CN112473612A - 一种用于快速强放热反应的新型连续流耦合反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于快速强放热反应的新型连续流耦合反应器，包括反应器壳体；所述反应器壳体内由上至下设有微结构混合器与大通量管式反应器，大通量管式反应器入口与微结构混合器出口相连；微结构混合器用于将反应物料高效的混合与分散，并能精准的控制温度，将均匀混合后的反应物料快速引出至后端大通量管式反应器中进行反应；大通量管式反应器具有内换热管和外换热夹套，提供反应所需换热量。本发明中的新型连续流耦合反应器系统将具有微结构的混合器与大通量管式反应器组合在一起进行合理的优化匹配，在进行大通量操作时，保证反应器具有高效的混合、传质和传热性能的同时，还能通过调整内换热管的不同尺寸和折弯方式实现反应器换热面积的灵活调整。

Description

一种用于快速强放热反应的新型连续流耦合反应器
技术领域
本发明涉及一种化工快速混合与反应设备领域的技术，具体是一种用于快速强放热反应的新型连续流耦合反应器系统。
背景技术
化学反应过程，尤其是快速强放热的非均相反应过程，对反应设备的混合和传递性能提出了很高的要求。传统反应装置常常由于反应体系内流动现象复杂，反应器内温度场和浓度场分布不均匀等问题无法达到理想的反应效果，也导致反应器的操作和对反应条件的精确控制变得十分困难。为了避免这些问题，传统反应过程常常在低负荷、产物大量回流等条件下进行操作以降低反应过程的风险，但是这种做法相对耗时，且有可能带来反应过程效率低、收率低等问题。对受混合和传递控制的反应过程进行过程强化，其关键在于提升反应器的混合、传质和传热能力。
近年来，连续流微反应器技术受到广泛关注并在多个领域进行应用。对于快速强放热的非均相反应过程，单一的连续流微反应器的混合、传质和传热效率仍有提升空间。中国专利CN107551967A和CN107442017A公开了两种强化连续流微反应器混合、传质和传热性能的方法和装置，通过缩小物料进口尺寸和在通道内增加挡板式结构实现过程强化。为了在保证微通道反应器混合、传递性能的基础上增加反应器的处理量，中国专利CN108686593A公开了一种多尺度微结构反应器，采用对撞混合的方式实现高通量下的快速高效混合和反应。
目前，在具有换热能力的连续流管式反应器中，反应物料一般走管程，换热介质走壳层，为实现连续流反应器的大通量操作，一般采用增加通道尺寸和数目的方式，反应器的传热面积随管径的增加减小，导致反应器在进行大通量操作时换热能力不足，反应器内温度分布不均匀，降低反应的选择性。另外，现有技术多采用单一反应器形式，无法同时满足混合、传质、传热和大通量的要求，特别是针对快速强放热的非均相体系，多种反应器形式的耦合显得尤为必要。
发明内容
本发明针对现有反应器技术中返混严重、传质传热速率不高，导致反应效率偏低，对于快速强放热反应，在反应器放大过程中，反应器尺寸的增加导致反应器内热量分布不均导致反应选择性降低，提出一种用于快速强放热反应的新型连续流耦合反应器系统，通过将微结构混合系统和大通量管式反应系统进行合理的优化匹配，在反应器进行大通量操作时，保证反应器具有高效的混合、传质和传热性能，实现反应器内浓度场和温度场的均匀分布，并能实现反应器换热面积的灵活调整。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种用于快速强放热反应的新型连续流耦合反应器，它包括上下连接在一起的、均为夹套式结构的微结构混合器和大通量管式反应器；所述微结构混合器和大通量管式反应器的内腔相互连通，且夹套腔互不连通；在所述微结构混合器的上端和大通量管式反应器的下端分别连接有与内腔相连通的物料进口和物料出口；
在所述微结构混合器外壁的上端部和下端部分别设置有与微结构混合器夹套腔相连通的循环出口管和循环水进口管；在所述微结构混合器的内腔设置有具有微孔结构的流体分散器；
所述大通量管式反应器包括上下连接的内换热组件和外换热组件；在所述外换热组件外壁的上端部和下端部分别设置有与反应器夹套腔相连通的外导热油出口管和外导热油进口管，在所述外换热组件的内腔设置有内换热管；所述内换热管由内换热组件提供换热油，所述内换热组件包括以横置的方式连接在外换热组件与微结构混合器之间的连通管，以及分别连接在连通管两端的内导热油进、出口管；所述连通管内竖直设置有两个隔板，在两个隔板之间的连通管上下管壁上开设有分别与微结构混合器和大通量管式反应器内腔连通的通孔，所述内换热管的进油口与临近内导热油进口管的隔板内侧连接，内换热管的出油口与临近内导热油出口管的隔板内侧连接，且在所述隔板上分别设置有与内换热管连通的通孔。
优选地，所述内换热管的换热管部盘绕在大通量管式反应器的内腔中。
优选地，在所述大通量管式反应器的内腔中设置有多个呈两列均匀设置的盘绕柱，所述内换热管以对向上下往返的方式均匀缠绕在所述盘绕柱上，以致在大通量管式反应器的内腔中所形成的内换热管呈上下斜置的折返状。
优选地，所述的微结构混合器中设置具有微孔结构的流体分散器，微孔尺寸为1～5000微米。
优选地，所述的微结构混合器和大通量管式反应器的特征直径的比为0.35-2。
优选地，所述的微结构混合器和大通量管式反应器中流体的停留时间之比为0.01-0.5。
本发明的原理是：本发明的用于快速强放热反应的新型连续流耦合反应器系统，包括反应器壳体；所述反应器壳体内由上至下设有微结构混合器与大通量管式反应器；所述的微结构混合器用于将反应物料高效的混合与分散，并能精准的控制温度，将均匀混合后的反应物料快速引出至后端大通量管式反应器中进行反应；所述的大通量管式反应器入口与上述微结构混合器出口相连；所述的微结构混合器通过壳程中的换热介质实现控温，所述大通量管式反应器通过内换热管和外换热夹套中的换热介质实现控温；所述的微结构混合器中反应物料在管程内流动，换热介质在壳程中流动，所述的微结构混合器也可为满足密度、粘度等物性相差较大物料均匀混合的需要设置填料、挡板或其他能增加流体混合效果的装置；所述的大通量管式反应器具有内换热管和外换热夹套，提供反应所需换热量；所述的内换热管通过特定形式的弯折以提高单位体积内的换热面积，并通过弯折方式、管径和管长调整换热面积。
本发明的有益效果是：相比于现有技术，本发明的优点在于：
本发明新型连续流耦合反应器系统将具有微结构的混合器与大通量管式反应器组合在一起进行合理的优化匹配，有效的保证了物料在进入大通量管式反应器中反应之前达到均匀的混合，以防止物料浓度分布不均匀而导致的后续反应过程中反应选择性降低，并通过对微结构混合器内温度的精准控制实现物料在混合过程中不发生反应。
本发明新型连续流耦合反应器系统中的大通量管式反应器，通过弯折的内换热管和外换热夹套提高单位反应器体积内的换热面积，满足反应所需的换热量，使反应过程中的温度场分布均匀，防止温度分布不均匀或者温度控制不准而导致的反应选择性降低。
本发明新型连续流耦合反应器系统在进行大通量操作时，保证反应器具有高效的混合、传质和传热性能的同时，还能通过调整内换热管的不同尺寸和折弯方式实现反应器换热面积的灵活调整。
附图说明
图1为本发明新型连续流耦合反应器系统结构示意图。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明的用于快速强放热反应的新型连续流耦合反应器，它包括上下连接在一起的、均为夹套式结构的微结构混合器1和大通量管式反应器2；所述微结构混合器1和大通量管式反应器2的内腔相互连通，且夹套腔互不连通；在所述微结构混合器1的上端和大通量管式反应器2的下端分别连接有与内腔相连通的物料进口3和物料出口4；
在所述微结构混合器1外壁的上端部和下端部分别设置有与微结构混合器夹套腔相连通的循环出口管103和循环水进口管102；在所述微结构混合器1的内腔设置有具有微孔结构的流体分散器101；
所述大通量管式反应器2包括上下连接的内换热组件和外换热组件；在所述外换热组件外壁的上端部和下端部分别设置有与反应器夹套腔204相连通的外导热油出口管206和外导热油进口管205，在所述外换热组件的内腔设置有内换热管201；所述内换热管201由内换热组件提供换热油，所述内换热组件包括以横置的方式连接在外换热组件与微结构混合器1之间的连通管，以及分别连接在连通管两端的内导热油进、出口管202、203；所述连通管内竖直设置有两个隔板，在两个隔板之间的连通管上下管壁上开设有分别与微结构混合器1和大通量管式反应器2内腔连通的通孔，所述内换热管201的进油口与临近内导热油进口管202的隔板内侧连接，内换热管201的出油口与临近内导热油出口管203的隔板内侧连接，且在所述隔板上分别设置有与内换热管连通的通孔。
所述的微结构混合器中设置具有微孔结构的流体分散器，微孔尺寸为1～5000微米；所述的微结构混合器和大通量管式反应器的特征直径的比为0.35-2；所述的微结构混合器和大通量管式反应器中流体的停留时间之比为0.01-0.5。
如图1所示，所述内换热管201的换热管部盘绕在大通量管式反应器2的内腔中，在所述大通量管式反应器2的内腔中设置有多个呈两列均匀设置的盘绕柱，所述内换热管201以对向上下往返的方式均匀缠绕在所述盘绕柱上，以致在大通量管式反应器2的内腔中所形成的内换热管呈上下斜置的折返状，本实施例的内换热管采用这种绕装方式，相比于常规换热结构来说具有两个优势：1、内换热管因为布置均匀，在流体物料经过时可以起到匀料的作用；2、内换热管的这种绕装结构能够是的大通量管式反应器2的内腔在每个横断面的温度差异化较小，有利于流体物料的均匀传热和增加换热效率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于快速强放热反应的新型连续流耦合反应器，其特征在于：它包括上下连接在一起的、均为夹套式结构的微结构混合器(1)和大通量管式反应器(2)；所述微结构混合器(1)和大通量管式反应器(2)的内腔相互连通，且夹套腔互不连通；在所述微结构混合器(1)的上端和大通量管式反应器(2)的下端分别连接有与内腔相连通的物料进口(3)和物料出口(4)；
在所述微结构混合器(1)外壁的上端部和下端部分别设置有与微结构混合器夹套腔相连通的循环出口管(103)和循环水进口管(102)；在所述微结构混合器(1)的内腔设置有具有微孔结构的流体分散器(101)；
所述大通量管式反应器(2)包括上下连接的内换热组件和外换热组件；在所述外换热组件外壁的上端部和下端部分别设置有与反应器夹套腔(204)相连通的外导热油出口管(206)和外导热油进口管(205)，在所述外换热组件的内腔设置有内换热管(201)；所述内换热管(201)由内换热组件提供换热油，所述内换热组件包括以横置的方式连接在外换热组件与微结构混合器(1)之间的连通管，以及分别连接在连通管两端的内导热油进、出口管(202、203)；所述连通管内竖直设置有两个隔板，在两个隔板之间的连通管上下管壁上开设有分别与微结构混合器(1)和大通量管式反应器(2)内腔连通的通孔，所述内换热管(201)的进油口与临近内导热油进口管(202)的隔板内侧连接，内换热管(201)的出油口与临近内导热油出口管(203)的隔板内侧连接，且在所述隔板上分别设置有与内换热管连通的通孔。
2.根据权利要求1所述的用于快速强放热反应的新型连续流耦合反应器，其特征在于：所述内换热管(201)的换热管部盘绕在大通量管式反应器(2)的内腔中。
3.根据权利要求2所述的用于快速强放热反应的新型连续流耦合反应器，其特征在于：在所述大通量管式反应器(2)的内腔中设置有多个呈两列均匀设置的盘绕柱，所述内换热管(201)以对向上下往返的方式均匀缠绕在所述盘绕柱上，以致在大通量管式反应器(2)的内腔中所形成的内换热管呈上下斜置的折返状。
4.根据权利要求1所述的用于快速强放热反应的新型连续流耦合反应器，其特征在于：所述的微结构混合器中设置具有微孔结构的流体分散器，微孔尺寸为1～5000微米。
5.根据权利要求1所述的用于快速强放热反应的新型连续流耦合反应器，其特征在于：所述的微结构混合器和大通量管式反应器的特征直径的比为0.35-2。
6.根据权利要求1所述的用于快速强放热反应的新型连续流耦合反应器，其特征在于：所述的微结构混合器和大通量管式反应器中流体的停留时间之比为0.01-0.5。
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