量和储液罐上部的气体压力的关系可以进一步表达为：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
(2)
其中，R是流阻，和浆料体系的粘度与微反应器系统有关，但是在微通道尺度，流阻R可能不是一个常数，所以需要进行标定。
在具体的装置和操作方法方面，本发明具体采用以下技术方案：
一种用于微反应器的无脉动浆料进料装置，其特征在于，包括：密闭的储液罐和压力缓冲罐，其中储液罐用于搅拌和储存浆料；所述储液罐设有气体输入管、气体输出管和浆料输出管；所述气体输入管上设有流量计；所述气体输出管连接压力缓冲罐；所述浆料输出管的一端伸入储液罐底部，另一端与微反应器连接。
优选地，所述压力缓冲罐设有压力传感器和出口管路，所述出口管路的末端连接精密背压阀，精密背压阀用于出口气体流量控制。
优选地，所述气体输出管上设有泄压阀，用于调节储液罐内的压力。
优选地，所述气体输入管连接有流量控制器，用于控制输入的气体的流量。
优选地，所述储液罐内部设有搅拌装置，比如搅拌桨，可以对储液罐中的浆料进行搅拌，防止固体颗粒在储液罐底部发生沉积并让浆料的浓度均匀。
优选地，所述储液罐的罐体上端设有可拆卸的罐盖，使储液罐可拆卸，方便清洗。
优选地，所述罐盖通过法兰连接储液罐。
优选地，储液罐和压力缓冲罐的顶部可以都安装有安全阀，在压力超过阈值时可以自动泄压，以进一步保证装置的安全性。
以及根据以上优选装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：根据微反应器需要的浆料流量Q以及公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，计算出Δp；调节所述精密背压阀的压力至Δp对应的压力值，其中，Δp为储液罐上部的气体压力，R为流阻；
步骤S2：打开所述流量计，并使压缩气体进入到储液罐和压力缓冲罐中。由于压缩气体的流量与浆液流量呈正相关，因此气体的流量可以根据浆料的流量以及罐内的压力来计算，但是由于气体会部分溶解或者其他原因导致计算有偏差，因此气体的流量要比计算值略大，而剩余的气体可以通过精密背压阀排走，因此，在本发明方案当中，提供的压缩气体的流量应当略大于微反应器需要的浆料流量。
优选地，在步骤S2中，当压力缓冲罐中的压力达到设定值后，微调压力缓冲罐出口管线上的精密背压阀，调节离开压力缓冲罐的气体流量直到压力传感器读数恒定。此时储液罐中的浆料在恒定的气体压力的作用下，以预定的流速通过浆料输出管进入微反应器中。
优选地，还包括步骤S3：当需要停止进料时，停止压缩气体的输入，并打开设置在气体输出管上的泄压阀。
本发明及其优选方案通过气压推动的方式运输浆料，能够实现对浆料进行搅拌的同时施加一个恒定的气体压力，使得浆料的出料流量稳定无脉动且浓度均匀。其结构简单，具有安全可靠，流量恒定无脉动的优点。
附图说明
图1是本发明实施例装置示意图。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施实例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各部分的工作原理及作用等作进一步的详细说明。
如图1所示，本实施例提供的用于微反应器的无脉动浆料进料装置，包括一个用于搅拌和储存浆料的储液罐1和一个压力缓冲罐2，储液罐1通过气体输入管4和流量计3相连，通过气体输出管5和压力缓冲罐2相连，储液罐1安装有浆料输出管11，一端伸入储液罐1底部，另一端和微反应器相连接。
本实施例装置在使用时，先根据所需要的流量，由式(2)计算出储液罐1上部的气体压力值，调节压力缓冲罐2出口管线9上的精密背压阀10至该设定值。精密背压阀10的作用是，当气体压力大于设定值时，精密背压阀10会自动开启，让压力缓冲罐2内部的气体逸出从而降低气体压力；当气体压力小于设定值时，精密背压阀10会自动关闭，让压力缓冲罐2内部的气体聚集从而升高气体压力。再打开气体输入管4上的流量计3，让压缩气体进入到储液罐1和压力缓冲罐2中。压力缓冲罐2中的压力达到预定值后，调节流量计3和压力缓冲罐2出口管线9上的精密背压阀10，直到压力传感器8读数恒定。储液罐1中的浆料在恒定的气体压力的作用下，通过浆料输出管11进入微反应器中。停止进料时只需要把泄压阀6打开，释放储液罐1中的压力即可。在储液罐1内部的气体压力即压力传感器8读数为一定值的情况下，意味着从浆料输出管11进入微反应器的浆料流量为恒定值，即实现了浆料的平稳无脉动进料。当压力传感器8读数低于目标值的时候，调节流量计3来增大进口气体流量可以实现压力的回升；当压力传感器8读数高于目标值的时候，调节精密背压阀10来增大出口气体流量可以实现压力的回落。通过入口流量计3和精密背压阀10的调节，可以将储液罐内的气体压力稳定在安全压力内的任意数值，由于储液罐1内部的气体压力大小和浆料进料流量是正相关的关系，所以可以实现浆料流量大小的任意调节。
在本实施例中，储液罐1可以拆卸，能够方便浆料的加入，同时易于清洗。内部设有搅拌装置12，比如搅拌桨，可以对储液罐1中的浆料进行搅拌，防止固体颗粒在储液罐1底部发生沉积并让浆料的浓度均匀。
在本实施例中，储液罐1还带有一个气体输出管5与压力缓冲罐2相连，气体输出管5安装有一个泄压阀6和阀门7，当需要停止进料的时候，可以关闭阀门7并且打开泄压阀6来释放储液罐1内的压力从而停止浆料的输出。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种用于微反应器的无脉动浆料进料装置，其特征在于，包括：密闭的储液罐和压力缓冲罐；所述储液罐设有气体输入管、气体输出管和浆料输出管；所述气体输入管上设有流量计；所述气体输出管连接压力缓冲罐；所述浆料输出管的一端伸入储液罐底部，另一端与微反应器连接。
2.根据权利要求1所述的用于微反应器的无脉动浆料进料装置，其特征在于：所述压力缓冲罐设有压力传感器和出口管路，所述出口管路的末端连接精密背压阀。
3.根据权利要求2所述的用于微反应器的无脉动浆料进料装置，其特征在于：所述气体输出管上设有泄压阀。
4.根据权利要求3所述的用于微反应器的无脉动浆料进料装置，其特征在于：所述气体输入管连接有流量控制器。
5.根据权利要求3其中任一所述的用于微反应器的无脉动浆料进料装置，其特征在于：所述储液罐内部设有搅拌装置。
6.根据权利要求3其中任一所述的用于微反应器的无脉动浆料进料装置，其特征在于：所述储液罐的罐体上端设有可拆卸的罐盖。
7.根据权利要求6其中任一所述的用于微反应器的无脉动浆料进料装置，其特征在于：所述罐盖通过法兰连接储液罐。
8.根据权利要求2-7其中任一所述的用于微反应器的无脉动浆料进料装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：根据微反应器需要的浆料流量Q以及公式：
Figure 39074DEST_PATH_IMAGE002
，计算出Δp；调节所述精密背压阀的压力至Δp对应的压力值，其中，Δp为储液罐上部的气体压力，R为流阻；
步骤S2：打开所述流量计，并使压缩气体进入到储液罐和压力缓冲罐中；所述压缩气体的流量大于微反应器需要的浆料流量。
9.根据权利要求8所述的用于微反应器的无脉动浆料进料装置的使用方法，其特征在于：
在步骤S2中，当压力缓冲罐中的压力达到设定值后，微调所述精密背压阀直到压力传感器读数恒定。
10.根据权利要求9所述的用于微反应器的无脉动浆料进料装置的使用方法，其特征在于，还包括步骤S3：当需要停止进料时，停止压缩气体的输入，并打开设置在气体输出管上的泄压阀。
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