CN112090388A - 一种连续流反应器及其在化学反应和合成中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续流反应器及其在化学反应和合成中的应用，所述连续流反应器包括反应管束、固定板、轴向封头、横向封头、进料口、出料口、网状制成结构、分布器和换热介质封头。反应管束由若干六角直管沿6个外壁面法线方向阵列形成，固定板和轴向封头将管内空间封闭，迫使反应介质在管内形成蛇形往复流动；反应管束内置静态混合器，促进液液两相的快速分散或均相反应的快速混合，管束外壁设置换热翅片，强化壳程换热和管束整体结构的机械强度。本发明连续流反应器相比于一般的连续流微通道反应器具有停留时间长、原料处理量大的特点，相比于一般的分批式搅拌釜反应器具有连续化、高产率、容易放大的特点。

Description

一种连续流反应器及其在化学反应和合成中的应用

技术领域

本发明涉及化学反应技术领域，具体涉及一种连续流反应器及其在化学反应和合成中的应用。

背景技术

连续流微通道反应器具有空间上特征尺寸小的特点，在很多方面具有优异的性能，如比表面积大，传质和传热效率高，能够精确控制反应时间、温度等条件，以及绿色安全生产等等。目前精细化工领域使用最广泛的反应器是搅拌釜，采用分批式进料，辅助操作繁琐，换热效率低下，反应器放大难度高。若使用连续流反应器可以避免传统搅拌釜换热能力差，反应器体积大等缺点，实现化工产品的连续化生产，显著提高生产效率和安全性能。

公开号为CN111434377A的专利说明书公开了一种盘管微通道反应器，反应器中含有支撑管和环绕该支撑管的微通道，微通道的内部设置有流体再分配构件，构件为椎体结构，使得流体由椎体尖端流出并进入所述微通道的下游，可以实现多股相溶或不相溶的多相原料混合液进行有效的混合并进行长时间的化学反应，进而同时提高产品的选择性和原料转化率。

公告号为CN208641841U的专利说明书公开了一种基于3D打印制造的多孔道微反应器，多孔微通道为多个均匀分布连续通道，截面为圆形，每个多孔通道形状为蛇形，每层中25个首尾相连的连续多孔通道构成锯齿形，使混合流体更容易形成紊流，对流扩散系数更高。使用该反应器进行金属钯、铂萃取，可实现11.55L/h的原料液处理量。但该反应器没有设置换热结构，近似于绝热反应器，不适用于热效应强的化学反应体系。

公告号为CN107261997B的专利说明书公开了一种适用于液液多相反应的微通道反应器，微通道由套管环隙形成，内管由膜材料构成，分散相通过膜后以微乳液滴的形式均匀分散进入连续相中，并流接触，液液之间的相界面比一般反应器增大10倍以上，并且可以通过调节膜结构以控制微乳液滴尺寸，特别适用于高粘度液体参与的化学反应体系。

目前大部分连续微流通道反应器由于尺寸限制，持液量小，只能适用于小处理量或快速反应，因此，有必要设计一种适用于大处理量，更长反应停留时间的连续流反应器，拓展反应器适用范围，提高生产效率，降低设备成本。

发明内容

本发明提供了一种连续流反应器，可保证不同进料流股快速混合，反应停留时间可以达到分钟级，特别适用于连续化操作的精细化学品合成反应，显著提高了生产效率和安全性能。

一种连续流反应器，包括：

反应管束，由若干六角直管沿6个外壁面法线方向阵列形成，相邻六角直管间通过导热翅片连接，管内填充有静态混合器；所述六角直管横截面为正六边形，直管轴向两端各设置一个开口，相邻两六角直管间通过开口互相连接；所述静态混合器由若干左、右螺旋型的叶片交替排列组成，相邻两叶片首尾存在交叉角；

固定板，为沿所述反应管束轴向拉伸的板状结构，设于所述反应管束轴向两端，用于固定所述反应管束各六角直管相对位置；

轴向封头，为沿所述反应管束轴向拉伸的板状结构，用于封闭所述反应管束轴向两端开口；

横向封头，用于封闭所述反应管束横向两侧；

至少一个进料口，位于所述反应管束第一根六角直管上，与横向封头开口相连；

出料口，位于所述反应管束最后一根六角直管上，与横向封头开口相连；

网状支撑结构，设置于所述反应管束纵向两侧；

分布器，紧贴网状支撑结构外侧；

换热介质封头，紧贴分布器腔体外侧。

具体地：

所述六角直管，横截面为正六边形，轴向两端的壁面各设置有一个矩形开口，两开口所在壁面处于六边形的相对位置，相邻两根六角直管对应开口间形成一根短管，所述短管成为相邻两根六角直管的连接管。

所述导热翅片由若干长方体排列组成，垂直分布于所述六角直管外壁面，两端分别与相邻两根六角直管外壁面连接，使得若干六角直管连接为一个反应管束整体。每个导热翅片均设置有两个三棱柱形加强筋，分别位于相邻两根六角直管的外壁面上。

所述叶片的横截面为矩形，由所述矩形按照一定扭转角、旋向和螺距扫描形成。所述叶片表面优选开有若干贯穿孔。叶片一端可设置有三棱柱形加强筋，紧贴六角直管内壁。

所述扭转角优选为90～180°。

所述叶片的长径比优选为1～4:1，进一步优选为1.5～3:1。

所述叶片上贯穿孔的数量优选为1～10个，进一步优选为1～6个，贯穿孔尺寸优选为1～8mm，进一步优选为2～5mm。

所述固定板上开有与六角直管数量相等的正六边形小孔，小孔轮廓和尺寸与所述六角直管外壁横截面相同，反应管束从小孔中穿过，两个固定板外侧分别与反应管束两端处于同一平面。

所述轴向封头内侧面紧贴固定板外侧，同时也紧贴反应管束一端。

所述横向封头为矩形。

所述反应管束，横向两侧被两个横向封头密封。横向封头与反应管束在结构上为一个整体，其中一侧的矩形封头上开有若干个进料口和一个出料口。

所述进料口和出料口，内部与反应管束管程形成反应介质蛇形流动路径，外部连接反应介质进料和出料管线。

所述反应管束纵向两侧且所述固定板间设置有网状支撑结构，所述网状支撑结构外侧被换热介质分布器紧密贴合。

所述分布器为腔体结构，靠近所述反应管束一侧开有若干孔，远离反应管束一侧紧贴所述换热介质封头。

所述换热介质封头开孔，内侧与分布器腔体相连，外侧与换热介质进料管线或出料管线相连。换热介质封头、所述反应管束外壁和固定板内侧共同形成规整的换热介质流动路径。

本发明还提供了所述的连续流反应器在化学反应和合成领域中的应用。

使用本发明的连续流反应器进行化学反应时，反应料液可通过不同进料口进入第一根六角直管，在静态混合器的作用下，不同流股在在管内反复切割、分裂、合并，从而实现快速混合，管内反应介质到达第一根六角直管端头后通过短管进入下一根六角直管，如此反复直至管内反应介质到达最后一根六角直管末尾，最后从出料口流出。宏观上看，反应介质进入反应器后呈现蛇形往复流动，依次流经每一根六角直管，最后从出料口流出反应器。换热介质通过管线进入分布器，从分布器孔流入反应管束壳程，通过间壁传热与管内反应介质进行热交换，两流体错流换热，最后换热介质通过另一侧分布器流出反应器壳程。本发明通过管内填充静态混合器、管外设置导热翅片、构建反应介质的蛇形往复路径，强化了反应过程的传质、传热，实现连续化操作，反应停留时间达到分钟级，具有生产效率高和安全性能好的优点。

所述反应管束壳程，是由反应管束正六边形外壁面形成的规整流道，壳程中导热翅片起支撑管束和壳程扰流作用，增大壳程换热系数和换热面积，提高了管内承压能力和控温精度。

作为优选，所述化学反应体系为液体均相反应或者不完全互溶的液液两相流反应。本发明的连续流反应器尤其适用于需要多点进料的反应体系。

作为优选，所述连续流反应器可以并联或串联使用，可满足任意生产能力和1～10分钟内的反应停留时间要求。

所述连续流反应器可采用ABS树脂、PEEK、尼龙12、314不锈钢、316不锈钢、316L不锈钢、钛合金或哈氏合金等材料。

所述六角直管内壁正六边形边长优选为1～20mm，进一步优选为2～10mm。

所述六角直管的长度优选为50～1000mm，进一步优选为150～500mm。

本发明与现有技术相比，主要优点包括：反应介质流道内置静态混合器，对于均相反应可以实现多股物料的快速混合，增大反应转化率和选择性，对于液液两相流反应可以实现分散相的快速分散，增大两相接触面积，提高化学反应速率；反应管束间的串联结构，迫使反应介质在管程做蛇形往复流动，反应停留时间增加，反应原料转化率和目标产物选择性提高，单位反应器体积原料处理量增大；导热翅片起到壳程扰流和支撑反应管束的作用，强化壳程换热能力和增大反应管束结构的机械强度。

附图说明

图1为实施例1的静态混合器的立体结构示意图；

图2为实施例1的六角直管的立体结构示意图；

图3为实施例1的反应管束的立体结构示意图；

图4为实施例1的分布器的立体结构示意图；

图5为实施例1的连续流反应器的立体结构示意图；

图6为实施例1的连续流反应器的拆分立体结构示意图；

图中：20-六角直管，21-导热翅片，22-静态混合器，30-反应管束，31-开口，32-固定板，33-固定板，41-分布器，50-轴向封头，51-轴向封头，52-进料口，53-出料口，54-换热介质封头，55-换热介质封头，56-换热介质进料管线，57-换热介质出料管线，61-网状支撑结构。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。

实施例1

如图1-6所示，本实施例中的连续流反应器包括反应管束30，反应管束30由六角直管20沿六个外壁面法向阵列形成，数量为125根；每根直管两端均设置有开口31，相邻两根直管的开口间形成短管，使相邻两直管内部空间连通。相邻六角直管20间通过导热翅片21连接，除纵向最外侧一排直管，每根直管外壁面均设置有导热翅片21，数量为108个，最外侧一排直管每根直管的导热翅片数量为72个；每根直管内部填充有静态混合器22，静态混合器的立体结构如图1所示，由5个螺旋型叶片交替排列组成，相邻两叶片首尾交叉角为90°；5个螺旋型叶片均可视为矩形沿螺旋线扫描而成，扭转角180°，螺距30mm，厚度0.5mm，相邻两叶片的旋向相反，每个叶片上均开有6个圆形贯穿孔；反应管束轴向两端设置有两个固定板(32和33)，固定板上开有125个正六边形小孔，小孔轮廓和尺寸与反应直管外壁横截面相同，反应管束从小孔中穿过，固定板外侧表面分别与反应管束两端头处于同一平面。

反应管束30的轴向两端通过两个轴向封头(50和51)密封，使所有直管内部形成一个反应介质的流动路径；反应管束横向一侧开有三个进料口52和一个出料口53，进料口均与第一根六角直管相通，出料口与最后一根六角直管相通，从进料口到出料口之间是125根直管内部的串联通道。

反应管束30的纵向两侧设有网状支撑结构61，外侧再焊接有两个分布器(41和42)，每个分布器靠近反应管束一侧开有256个圆孔，内部腔体深度10mm；分布器41远离反应管束一侧焊接有一个换热介质封头54，换热介质封头54中心开有圆孔，内部与分布器41腔体相连，外部与换热介质进料管线56相连；分布器42远离反应管束一侧焊接有一个换热介质封头55，换热介质封头中心开有圆孔，内部与分布器41腔体相连，外部与换热介质出料管线57相连。

本实施例中，反应原料通过进料口52进入第一根六角直管后，在静态混合器作用下快速混合，管内到达第一根六角直管末尾后通过短管进入下一根六角直管，如此循环直至管内反应介质到达最后一根六角直管末尾，最后从出料口流出；换热介质从圆孔56进入分布器41腔体后通过圆孔实现均布，然后经过网状支撑结构61进入反应管束30壳程，在与反应管内反应流体错流换热后，流出反应管束进入分布器42腔体，最终通过圆孔57流入换热介质出料管线。

应用例1

使用实施例1的连续流反应器，以大豆油与甲醇为原料制备生物柴油为实施对象，大豆油通过计量泵后从任一进料口52进入反应器，溶解有催化剂氢氧化钠的甲醇溶液通过计量泵后从剩余两进料口52进入反应器，大豆油作为分散相在静态混合器22的作用下不断切割、分裂和拉伸，形成大量微乳液滴，与此同时与连续相进行反应。反应温度为65℃，反应压力为常压，原料甲醇和大豆油摩尔比为9:1，催化剂和原料重量比为1.5:100，反应停留时间为1min；反应产物通过倾析器后分别获得上层脂肪酸甲酯相和下层甘油相。使用石油醚对甘油相萃取后将石油醚与脂肪酸甲酯相合并，闪蒸除去石油醚和甲醇，再用饱和食盐水洗涤三次除去水溶性杂质，最后使用无水硫酸钠干燥后得到生物柴油产品，产率为94.8％。

对比例1

本对比例采用常见的钛合金搅拌釜，体积为2L，搅拌桨采用六叶片涡轮式搅拌桨，将0.1L大豆油与0.9L含有质量分数1.5％氢氧化钠的甲醇溶液投入反应釜，搅拌桨以500rpm转速搅拌，其他反应条件与实施例1相同，反应结束后，采用与实施例1相同的流程分离出产物生物柴油，产率仅为74.3％。

对比例1与应用例1比较，产率较低，反应器体积较大，分批式操作繁琐。比较表明，实施例1中的连续流反应器对于液液两相流反应可以实现更高的生产效率。

应用例2

利用实施例1中所述连续流反应器，以糖精醇解制备邻甲酸甲酯苯磺酰胺为实施对象。

反应方程式如下：

将糖精的甲醇溶液通过计量泵从任意两入口52注入反应器，浓硫酸也通过计量泵从剩余进料口52注入反应器，两股物料在静态混合器22作用下不断切割、分裂与合并，快速混合形成均一混合物，与此同时反应物充分反应。反应温度为60℃，反应压力为常压，糖精和甲醇的质量比为1:29，浓硫酸质量分数为98％，甲醇溶液和浓硫酸质量比为97:3，反应停留时间为1min；反应产物通过闪蒸除去甲醇后，用饱和碳酸氢钠溶液除去过量的酸，再进行过滤、饱和食盐水洗涤、无水硫酸钠干燥后，得到产物邻甲酸甲酯苯磺酰胺，产率为96.8％。

对比例2

本对比例采用对比例1相同的钛合金搅拌釜，将0.97L糖精的甲醇溶液与0.03L浓硫酸投入反应釜，反应物浓度与反应条件与应用例2相同，反应结束后，采用与应用例2相同的流程分离出产物邻甲酸甲酯苯磺酰胺，产率仅为83.4％。

对比例2与应用例2比较，产率较低，反应器体积较大，分批式操作繁琐。比较表明，实施例1中的连续流反应器对于液体均相反应可以实现更高的生产效率。

此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种连续流反应器，其特征在于，包括：

反应管束，由若干六角直管沿6个外壁面法线方向阵列形成，相邻六角直管间通过导热翅片连接，管内填充有静态混合器；所述六角直管横截面为正六边形，直管轴向两端各设置一个开口，相邻两六角直管间通过开口互相连接；所述静态混合器由若干左、右螺旋型的叶片交替排列组成，相邻两叶片首尾存在交叉角；

固定板，为沿所述反应管束轴向拉伸的板状结构，设于所述反应管束轴向两端，用于固定所述反应管束各六角直管相对位置；

轴向封头，为沿所述反应管束轴向拉伸的板状结构，用于封闭所述反应管束轴向两端开口；

横向封头，用于封闭所述反应管束横向两侧；

至少一个进料口，位于所述反应管束第一根六角直管上，与横向封头开口相连；

出料口，位于所述反应管束最后一根六角直管上，与横向封头开口相连；

网状支撑结构，设置于所述反应管束纵向两侧；

分布器，紧贴网状支撑结构外侧；

换热介质封头，紧贴分布器腔体外侧。

2.根据权利要求1所述的连续流反应器，其特征在于，所述导热翅片由若干长方体排列组成，垂直分布于所述六角直管外壁面，两端分别与相邻两根六角直管外壁面连接。

3.根据权利要求1所述的连续流反应器，其特征在于，所述叶片的横截面为矩形，由所述矩形按照一定扭转角、旋向和螺距扫描形成，叶片表面开有若干贯穿孔。

4.根据权利要求3所述的连续流反应器，其特征在于，所述扭转角为90～180°，所述叶片的长径比为1～4:1，所述叶片上贯穿孔的数量为1～10个，贯穿孔尺寸为1～8mm。

5.根据权利要求1所述的连续流反应器，其特征在于，所述固定板上开有与六角直管数量相等的正六边形小孔，小孔轮廓和尺寸与所述六角直管外壁横截面相同，反应管束从小孔中穿过，两个固定板外侧分别与反应管束两端处于同一平面。

6.根据权利要求1所述的连续流反应器，其特征在于，所述轴向封头内侧面紧贴固定板外侧，同时也紧贴反应管束一端。

7.根据权利要求1所述的连续流反应器，其特征在于，所述分布器为腔体结构，靠近所述反应管束一侧开有若干孔，远离反应管束一侧紧贴所述换热介质封头。

8.根据权利要求1所述的连续流反应器，其特征在于，所述换热介质封头开孔，内侧与分布器腔体相连，外侧与换热介质进料管线或出料管线相连。

9.根据权利要求1所述的连续流反应器，其特征在于，所述六角直管的长度为50～1000mm，所述六角直管内壁正六边形边长为1～20mm。

10.根据权利要求1～9任一权利要求所述的连续流反应器在化学反应和合成领域中的应用。

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