CN112657439A - 基于多维剪切作用的液-液非均相旋流反应器和反应方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多维剪切作用的液‑液非均相旋流反应器和反应方法。包括：混合反应腔，为一个空腔体，在空腔体侧壁的环向上设置切向的分散相入口；导流体，为圆柱体结构，外侧壁设置若干螺旋状的导向叶片，切向孔位于导向叶片出口的下游位置；溢流嘴，紧挨导流体的液体流出端设置，包括溢流管，溢流管的中轴线与混合反应腔的中轴线重合。借助于该反应器可有效降低分散相液滴的平均尺寸，增大相间接触面积，缩短反应时间，提高目标产物产量。该旋流反应器内无动部件，可有效降低能耗及维修成本，减少占地面积。

Description

基于多维剪切作用的液-液非均相旋流反应器和反应方法

技术领域

本发明属于液-液非均相混合、反应及分离设备技术领域，具体涉及基于多维剪切作用的液-液非均相旋流反应器和反应方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

液-液非均相反应，是指互不相溶的两种液相之间的混合、传递和反应过程，其广泛存在于聚合、降解、纳米材料合成、乳液制备、芳香族化合物的硝化、硫化等化工生产过程中。发明人发现，该类反应的特点是液-液两相互不相溶，相间传质阻力较大，较难达到混合均匀的目的。

液-液非均相反应是通过分散相以液滴的形式分散于连续相中实现的，而分散相液滴的形成及尺寸调控则需利用反应装置来实现。目前工业中应用最广泛的是搅拌釜式反应器，但其机械搅拌过程的混合尺度通常较大，混合时间较长，且搅拌桨附近湍流强度远大于边壁处，易造成混合不均匀。并且，现有技术中在液-液非均相反应中无法实现产物的及时分离，并且不可避免的会导致副反应的发生。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供基于多维剪切作用的液-液非均相旋流反应器和反应方法。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

第一方面，基于多维剪切作用的液-液非均相旋流反应器，包括：

混合反应腔，为一个空腔体，在空腔体侧壁的环向上设置切向孔，为分散相入口；

导流体，为圆柱体结构，外侧壁设置若干螺旋状的导向叶片，切向孔位于导向叶片的沿着液体流出方向的下游位置，切向孔的切向方向与导向叶片的出口切向方向一致；

溢流嘴，紧挨导流体的液体流出端设置，包括溢流管，溢流管的中轴线与混合反应腔的中轴线重合。

第二方面，利用基于多维剪切作用的液-液非均相旋流反应器进行液-液非均相反应方法，具体步骤为：

分散相通过分散相入口由混合反应腔壁面的切向孔进入混合反应腔内，通过切向孔对分散相进行初步剪切形成圆柱状射流，连续相则通过连续相入口进入缓冲腔，流动稳定后，流经导向叶片形成三维剪切流场进入混合反应腔，分散相圆柱状射流在三维剪切流场作用下，射流末端逐渐形成母液滴，液滴脱落后进一步破碎成子液滴，破碎后的分散相子液滴与连续相在混合反应腔内接触混合发生反应；

反应结束后液体混合物进入分离腔，在旋流反应器结构及液体混合密度差的协同作用下，密度较小的液体经过溢流嘴经溢流管排出，密度较大的液体则由底流管排出，从而完成分离过程。

本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：

在单一设备中耦合了混合、反应、分离单元过程，实现了反应器的多功能化，简化了化工生产工艺流程，借助于静部件实现了多维剪切流场的构成，减少由于动部件存在产生的能耗成本和维修成本；且旋流反应器内强效的三维剪切流场加剧了分散相液滴的破碎过程，可有效降低分散相液滴的平均尺寸，增大相间接触面积，缩短反应时间，提高目标产物产量。

通过基于多维剪切作用的液-液非均相旋流反应器，可以克服传统搅拌釜式反应器存在的混合尺度大、混合不均匀等问题；同时该旋流反应器内无动部件，可有效降低能耗及维修成本，混合、反应及分离单元过程的一体化可简化化工生产过程，减少占地面积。旋流反应器内强效的三维剪切流场加剧了分散相液滴的破碎过程，可有效降低分散相液滴的平均尺寸，增大相间接触面积，缩短反应时间，提高目标产物产量。此外，还可根据不同反应体系反应动力学的要求调节导向叶片的叶片数量、出口宽度、切向孔的数量及排布，增大了整个装置的操作弹性和应用范围。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为基于多维剪切作用的液-液非均相旋流反应器的结构图；

图2为基于多维剪切作用的液-液非均相旋流反应器的内部剖视图；

图3为导流体的结构图；

图4为溢流嘴的结构图；

其中，1、混合反应腔，2、切向孔，3、导流体，4、导向叶片，5、溢流嘴固定体，6、溢流管，7、导流管，8、缓冲腔，9、分离腔，10、底流管，11、连续相入口， 12、凹坑。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

基于多维剪切作用的液-液非均相旋流反应器，包括：

混合反应腔，为一个空腔体，在空腔体侧壁的环向上设置切向的分散相入口；

导流体，为圆柱体结构，外侧壁设置若干螺旋状的导向叶片，切向孔位于导向叶片的沿着液体流出方向的下游位置，切向孔的切向方向与导向叶片的出口切向方向一致；

分离腔，为锥形空腔结构，位于混合反应腔的远离缓冲腔的一端，锥形空腔结构的大口端与混合反应腔相接；

溢流嘴，紧挨导流体的液体流出端设置，包括溢流管，溢流管的中轴线与混合反应腔的中轴线重合。

在本发明的一些实施方式中，溢流嘴还包括溢流嘴固定体，溢流嘴固定体为圆柱型结构，溢流管穿过溢流嘴固定体，溢流嘴固定体与导流体紧挨设置。

在本发明的一些实施方式中，流嘴固定体的一端设置凹坑，凹坑位于溢流管的出口端

在本发明的一些实施方式中，溢流嘴固定体和导流体的直径相同。

在本发明的一些实施方式中，导流体还包括导流管，导流管为空心管结构，导流管的一端穿过导流体与溢流管相通连接。

在本发明的一些实施方式中，导流管的一端伸入溢流嘴中，导流管与溢流管通过变径管连接。

在本发明的一些实施方式中，还包括缓冲腔，为空腔结构，缓冲腔位于导向叶片的上端，缓冲腔通过导流体与混合反应腔相接。连续相液体由导向叶片进入混合反应腔之前，需流经缓冲腔以实现流动的稳定。

在本发明的一些实施方式中，缓冲腔的与混合反应腔相对的一端设置连续相入口，导流管穿过缓冲腔设置。

在本发明的一些实施方式中，还包括底流管，为两端开口的空腔结构，底流管的一端与分离腔的小口端相接。

在本发明的一些实施方式中，混合反应腔、缓冲腔为圆柱型结构。

第二方面，利用基于多维剪切作用的液-液非均相旋流反应器进行液-液非均相反应方法，具体步骤为：

分散相通过分散相入口由混合反应腔壁面的切向孔进行混合反应腔内，通过切向孔对分散相进行初步剪切形成圆柱状射流，连续相则通过连续相入口进入缓冲腔，流动稳定后，流经导向叶片形成三维剪切流场进入混合反应腔，分散相圆柱状射流三维剪切流场作用下，射流末端逐渐形成母液滴，液滴脱落后进一步破碎成子液滴，破碎后的分散相子液滴与连续相液体在混合反应腔内接触混合发生反应；

反应结束后液体混合物进入分离腔，在旋流反应器结构及液体混合密度差的协同作用下，密度较小的液体经过溢流嘴经溢流管排出，密度较大的液体则由底流管排出，从而完成分离过程。

如图1、图2和图3所示，基于多维剪切作用的液-液非均相旋流反应器，包括：混合反应腔1，为一个空腔体，在空腔体侧壁的环向上设置切向的分散相入口；导流体3，为圆柱体结构，外侧壁设置若干螺旋状的导向叶片4，切向孔2位于导向叶片4 出口的下游位置；溢流嘴，紧挨导流体3的液体流出端设置，包括溢流管6，溢流管 6的中轴线与混合反应腔1的中轴线重合。导向叶片4的叶片数量和叶片出口角度可根据不同液-液非均相反应体系变化。切向孔2的切向方向与导向叶片4的出口切向方向一致。

旋流反应器，包括连续相入口和分散相入口，在混合反应腔的侧壁环向设置的切向孔2为分散相入口，分散相液体通过切向的分散相入口进入后，经导向叶片改变速度后形成旋转流；

导流体3为圆柱体结构，并且外侧壁设置螺旋状的导向叶片4，这样连续相沿着导向叶片4形成的旋流流道进行流动，使连续相沿着旋流流道的方向进行旋转的流动，形成三维的剪切流场。

分散相入口位于导向叶片出口的下游位置，所以三维的剪切流场流出导流体后，与旋流的分散相流体相遇，并发生剪切的作用。使分散相流体形成一股股圆柱状的射流。然后圆柱状射流在混合反应腔内进行流动，在连续相的三维剪切流场作用下，圆柱状射流的末端逐渐形成保龄球状的液滴，随着液滴的生长，液滴与圆柱状射流形成颈状的液桥，分散相液体通过液桥进入末端的液滴，随着颈部液桥直径逐渐减小，最小颈部位置向射流末端移动直至液桥断裂，液滴脱落，形成母液滴，然后母液滴在剪切力、黏性力和表面张力共同作用下进一步变形破碎，破碎后形成的子液滴与连续相混合接触发生反应。

综上所述，旋流反应器，从分散相在连续相中的尺寸分布、运动形态方面，促进分散相和连续相的相互作用，调控分散相的尺寸，提高相间接触面积，提高反应效率。

反应结束后，液体混合物进入分离腔9中，在分离腔结构及液体混合密度差的协同作用下，密度较小的液体形成内旋流经导流管排出，密度较大的液体形成外旋流由底流管排出，从而完成分离过程。实现了产物的及时分离，避免导致副反应的发生。

如图2和图4所示，溢流嘴还包括溢流嘴固定体5，溢流嘴固定体5为圆柱型结构，溢流管6穿过溢流嘴固定体5，溢流嘴固定体5与导流体3紧挨设置，溢流嘴固定体5的一端设置凹坑12，凹坑12位于溢流管的出口端。

溢流嘴固定体5和导流体3的直径相同。溢流嘴固定体5和导流体3的直径是相同的，有利于液体的流动，设计成圆柱形是因为导叶的内基准面是圆柱面如果不设计成圆柱面会产生流动的漩涡区不利于均匀混合。

凹坑12有助于液流的缓冲，当液流冲击到溢流嘴固定体5时，在凹坑的缓冲下，又形成旋流，沿着溢流管的外壁，流到溢流管的进口，然后通过溢流管排出。

导流体3还包括导流管7，导流管7为空心管结构，导流管7的一端穿过导流体 3与溢流管6相通连接。分离过程结束后密度较小的液体形成内旋流后，经过溢流嘴的溢流管6、导流管排出，导流管7起到导流的作用。

还包括缓冲腔8，为空腔结构，缓冲腔8位于导流体3上端，通过导流体3与混合反应腔1相接。缓冲腔8用于连续相进入时的缓冲作用，连续相进入缓冲腔流动状态稳定后，会从导流体3旋流通道的一端流入旋流通道。

缓冲腔8的与混合反应腔1相对的一端设置连续相入口11通过导流体3连接，导流管 7穿过缓冲腔8设置。密度较小的液体经过导流管7排出旋流反应器。

本发明中分散相入口的直径是与切向孔2的直径和数量相对应的，对于不同的液-液体系，切向孔2的直径和数量会有所改变，分散相入口的直径也会随之发生变化。

还包括底流管10，为两端开口的空腔结构，底流管的一端与分离腔的小口端相接。分离过程结束后密度较大的液体通过底流管排出。

螺旋状的导向叶片4的出口角度不是固定的可根据不同的液-液体系进行修改。

混合反应腔1、缓冲腔8为圆柱型结构。圆柱型结构的内部，液体沿着内侧壁进行旋流流动。

通过旋流反应器，耦合了混合、反应、分离的单元，借助于静部件实现了多维剪切流场的构成，相比于现有的搅拌式反应器，减少了动部件消耗的成本，并且提高了分散相和连续相混合的均匀度，有效降低分散相液滴的平均尺寸，增大相间接触面积，缩短反应时间，提高目标产物产量。

分散相通过分散相入口进入缓冲腔8，然后通过导流体3进入混合反应腔1，连续相通过连续相入口进入混合反应腔1，分散相和连续相混合后，进入分离腔，然后密度较大的液体和密度较小进行分离。

利用基于多维剪切作用的液-液非均相旋流反应器进行液-液非均相反应方法，具体步骤为：

分散相通过分散相入口由混合反应腔壁面的切向孔2进行混合反应腔1内，通过切向孔2对分散相进行初步剪切形成圆柱状射流，连续相则通过连续相入口11进入缓冲腔8，流动稳定后，流经导向叶片4形成三维剪切流场进入混合反应腔1，分散相圆柱状射流在三维剪切流场作用下，射流末端逐渐形成母液滴，液滴脱落后进一步破碎成子液滴，破碎后的分散相子液滴与连续相在混合反应腔内接触混合发生反应；

反应结束后液体混合物进入分离腔9，在旋流反应器结构及液体混合密度差的协同作用下，密度较小的液体经过溢流嘴经溢流管排出，密度较大的液体则由底流管10排出，从而完成分离过程。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于多维剪切作用的液-液非均相旋流反应器，其特征在于：包括：

混合反应腔，为一个空腔体，在空腔体侧壁的环向上设置切向的分散相入口；

导流体，为圆柱体结构，外侧壁设置若干螺旋状的导向叶片，分散相入口位于导向叶片出口的下游位置；

分离腔，为锥形空腔结构，位于混合反应腔的远离缓冲腔的一端，锥形空腔结构的大口端与混合反应腔相接；

溢流嘴，紧挨导流体的液体流出端设置，包括溢流管，溢流管的中轴线与混合反应腔的中轴线重合。

2.如权利要求1所述的基于多维剪切作用的液-液非均相旋流反应器，其特征在于：溢流嘴还包括溢流嘴固定体，溢流嘴固定体为圆柱型结构，溢流管穿过溢流嘴固定体，溢流嘴固定体与导流体紧挨设置。

3.如权利要求1所述的基于多维剪切作用的液-液非均相旋流反应器，其特征在于：溢流嘴固定体和导流体的直径相同。

4.如权利要求3所述的基于多维剪切作用的液-液非均相旋流反应器，其特征在于：流嘴固定体的一端设置凹坑，凹坑位于溢流管的出口端。

5.如权利要求1所述的基于多维剪切作用的液-液非均相旋流反应器，其特征在于：导流体还包括导流管，导流管为空心管结构，导流管的一端穿过导流体与溢流管相通连接；

优选的，导流管的一端伸入溢流嘴中，导流管与溢流管通过变径管连接。

6.如权利要求1所述的基于多维剪切作用的液-液非均相旋流反应器，其特征在于：还包括缓冲腔，为空腔结构，缓冲腔位于导向叶片的上端，缓冲腔通过导流体与混合反应腔相接。

7.如权利要求1所述的基于多维剪切作用的液-液非均相旋流反应器，其特征在于：缓冲腔的与混合反应腔通过导向叶片相连接，导流管穿过缓冲腔设置。

8.如权利要求1所述的基于多维剪切作用的液-液非均相旋流反应器，其特征在于：还包括底流管，为两端开口的空腔结构，底流管的一端与分离腔的小口端相接。

9.如权利要求5所述的基于多维剪切作用的液-液非均相旋流反应器，其特征在于：混合反应腔、缓冲腔为圆柱型结构。

10.利用权利要求1-9任一所述的基于多维剪切作用的液-液非均相旋流反应器进行液-液非均相反应方法，其特征在于：具体步骤为：

分散相通过分散相入口由混合反应腔壁面的切向孔进行混合反应腔内，通过切向孔对分散相进行初步剪切形成圆柱状射流，连续相则通过连续相入口进入缓冲腔，流动稳定后，流经导向叶片形成三维剪切流场进入混合反应腔，分散相圆柱状射流在三维剪切流场作用下，射流末端逐渐形成母液滴，液滴脱落后进一步破碎成子液滴，破碎后的分散相子液滴与连续相液体在混合反应腔内接触混合发生反应；

反应结束后液体混合物进入分离腔，在旋流反应器结构及液体混合密度差的协同作用下，密度较小的液体经过溢流嘴经溢流管排出，密度较大的液体则由底流管排出，从而完成分离过程。

Images