CN112169720A - 一种纳微界面强化反应系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种纳微界面强化反应系统，包括：反应器主体,其用以作为气‑液、液‑液、液‑液‑固、液‑固或气‑液‑固多相反应介质进行反应的反应腔室，以确保所述多相反应介质能够充分反应；纳微界面发生器，其与所述反应器主体相连，用于在所述多相反应介质进入所述反应器主体之前将所述多相反应介质中的气相和/或液相在所述纳微界面发生器中预设方式破碎成直径为纳米级别的纳微气泡和/或纳微液滴，以增大反应过程中所述气相和/或液相与液相和/或固相之间的相界传质面积。本发明有效地解决了现有的反应强化系统在使用过程中由于反应相的相界接触面积较小，影响传质速率的问题。
Description
技术领域
本发明属于反应强化技术领域，具体涉及一种纳微界面强化反应系统。
背景技术
界面是指物质相与相之间交界的区域，存在于两相之间，厚度约为几个分子层到几十分子层，它不同于几何中说“面”的概念，这里的面是有厚度的，是具体物质相之间的交界区域。界面现象伴随传质而发生，它又对传质过程有着显著的影响。萃取、精馏、吸收、气-液反应、液-液反应、气-液-固三相反应等均为典型的界面传质过程。而现有的多相反应系统虽然对原料的适应性强、操作简单，但由于反应介质中气体和/或液体的尺度较大，气相和/或液相的相界面积相对较小，其受传质面积和传质速率受到严重制约，进而影响了反应的整体效率。其根本原因是反应器内的气泡尺度较大（一般为3-30mm），故气液相界传质面积小（一般在50-200m2/m3），因而限制了传质效率。因此，工程上不得不采用高温（470°C以上）和高压（30MPa以上）操作，通过增加气相和/或液相的溶解度以提高传质速率，从而强化反应过程。但高温高压产生一系列副作用：能耗和生产成本高、投资强度大、设备操作周期短、故障多、本质安全性差等，从而给工业化大规模生产带来挑战。
发明内容
鉴于此，本发明提出了一种纳微界面强化反应系统，旨在解决现有的反应强化系统在进行反应强化的过程中通过高温高压的方式增大各反应相的相界面积，进而在提高传质速率的同时易造成能耗和生产成本高、投资强度大、设备操作周期短、故障多、本质安全性差等给工业化大规模生产带来挑战的问题。
本发明提出了一种纳微界面强化反应系统，包括：
反应器主体,其用以作为气-液、液-液、液-固、气-液-液、气-液-固以及液-液-固多相反应介质进行反应的反应腔室，以确保所述多相反应介质能够充分反应；
纳微界面发生器（Nano Micro Interfacial Generator，简称NMIG），其与所述反应器主体相连，用于在所述多相反应介质进入所述反应器主体之前将所述多相反应介质中的气相和/或液相在所述纳微界面发生器中通过机械微结构和/或湍流微结构以预设作用方式破碎成直径为纳米级别的纳微气泡和/或纳微液滴，以增大反应过程中所述气相和/或液相与液相和/或固相之间的相界传质面积，提高各反应相之间的传质效率，在预设温度和/或预设压强范围内强化所述多相反应。
进一步地，上述纳微界面强化反应系统中，所述预设作用方式选自微通道作用方式、场力作用方式以及机械能作用方式中的一种或几种；其中，
所述微通道作用方式通过构造流道的微结构，使通过微流道的气相和/或液相破碎成纳微气泡和/或纳微液滴；
所述场力作用方式是利用外场力作用以非接触的方式为流体输入能量，使所述气相和/或液相破碎成所述纳微气泡和/或纳微液滴；
所述机械能作用方式是利用流体的机械能，将其转换成气泡或液滴的表面能，使气泡和/或液滴破碎成所述纳微气泡和/或纳微液滴。
进一步地，上述纳微界面强化反应系统中，所述微通道作用方式选自微孔通气法、膜法、微流道法以及微流控法中的一种或几种。
进一步地，上述纳微界面强化反应系统中，所述场力作用方式包括：压力场作用、超重力场作用、超声波场作用或电磁波场作用。
进一步地，上述纳微界面强化反应系统中，所述机械能作用方式包括：撞击流破碎法、回旋剪切破碎法、喷雾法或气-液混流泵法。
进一步地，上述纳微界面强化反应系统中，所述反应器主体包括：釜式反应器、管式反应器、塔式反应器、固定床反应器或流化床反应器。
进一步地，上述纳微界面强化反应系统中，所述纳微界面发生器的连接在所述反应器主体的进口端，其设置数量至少为一组。
进一步地，上述纳微界面强化反应系统中，所述预设压强范围为现有强化反应系统反应所需压力的8%-43%。
进一步地，上述纳微界面强化反应系统中，所述纳米级别的范围为小于1μm。
进一步地，上述纳微界面强化反应系统中，所述纳微界面强化反应系统可适用于化工、冶金、生物工程、石油化工、医药、环境治理、生化发酵、炼油、水产养殖、精细化工、生物发酵以及矿产开采领域。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明提供的纳微界面强化反应系统，通过在反应器主体上连接纳微界面发生器，在多相反应介质进入反应器主体之前将多相反应介质中的气相和/或液相在纳微界面发生器中通过微通道、场力作用或机械能作用破碎成直径为纳米级别的纳微气泡和/或纳微液滴，有效地增大了反应过程中气相和/或液相与液相和/或固相之间的相界传质面积，极大地强化了各反应相在反应过程中的传质效率，进而达到了在预设压强范围内强化反应的目的，同时极大地减少了反应过程中的能耗和生产成本、降低了投资强度、延长了设备操作周期、确保了反应过程中的本质安全性差，有效地保证了反应成品的工业化大规模生产。
尤其是，本发明提供的纳微界面强化反应系统中，可以根据不同的反应相的自身特性与工艺需求选择不同的破碎方式，例如通过微通道、场力作用或机械能作用，对反应介质中的气相和/或液相进行破碎，有效地确保了在多相反应介质进入反应器主体之前对反应介质中气相和/或液相破碎的有效度，保证了反应过程中气相和/或液相与液相和/或固相之间的相界传质效率，进一步提升了反应效率。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其它的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例的釜式纳微界面强化反应系统的结构示意图；
图2为本发明实施例的管式纳微界面强化反应系统的结构示意图；
图3为本发明实施例的塔式纳微界面强化反应系统的结构示意图；
图4为本发明实施例的固定床纳微界面强化反应系统的结构示意图；
图5为本发明实施例的乳化床纳微界面强化反应系统的结构示意图；
图6为本发明实施例的悬浮床纳微界面强化反应系统的结构示意图；
图7为本发明实施例的沸腾床纳微界面强化反应系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1-7所示，为本发明实施例的纳微界面强化反应系统，其包括:反应器主体1和纳微界面发生器（NMIG）2；其中，反应器主体1用以作为气-液、液-液、液-固、气-液-液、气-液-固以及液-液-固多相反应介质进行反应的反应腔室，以确保所述多相反应介质能够充分反应；纳微界面发生器2与所述反应器主体1相连，用于在所述多相反应介质进入所述反应器主体1之前将所述多相反应介质中的气相和/或液相在所述纳微界面发生器2中通过机械微结构和/或湍流微结构以预设作用方式破碎成直径为纳米级别的纳微气泡和/或纳微液滴，以在其它反应相中形成纳微界面、微纳界面、超纳微界面等，并与其它反应相共同形成如多相微混流、多相微纳流、多相乳化流、多相微结构流、气液固微混流、气液固微纳流、气液固乳化流、气液固微结构流、纳微气泡、纳微气泡流、微泡沫、微泡沫流、微气液流、气液微纳乳化流、超微流、微分散流、两项微混流、微湍流、微泡流、微鼓泡、微鼓泡流、微纳鼓泡以及微纳鼓泡流等由微米尺度颗粒形成的多相流体、或由微纳尺度颗粒形成的多相流体（简称纳微界面流体），进而有效地增大了反应过程中所述气相和/或液相与液相和/或固相之间的相界传质面积，极大地提高了各反应相之间的传质效率，最终实现了在较低的预设温度与压强条件下强化所述多项反应的目的，同时有效地解决传统气-液和气-液-固等多相加氢反应过程中高温、高压、高物耗、高投资、高安全风险等问题，由此显著地降低设备的投资成本和运行费用。
本实施例中，作为反应原料的气-液、液-液、液-固、气-液-液、气-液-固以及液-液-固等多相介质在进入所述反应器主体1之前，先进入所述纳微界面发生器2中，通过其内部的机械微结构和/或湍流微结构以微通道作用、场力作用或机械能作用等方式将所述多相反应介质中的液体和/或气体破碎成直径为de <1μm 的纳微气泡和/或纳微液滴，形成纳微界面、微纳界面或超纳微界面等；然后与其它反应相充分混合，形成如多相微混流、多相微纳流、多相乳化流、多相微结构流、气液固微混流、气液固微纳流、气液固乳化流、气液固微结构流、纳微气泡、纳微气泡流、微泡沫、微泡沫流、微气液流、气液微纳乳化流、超微流、微分散流、两项微混流、微湍流、微泡流、微鼓泡、微鼓泡流、微纳鼓泡以及微纳鼓泡流等纳微界面流体反应体系；最后通过所述反应器主体1的进料口进入所述反应器主体1内部在催化剂的作用下充分反应，并经后续处理以形成不同的反应产物，进而有效地增大了反应过程中气相和/或液相与液相和/或固相之间的相界传质面积，进而提高反应过程中各反应相之间的传质效率，最终达到了在现有强化反应系统反应所需压力的8%-43%压强范围内强化反应的目的；同时有效地解决传统气-液和气-液-固等多相加氢反应过程中高温、高压、高物耗、高投资、高安全风险等问题，由此显著地降低设备的投资成本和运行费用。
具体而言，所述反应器主体1作为反应过程中各反应原料进行反应的主要发生场所，其整体为一壳体构造，具体可以为：釜式反应器、管式反应器、塔式反应器、固定床反应器以及流化床反应器，只要能够作为多相反应介质进行反应的反应腔室，确保所述多相反应介质能够进行充分的反应即可，其中流化床反应器又可以根据反应原料中反应相的不同选取乳化床反应器、悬浮床反应器以及沸腾床反应器等任意形式的反应器。
本实施例中，所述反应器主体1的具体类型和构造可以根据化工、冶金、生物工程、石油化工、医药、环境治理、生化发酵、炼油、水产养殖、精细化工、生物发酵以及矿产开采等不同使用领域、反应温度和反应压强等工艺参数以及反应生成品质量需求等参数进行选择或设计，只要能够确保在反应过程能够最大限度满足使用需求，即最大限度的提升反应速率、提高成品质量、降低成本投入以及保证安全操作即可。可以理解的是，不同领域或不同反应工艺中反应器主体1的具体结构必然存在一定程度的差异，例如进出料口的设置位置和数量等不尽相同。
具体而言，所述纳微界面发生器2作为反应过程中破碎多相反应介质中的气体和/或液体的核心设备，其设置所述反应器主体1上的气相和/或液相进料口，将所述多相反应介质中的气相和/或液相通过机械微结构和/或湍流微结构以微通道作用、场力作用或机械能作用等方式将多相反应过程中气相和/或液相的机械能转换成气相和/或液相的表面能，进而使气相和/或液相破碎成直径为de <1μm的纳米级别的纳微气泡和/或纳微液滴，并与其它反应相形成微流界面体系，进而有效地增大了反应过程中所述气相和/或液相与液相和/或固相之间的相界传质面积，极大地提高了各反应相之间的传质效率，最终实现了在较低的预设温度与压强条件下强化所述多项反应的目的，同时有效地解决传统气-液和气-液-固等多相加氢反应过程中高温、高压、高物耗、高投资、高安全风险等问题，由此显著地降低设备的投资成本和运行费用。
本实施例中，所述纳微界面发生器2连接在所述反应器主体1的进料口，其具体位置和数量可以根据反应器主体1上气相和/或液相进料口的具体位置和数量而确定，例如可单独地设置在反应器主体的顶部、底部或侧部，以形成对应的上置式、下置式以及侧置式纳微界面强化反应系统，也可以同时设置在反应器主体顶部、底部以及侧部，以形成多种对冲式纳微界面强化反应系统。同时，纳微界面发生器2设置在反应器主体1的内部和/或外部。尤其是，所述纳微界面发生器破碎所述多相反应中气相和/或液相的具体方式也可以根据具体的工艺需求进行选择微通道作用方式、场力作用方式以及机械能作用方式中的一种或几种进行组合；其中，所述微通道作用方式是通过构造流道的微结构，使通过微流道的气相和/或液相破碎成纳微气泡和/或纳微液滴，例如微孔通气法、微纳孔膜法（各种金属膜、无机膜或有机膜）、微流道法以及微流控法等；所述场力作用方式是利用压力场、超重力场、超声波场或电磁波场等外场力作用以非接触的方式为流体输入能量，使其破碎成所述纳微气泡或纳微液滴；所述机械能作用方式是利用流体的机械能，将其转换成气泡或液滴的表面能，使气泡或液滴破碎成所述纳微气泡或纳微液滴，其包括：撞击流破碎法、回旋剪切破碎法、喷雾法以及气-液混流泵法等。使用的过程中，反应所需的多相反应介质在进入所述反应器主体1之前先进入其内部通过微通道、场力作用或机械能作用等方式将所述多相反应介质中的气体和/或液体破碎成纳米级别的直径为de <1μm的纳米级别的纳微气泡和/或纳微液滴，以形成纳微界面、微纳界面或超纳微界面等，有效地增大了反应过程中气相和/或液相与液相和/或固相之间的相界传质面积，进而提高反应过程中各反应相之间的传质效率，最终达到了在现有强化反应系统反应所需压力的8%-43%压强范围内强化反应的目的；同时有效地解决传统气-液和气-液-固等多相加氢反应过程中高温、高压、高物耗、高投资、高安全风险等问题，由此显著地降低设备的投资成本和运行费用。
继续参阅图1所示，为本发明实施例的釜式纳微界面强化反应系统，其包括：反应器主体1和纳微界面发生器2；其中，反应器主体1为釜式反应器，用以作为气-液、液-液、液-固、气-液-液、气-液-固以及液-液-固多相反应介质进行反应的反应腔室，以确保所述多相反应介质能够充分反应；纳微界面发生器2连接在所述釜式反应器外侧部的气相进口和/或液相进口，其设置数量为一个，用于在所述多相反应介质进入所述釜式反应器之前将所述多相反应介质中的气相和/或液相在所述纳微界面发生器2中通过预设方法破碎成直径为de <1μm的纳米级别的纳微气泡和/或纳微液滴，并与其它反应相形成微流界面体系，以增大反应过程中所述气相和/或液相与液相和/或固相之间的相界传质面积，提高各反应相之间的传质效率，实现了在预设温度与压强条件下强化所述多项反应的目的。本实施例中，作为反应原料的气-液、液-液、气-液-液、液-固、气-液-固以及液-液-固等多相介质在进入所述釜式反应器之前，先进入所述纳微界面发生器2中通过微流道法和撞击流破碎法破碎成直径为纳米级别的纳微气泡和/或纳微液滴，并与其它反应相形成微流界面体系，最后进入所述釜式反应器内部在催化剂的作用下进行充分反应，并经后续处理以形成不同的反应产物。本系统在使用过程中：釜式反应器内反应压力为现有釜式反应器内部压力的18%-35%，反应温度为现有反应温度的57%-73%，进而极大地减少了反应过程中的能耗和生产成本、降低了投资强度、延长了设备操作周期、确保了反应过程中的本质安全性差，有效地保证了反应成品的工业化大规模生产。可以理解的是，本实施例中的所述的反应为采用釜式反应器进行反应强化的一类反应，因此不具体限定催化剂的种类，其可以为铁系催化剂、钼系催化剂、镍系催化剂、钴系催化剂以及钨系催化剂中的一种或几种组合，只要能够确保强化反应顺利进行即可。
继续参阅图2所示，为本发明实施例的管式纳微界面强化反应系统，其包括：反应器主体1和纳微界面发生器2；其中，反应器主体1为管式反应器，用以作为气-液或液-液两相反应介质进行反应的反应腔室，以确保气-液或液-液两相反应介质能够充分反应；纳微界面发生器2同时设置在所述管式反应器的外部顶端气相进口和/或液相进口之前和管式反应器的内部，用于在所述气-液或液-液两相反应介质进入所述管式反应器之前将所述气-液或液-液两相反应介质中的气相和/或液相在所述纳微界面发生器2中通过预设方法破碎成直径为纳米级别的纳微气泡和/或纳微液滴，并与其它反应相形成微流界面体系，以增大反应过程中所述气相和/或液相与液相和/或固相之间的相界传质面积，提高各反应相之间的传质效率，进而实现在预设温度与压强条件下强化所述多项反应的目的。具体的，本实施例中，作为反应原料的气-液或液-液两相反应介质在进入所述管式反应器之前，先进入所述纳微界面发生器2中通过微孔通气法或撞击破碎法破碎成直径为de <1μm的纳米级别的纳微气泡和/或纳微液滴，并与其它反应相形成微流界面体系，最后进入所述管式反应器内部在催化剂的作用下进行充分反应，并经后续处理以形成不同的反应产物。本系统在使用过程中：管式反应器内反应压力为现有管式反应器内部压力的30%-43%，反应温度为现有反应温度的68%-84%，进而极大地减少了反应过程中的能耗和生产成本、降低了投资强度、延长了设备操作周期、确保了反应过程中的本质安全性差，有效地保证了反应成品的工业化大规模生产。可以理解的是，本实施例中的所述的反应为采用管式反应器进行反应强化的一类反应，因此不具体限定催化剂的种类，其可以为铁系催化剂、钼系催化剂、镍系催化剂、钴系催化剂以及钨系催化剂中的一种或几种组合，只要能够确保强化反应顺利进行即可。
继续参阅图3所示，为本发明实施例的塔式纳微界面强化反应系统，其包括：反应器主体1和纳微界面发生器2；其中，反应器主体1为塔式反应器，用以作为气-液、液-液、液-固、气-液-液、气-液-固以及液-液-固多相反应介质进行反应的反应腔室，以确保所述多相反应介质能够充分反应；纳微界面发生器2连接在所述塔式反应器下部外侧的气相进口和/或液相进口之前，用于在所述多相反应介质进入所述管式反应器之前将所述多相反应介质中的气相和/或液相在所述纳微界面发生器2中通过预设方法破碎成直径为de <1μm的纳米级别的纳微气泡和/或纳微液滴，并与其它反应相形成微流界面体系，以增大反应过程中所述气相和/或液相与液相和/或固相之间的相界传质面积，提高各反应相之间的传质效率，进而实现在预设温度与压强条件下强化所述多项反应的目的。具体的，本实施例中，作为反应原料的气-液或液-液两相反应介质在进入所述塔式反应器之前，先进入所述纳微界面发生器2中通过微孔通气法、膜法（各种金属膜、无机膜或有机膜）、微流道法、微流控法、压力场、超重力场、超声波场、电磁波场、撞击流破碎法、回旋剪切破碎法、喷雾法或气-液混流泵法中的一种或几种方式破碎成直径为纳米级别的纳微气泡和/或纳微液滴，并与其它反应相形成微流界面体系，最后进入所述塔式反应器内部在催化剂的作用下进行充分反应，并经后续处理以形成不同的反应产物。本系统在使用过程中：塔式反应器内反应压力为现有塔式反应器内部压力的15%-27%，反应温度为现有反应温度的61%-77%，进而极大地减少了反应过程中的能耗和生产成本、降低了投资强度、延长了设备操作周期、确保了反应过程中的本质安全性差，有效地保证了反应成品的工业化大规模生产。可以理解的是，本实施例中的所述的反应为采用塔式反应器进行反应强化的一类反应，因此不具体限定催化剂的种类，其可以为铁系催化剂、钼系催化剂、镍系催化剂、钴系催化剂以及钨系催化剂中的一种或几种组合，只要能够确保强化反应顺利进行即可。
继续参阅图4所示，为本发明实施例的固定床纳微界面强化反应系统，其包括：反应器主体1和纳微界面发生器2；其中，反应器主体1为固定床反应器，用以作为气-液、液-液、液-固、气-液-液、气-液-固以及液-液-固多相反应介质进行反应的反应腔室，以确保所述多相反应介质能够充分反应；纳微界面发生器2分别设置在所述固定床反应器的外部顶端的气相进口和/或液相进口之前和所述固定床反应器内部，用于在所述多相反应介质进入所述固定床反应器之前将所述多相反应介质中的气相和/或液相在所述纳微界面发生器2中通过预设方法破碎成直径为纳米级别的纳微气泡和/或纳微液滴，并与其它反应相形成微流界面体系，以增大反应过程中所述气相和/或液相与液相和/或固相之间的相界传质面积，提高各反应相之间的传质效率，进而实现在预设温度与压强条件下强化所述多项反应的目的。具体的，本实施例中，作为反应原料的气-液或液-液两相反应介质在进入所述固定床反应器之前，先进入所述纳微界面发生器2中通过微通道作用或机械作用破碎成直径为de <1μm的纳米级别的纳微气泡和/或纳微液滴，并与其它反应相形成微流界面体系，最后进入所述固定床反应器内部在催化剂的作用下进行充分反应，并经后续处理以形成不同的反应产物。本系统在使用过程中：固定床反应器内反应压力为现有固定床反应器内部压力的8%-22%，反应温度为现有反应温度的74%-91%，进而极大地减少了反应过程中的能耗和生产成本、降低了投资强度、延长了设备操作周期、确保了反应过程中的本质安全性差，有效地保证了反应成品的工业化大规模生产。可以理解的是，本实施例中的所述的反应为采用固定床反应器进行反应强化的一类反应，因此不具体限定催化剂的种类，其可以为铁系催化剂、钼系催化剂、镍系催化剂、钴系催化剂以及钨系催化剂中的一种或几种组合，只要能够确保强化反应顺利进行即可。
继续参阅图5所示，为本发明实施例的乳化床纳微界面强化反应系统，其包括：反应器主体1和纳微界面发生器2；其中，反应器主体1为乳化床反应器，用以作为气-液、液-液、液-固、气-液-液、气-液-固以及液-液-固多相反应介质进行反应的反应腔室，以确保所述多相反应介质能够充分反应；纳微界面发生器2连接在所述乳化床反应器侧部的气相进口和/或液相进口，且设置数量为两个，其中一个设置在所述乳化床反应器外部、另一设置在所述乳化床反应器内部，用于在所述多相反应介质进入所述乳化床反应器之前将所述多相反应介质中的气相和/或液相在所述纳微界面发生器2中通过预设方法破碎成直径为de<1μm的纳米级别的纳微气泡和/或纳微液滴，并与其它反应相形成微流界面体系，以增大反应过程中所述气相和/或液相与液相和/或固相之间的相界传质面积，提高各反应相之间的传质效率，进而实现在预设温度与压强条件下强化所述多项反应的目的。具体的，本实施例中，作为反应原料的气-液或液-液两相反应介质在进入所述乳化床反应器之前，先进入所述纳微界面发生器2中通过机械作用和场力作用破碎成直径为纳米级别的纳微气泡和/或纳微液滴，并与其它反应相形成微流界面体系，最后进入所述乳化床反应器内部在催化剂的作用下进行充分反应，并经后续处理以形成不同的反应产物。本系统在使用过程中：乳化床反应器内反应压力为现有乳化床反应器内部压力的12%-29%，反应温度为现有反应温度的64%-81%，进而极大地减少了反应过程中的能耗和生产成本、降低了投资强度、延长了设备操作周期、确保了反应过程中的本质安全性差，有效地保证了反应成品的工业化大规模生产。可以理解的是，本实施例中的所述的反应为采用乳化床反应器进行反应强化的一类反应，因此不具体限定催化剂的种类，其可以为铁系催化剂、钼系催化剂、镍系催化剂、钴系催化剂以及钨系催化剂中的一种或几种组合，只要能够确保强化反应顺利进行即可。
继续参阅图6所示，为本发明实施例的悬浮床纳微界面强化反应系统，其包括：反应器主体1和纳微界面发生器2；其中，反应器主体1为悬浮床反应器，用以作为气-液、液-液、液-固、气-液-液、气-液-固以及液-液-固多相反应介质进行反应的反应腔室，以确保所述多相反应介质能够充分反应；纳微界面发生器2连接在所述悬浮床反应器的底端和侧部气相进口和/或液相进口，其设置数量为两个，其中侧部的所述纳微界面发生器2连接在所述悬浮床反应器的外侧，底端的纳微界面发生器2连接在所述悬浮床反应器的内部，同时用于在所述多相反应介质进入所述悬浮床反应器之前将所述多相反应介质中的气相和/或液相在所述纳微界面发生器2中通过预设方法破碎成直径为de <1μm的纳米级别的纳微气泡和/或纳微液滴，并与其它反应相形成微流界面体系，以增大反应过程中所述气相和/或液相与液相和/或固相之间的相界传质面积，提高各反应相之间的传质效率，进而实现在预设温度与压强条件下强化所述多项反应的目的。具体的，本实施例中，作为反应原料的气-液或液-液两相反应介质在进入所述悬浮床反应器之前，先进入所述纳微界面发生器2中通过微通道作用和场力作用破碎成直径为纳米级别的纳微气泡和/或纳微液滴，并与其它反应相形成微流界面体系，最后进入所述悬浮床反应器内部在催化剂的作用下进行充分反应，并经后续处理以形成不同的反应产物。本系统在使用过程中：悬浮床反应器内反应压力为现有传统的悬浮床（浆态床）反应器内部压力的15%-33%，反应温度为现有反应温度的78%-86%，进而极大地减少了反应过程中的能耗和生产成本、降低了投资强度、延长了设备操作周期、确保了反应过程中的本质安全性差，有效地保证了反应成品的工业化大规模生产。可以理解的是，本实施例中的所述的反应为采用悬浮床反应器进行反应强化的一类反应，因此不具体限定催化剂的种类，其可以为铁系催化剂、钼系催化剂、镍系催化剂、钴系催化剂以及钨系催化剂中的一种或几种组合，只要能够确保强化反应顺利进行即可。
继续参阅图7所示，为本发明实施例的沸腾床纳微界面强化反应系统，其包括：反应器主体1和纳微界面发生器2；其中，反应器主体1为沸腾床反应器，用以作为气-液、液-液、液-固、气-液-液、气-液-固以及液-液-固多相反应介质进行反应的反应腔室，以确保所述多相反应介质能够充分反应；纳微界面发生器2连接在所述沸腾床反应器底端和侧部的气相进口和/或液相进口，其设置数量为两个，其中侧部的所述纳微界面发生器2连接在所述悬浮床反应器的内侧，底端的纳微界面发生器2连接在所述悬浮床反应器的外部，同时用于在所述多相反应介质进入所述沸腾床反应器之前将所述多相反应介质中的气相和/或液相在所述纳微界面发生器2中通过预设方法破碎成直径为de <1μm的纳米级别的纳微气泡和/或纳微液滴，并与其它反应相形成微流界面体系，以增大反应过程中所述气相和/或液相与液相和/或固相之间的相界传质面积，提高各反应相之间的传质效率，进而实现在预设温度与压强条件下强化所述多项反应的目的。具体的，本实施例中，作为反应原料的气-液或液-液两相反应介质在进入所述沸腾床反应器之前，先进入所述纳微界面发生器2中通过微通道作用、场力作用或机械作用下破碎成直径为纳米级别的纳微气泡和/或纳微液滴，并与其它反应相形成微流界面体系，最后进入所述沸腾床反应器内部在催化剂的作用下进行充分反应，并经后续处理以形成不同的反应产物。本系统在使用过程中：沸腾床反应器内反应压力为现有沸腾床反应器内部压力的10%-31%，反应温度为现有反应温度的53%-71%，进而极大地减少了反应过程中的能耗和生产成本、降低了投资强度、延长了设备操作周期、确保了反应过程中的本质安全性差，有效地保证了反应成品的工业化大规模生产。可以理解的是，本实施例中的所述的反应为采用沸腾床反应器进行反应强化的一类反应，因此不具体限定催化剂的种类，其可以为铁系催化剂、钼系催化剂、镍系催化剂、钴系催化剂以及钨系催化剂中的一种或几种组合，只要能够确保强化反应顺利进行即可。
此外，本发明所述系统可用于各类加氢反应、氧化反应、氯化反应、羰基化反应以及可燃冰开采等反应过程中，进而形成纳微界面、微纳界面、超纳微界面、微泡生化反应器或微泡生物反应器等设备，用过微混合、微流化、超微流化、微泡发酵、微泡鼓泡、微泡传质、微泡传递、微泡反应、微泡吸收、微泡增氧、微泡接触等工艺或方法，以使物料形成多相微混流、多相微纳流、多相乳化流、多相微结构流、气液固微混流、气液固微纳流、气液固乳化流、气液固微结构流、纳微气泡、纳微气泡流、微泡沫、微泡沫流、微气液流、气液微纳乳化流、超微流、微分散流、两项微混流、微湍流、微泡流、微鼓泡、微鼓泡流、微纳鼓泡以及微纳鼓泡流等微流体，从而提高相间的传质面积，以提高相间的反应效率。
显然，本发明提供的纳微界面强化反应系统，通过在反应器主体上连接纳微界面发生器，在多相反应介质进入反应器主体之前将多相反应介质中的气体和/或液体在纳微界面发生器中通过微通道、场力作用或机械能作用破碎成直径为纳米级别的纳微气泡和/或纳微液滴，有效地增大了反应过程中气相、液相和/或气相、液相以及固相之间的相界传质面积，极大地强化了各反应相在反应过程中的传质效率，进而达到了在预设压强范围内强化反应的目的。
尤其是，本发明提供的纳微界面强化反应系统中，可以根据不同的反应相的自身特性与工艺需求选择不同的纳微界面发生器，进而选择不同的破碎方式，例如通过微通道、场力作用或机械能作用方式对反应介质中的气体和/或液体进行破碎，有效地确保了在多相反应介质进入反应器主体之前对反应介质中气体和/或液体破碎的有效度，保证了反应过程中气相、液相和/或气相、液相以及固相之间的相界传质效率，进一步提升了反应效率。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种纳微界面强化反应系统，其特征在于，包括：
反应器主体,其用以作为气-液、液-液、液-固、气-液-液、气-液-固以及液-液-固多相反应介质进行反应的反应腔室，以确保所述多相反应介质能够充分反应；
纳微界面发生器，其与所述反应器主体相连，用于在所述多相反应介质进入所述反应器主体之前将所述多相反应介质中的气相和/或液相在所述纳微界面发生器中通过机械微结构和/或湍流微结构以预设作用方式破碎成直径为纳米级别的纳微气泡和/或纳微液滴，以增大反应过程中所述气相和/或液相与液相和/或固相之间的相界传质面积、提高传质效率，在预设温度和/或预设压强范围内强化所述多相反应。
2.根据权利要求1所述的纳微界面强化反应系统，其特征在于，所述预设作用方式选自微通道作用方式、场力作用方式以及机械能作用方式中的一种或几种；其中，
所述微通道作用方式通过构造流道的微结构，使通过微流道的气相和/或液相破碎成纳微气泡和/或纳微液滴；
所述场力作用方式是利用外场力作用以非接触的方式为流体输入能量，使所述气相和/或液相破碎成所述纳微气泡和/或纳微液滴；
所述机械能作用方式是利用流体的机械能，将其转换成气泡和/或液滴的表面能，使气泡和/或液滴破碎成所述纳微气泡和/或纳微液滴。
3.根据权利要求2所述的纳微界面强化反应系统，其特征在于，所述微通道作用方式选自机加工微孔法、膜法、微流道法以及微流控法中的一种或几种。
4.根据权利要求2所述的纳微界面强化反应系统，其特征在于，所述场力作用方式包括：压力场作用、超重力场作用、超声波场作用或电磁波场作用。
5.根据权利要求2所述的纳微界面强化反应系统，其特征在于，所述机械能作用方式包括：撞击流破碎法、回旋剪切破碎法、喷雾法或气-液混流泵法。
6.根据权利要求1-5任一所述的纳微界面强化反应系统，其特征在于，所述反应器主体包括：釜式反应器、管式反应器、塔式反应器、固定床反应器或流化床反应器。
7.根据权利要求6所述的纳微界面强化反应系统，其特征在于，所述纳微界面发生器的连接在所述反应器主体的进口端，其设置数量至少为一组。
8.根据权利要求1所述的纳微界面强化反应系统，其特征在于，所述预设压强范围为现有强化反应系统反应所需压力的8%-43%。
9.根据权利要求8所述的纳微界面强化反应系统，其特征在于，所述纳米级别的范围为小于1μm。
10.根据权利要求1-5或7-9任一所述的纳微界面强化反应系统，其特征在于，所述纳微界面强化反应系统可适用于化工、冶金、生物工程、石油化工、医药、环境治理、生化发酵、炼油、水产养殖、精细化工、生物发酵以及矿产开采领域。
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