CN112827440A - 一种双螺旋微通道反应器及反应系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双螺旋微通道反应器及反应系统，该双螺旋微通道反应器包括外筒体和内筒体；在内筒体的外壁上和/或在外筒体的内壁上设置有呈螺旋状布置的第一沟槽和第二沟槽；并且第一沟槽和第二沟槽的螺旋方向相反，在交叉处能够形成湍流混合区；外筒体套设在内筒体外。本发明的双螺旋微通道反应器可以在反应器内形成呈双螺旋形式分布在内筒体上的微通道，并交叉处形成了物料混合反应区，由于通道面积小，流体流动速度快，在混合反应区易形成充分的湍流区，从而可以在第一沟槽和第二沟槽的交叉处形成混合效果好，反应效率高的湍流混合区，解决现有常规反应器生产效率低、反应速度慢的问题，几乎可以适用于所有的工程材料；并且具有便于拆卸、清洗和装配的优点；多个双螺旋微通道反应器之间可以根据工艺要求进行串联或并联组合的模块化设计。

Description

一种双螺旋微通道反应器及反应系统

技术领域

本发明涉及能源动力环保设备相关技术领域，尤其涉及化工、制药设备相关技术领域，具体地说是涉及一种双螺旋微通道反应器及反应系统。

背景技术

21世纪由于环境恶化以及能源枯竭等一系列问题，使化学工业面临前所未有的机遇和挑战，随着科学技术的不断发展，上世纪末以来，微尺度的研究成为了工程技术发展的一个重要趋势。由于微反应器表现出的诸多优点，科学界致力于探索新的反应途径使化工生产更加经济和环保。

微型反应器将混合、换热、催化反应和分离等操作集成在一个反应器中，其独特的结构给它带来了一系列优质的性能，在药物合成、里特反应、硝化甘油、颜料、复配、催化剂、环氧丙烷等工业领域中得到了广发的应用。

但现有常规反应器存在生产效率低、反应速度慢的缺点。

发明内容

为了解决现有常规反应器生产效率低、反应速度慢的缺点，本发明的一个方面公开了一种混合反应速度快、反应过程易于控制的双螺旋微通道反应器。

本发明的双螺旋微通道反应器的主要技术方案在于：

一种双螺旋微通道反应器，其包括外筒体和内筒体；在所述内筒体的外壁上和/或在所述外筒体的内壁上设置有第一沟槽和第二沟槽；所述第一沟槽和所述第二沟槽分别呈螺旋状布置在所述内筒体的外壁和/或所述外筒体的内壁上，并且所述第一沟槽和所述第二沟槽的螺旋方向相反，使得所述第一沟槽和所述第二沟槽的交叉处能够形成湍流混合区；所述外筒体套设在所述内筒体外。

本发明的双螺旋微通道反应器通过在内筒体的外壁上设置螺旋方向相反的呈螺旋状布置的第一沟槽和第二沟槽，可以在反应器内形成呈双螺旋形式分布在内筒体上的微通道，并且在呈双螺旋结构的微通道交叉处形成了物料混合反应区，由于通道面积小，流体流动速度快，在混合反应区易形成充分的湍流区，从而可以在第一沟槽和第二沟槽的交叉处形成混合效果好，反应效率高的湍流混合区，从而解决现有常规反应器生产效率低、反应速度慢的问题。

根据本发明的一个优选实施方式，在所述外筒体的进液端设置有预混合腔。

通过在外筒体的进液端设置预混合腔可以使得进入外筒体的多种物料完成预混合，满足物料混合反应前的预混合需求，物料预混合后再进入微通道进行主混合反应有利于提高后续混合反应的效率。

根据本发明的一个优选实施方式，在所述外筒体的进液端设置有至少一个进液接口；并且所述进液接口沿切向布置在所述外筒体上对应于所述预混合腔的位置处；在所述外筒体的另一端设置有出液接口。

通过将多个进液接口沿切向布置在外筒体上对应于预混合腔的位置处，可以使得物料以切向进入混合腔，提高物料的预混合程度。

根据本发明的一个优选实施方式，在所述内筒体内形成有换热腔。

通过在内筒体内形成换热腔，可以满足反应热量转移的需要。

根据本发明的一个优选实施方式，所述换热腔中插接有一与外界连通的换热管；并且，在所述内筒体上设置有至少一个用于连通所述换热腔内外的换热接口。

通过设置用于使换热腔与外界连通的换热管和换热接口，可以使得气/汽/液态传热介质可以从换热管进入换热腔中，再从换热接口流出，从而使得传热介质在内筒体与换热管间流动，满足反应热量转移的需要。

根据本发明的一个优选实施方式，在所述外筒体的一端设置有第一封板；所述出液接口设置在所述第一封板上；在所述外筒体的另一端与一预混合管的一端相连接；所述预混合管的另一端设置有第一法兰；所述预混合腔形成在所述预混合管内。

根据本发明的一个优选实施方式，所述内筒体位于所述外筒体内的一端设置有第二封板；在所述内筒体位于所述外筒体外一端的外壁上设置有第二法兰；所述第一法兰与所述第二法兰之间密封连接。外筒体和内筒体之间采用法兰进行连接，拆卸方便，连接强度高，严密性好。

根据本发明的一个优选实施方式，在所述内筒体的另一端设置有第三封板；换热管一端穿过所述第三封板插接在换热腔中；换热接口设置在所述第三封板上。

通过采用上述结构可以使得反应器各部件间连接结构简单，拆卸方便，主体部件易于拆卸下来后进行机械清洗，微通道颗粒沉淀物便于去除。

根据本发明的一个优选实施方式，所述外筒体的内壁与所述内筒体的外壁之间呈间隙配合结构。外筒体的内壁和内筒体的外壁之间采用间隙配合，拆装方便；也使得反应器内部构件易于拆卸下来进行机械清洗，微反应器通道不易堵塞，适用于易发生颗粒沉淀的流体。

本发明的另一个方面公开了一种反应系统。

所述反应系统包括多个如上任意一项所述的双螺旋微通道反应器；其中，多个所述双螺旋微通道反应器之间以串联和/或并联的方式相连接。

根据工艺需要，多个双螺旋微通道反应器之间可以通过管道进行多个单元之间的连接，形成反应系统，满足不同反应的需要。

与现有技术相比，本发明实施例的双螺旋微通道反应器及反应系统具有如下有益效果：

本发明实施例的双螺旋微通道反应器及反应系统加工方便、成本低廉，对加工设备要求低，常规机加工设备即可满足加工要求，易于满足需要的加工精度；加热(冷却)介质的间壁式设计，既满足了控制反应的温度的要求，使其易于控制，又避免了对物料的污染及其他危险情况的发生；主体部件表面加工有交错双螺旋沟槽，有非常大的表面积/体积比率，为反应提供流体通道及混合反应场所；微反应器是单独的反应系统，可通过增加微通道数目实现装置的直接并行放大，简单的将微反应器进行平行叠加就可以快速放大，有效地避免了传统反应器放大效应的影响，解决了传统工业化生产和实验室规模之间放大的问题，几乎可以适用于所有的工程材料，特别适用于技术更新快、产品附加值高的微米(纳米)材料的制备及医药生物等产业。

进一步的，本发明实施例的双螺旋微通道反应器及反应系统还具有便于拆卸、清洗和装配的优点。

本发明的一部分附加特性可以在下面的描述中进行说明。通过对以下描述和相应附图的检查或者对实施例的生产或操作的了解，本发明的一部分附加特性对于本领域技术人员是明显的。本发明披露的特性可以通过对以下描述的具体实施例的各种方法、手段和组合的实践或使用得以实现和达到。

附图说明

在此所述的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，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限定。在各图中，相同标号表示相同部件。其中，

图1是根据本发明的一些实施例所示的双螺旋微通道反应器的结构示意图；

图2是根据本发明的一些实施例所示的双螺旋微通道反应器中设置有第一沟槽和第二沟槽的内筒体结构示意图；

图3是根据本发明的一些实施例所示的双螺旋微通道反应器中进液接口设置方式的结构示意图。

附图标记列表

100-外筒体

110-进液接口

120-出液接口

130-第一封板

140-预混合管

150-第一法兰

200-内筒体

210-第一沟槽

220-第二沟槽

230-第二封板

240-第二法兰

250-第三封板

260-湍流混合区

300-预混合腔

400-换热腔

410-换热管

420-换热接口

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，如果本发明的说明书和权利要求书及上述附图中涉及到术语“第一”、“第二”等，其是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，如果涉及到术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本发明中，如果涉及到术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等，其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。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明中，如果涉及到术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”等应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明实施例的一个方面公开了一种双螺旋微通道反应器。

如图1所示，该双螺旋微通道反应器可以包括外筒体100和内筒体200。

其中，如图2所示，在内筒体200的外壁上设置有第一沟槽210和第二沟槽220。第一沟槽210和第二沟槽220分别呈螺旋状布置在内筒体200的外壁上，并且第一沟槽210和第二沟槽220的螺旋方向相反，形成交叉网纹结构，使得第一沟槽210和第二沟槽220的交叉处能够形成湍流混合区260。外筒体100套设在内筒体200外，使得第一沟槽210和第二沟槽220在外筒体100与内筒体200之间能够形成物料微通道。

利用螺旋方向相反的第一沟槽210和第二沟槽220形成的物料微通道，交叉处形成主混合反应区，A、B两种流体在此充分汇集，两种不同的流体在此充分混合、反应，不同流动方向的流体汇入，使得混合区湍动剧烈，从而加速反应，生产效率高。具体的，通过在内筒体200的外壁上设置螺旋方向相反的呈螺旋状布置的第一沟槽210和第二沟槽220，可以在反应器内形成呈双螺旋形式分布在内筒体200上的微通道，并且在呈双螺旋结构的微通道交叉处第一沟槽和第二沟槽的交叉处形成了物料混合反应区，由于通道面积小，流体流动速度快，在混合反应区易形成充分的湍流区，从而可以在第一沟槽和第二沟槽的交叉处形成混合效果好，反应效率高的湍流混合区260，从而解决现有常规反应器生产效率低、反应速度慢的问题。并且，主混合反应区加工方便，加工费用低，精度要求不高，通过在内筒体200的外壁外表面上加工螺旋方向相反的交叉螺纹状凹槽，即可形成螺旋方向相反的第一沟槽210和第二沟槽220。螺纹间距和/或螺纹截面形状可以根据工艺计算确定，满足生产流量及产品指标要求，即不同的工艺条件可以采用调整夹角和/或螺距的方式来满足需要。

示例性的，第一沟槽210和第二沟槽220的截面形状和尺寸可以根据需要任意设置。例如，第一沟槽210和第二沟槽220的截面形状可以采用方形、梯形、半圆形或其它形状。

进一步的，在一些实施例中，如图1所示，在外筒体100的进液端设置有预混合腔300。

其中，在外筒体100的进液端设置有至少一个进液接口110。并且进液接口110沿切向布置在外筒体100上对应于预混合腔300的位置处，如图3所示。在外筒体100的另一端设置有出液接口120。

示例性的，外筒体100的一端封口，另一端连接在一预混合管上。该预混合管的直径大于外筒体100的直径，并且外筒体100与该预混合管同轴设置，使得在外筒体100的另一端形成一段扩大管，该扩大管的内腔即形成为预混合腔300。出液接口120设置外筒体100的封口端。进液接口110设置在扩大管的管壁上。在扩大管远离外筒体100的一端设置有用于与内筒体200连接的第一法兰150。

具体的，如图1所示，在外筒体100的一端设置有第一封板130。示例性的，第一封板130可以通过焊接固定在外筒体100的封口端，将外筒体100封口端封口。出液接口120设置在第一封板130上。

外筒体100的另一端与一预混合管140的一端同轴密封连接，预混合管140的直径大于外筒体100的直降，从而在外筒体100的另一端形成一段扩大管。具体的，外筒体100与预混合管140之间可以通过封板以焊接的方式实现密封连接。由于预混合管140的直径大于外筒体100且大于内筒体200的外径，从而可在预混合管140的内壁与内筒体200的外壁之间形成一腔体，从而形成预混合腔300，使得预混合腔300形成在预混合管140内。预混合管140的另一端设置有第一法兰150。示例性的，预混合管140与第一法兰150之间可以通过焊接连接固定。

通过在外筒体100的进液端设置预混合腔300可以使得进入外筒体100的多种物料完成预混合，满足物料混合反应前的预混合需求，物料预混合后再进入微通道进行主混合反应有利于提高后续混合反应的效率。并且，通过将多个进液接口110沿切向布置在外筒体100上对应于预混合腔300的位置处，可以使得物料以切向进入混合腔，提高物料的预混合程度。

如图1所示，内筒体200位于外筒体100内的一端设置有第二封板230。示例性的，第二封板230可以通过焊接连接固定在内筒体200的封口端，使得内筒体200靠近出液接口120的一端封口。在内筒体200位于外筒体100外一端的外壁上设置有第二法兰240。示例性的，内筒体200与第二法兰240之间可以通过焊接连接固定。第一法兰150与第二法兰240之间密封连接，从而使得外筒体100和内筒体200之间形成反应空间。外筒体100和内筒体200之间采用法兰进行连接，拆卸方便，连接强度高，严密性好。

每个反应器单元内部多采用焊接结构，制造工艺简单，密封可靠，适用范围广，可以使得反应器加工方便、成本低廉，对加工设备要求低，常规机加工设备即可满足加工要求，易于满足需要的加工精度。

在一些实施例中，外筒体100的内壁与内筒体200的外壁之间呈间隙配合结构。外筒体100的内壁和内筒体200的外壁之间采用间隙配合，拆装方便。也使得反应器内部构件易于拆卸下来进行机械清洗，微反应器通道不易堵塞，适用于易发生颗粒沉淀的流体。

进一步的，在一些实施例中，如图1所示，在内筒体200内形成有换热腔400。通过在内筒体200内形成换热腔400，可以满足反应热量转移的需要。

其中，换热腔400中插接有一与外界连通的换热管410。并且，在内筒体200上设置有至少一个用于连通换热腔400内外的换热接口420。

示例性的，在内筒体200远离出液接口120的一端设置有第三封板250。示例性的，第三封板250可以通过焊接固定在内筒体200远离出液接口120的一端，使其封口，从而使得内筒体200内部空腔形成为换热腔400。换热管410一端穿过第三封板250插接在换热腔400中。换热接口420设置在第三封板250上。使用时，换热管410和换热接口420用于提供传热介质和将换热腔400中的传热介质排出。

通过设置用于使换热腔400与外界连通的换热管410和换热接口420，可以使得气/汽/液态传热介质可以从换热管410进入换热腔400中，再从换热接口420流出，从而使得传热介质在内筒体200与换热管410间流动，满足反应热量转移的需要。

本发明实施例的双螺旋微通道反应器使用时，原料通过进液接口110进入预混合腔300进行初步预混合，然后进入螺旋方向相反的呈螺旋状布置的第一沟槽210和第二沟槽220两向螺旋通道，由反应器的一端流向另外一端，期间在混合反应区实现充分的混合、反应，由于第一沟槽210和第二沟槽220两向螺旋通道旋转方向相反，交叉处形成混合反应区，双向流入的流体在此激烈交汇，剧烈湍动，加剧了混合反应的程度，提高了效率；混合反应后的物流进入内筒体200和外筒体100之间的收集腔后，由出出液接口120流出，前往下一道工序。

当物料进入第一沟槽210和第二沟槽220形成的双螺旋微通道的时候，可以根据工艺的需要通过换热管410通入作为传热介质的冷或热流体，以满足工艺所需要的传热要求。传热介质从换热管410入口进入反应器，在内筒体200的内壁与反应物料进行间壁换热，满足热量交换的需要，控制所需要的温度，随后经过换热接口420流出反应器。

本发明实施例的双螺旋微通道反应器可以带来的有益效果包括但不限于以下内容：

本发明实施例的双螺旋微通道反应器加工费用低、使用寿命长、操作成本低、密封可靠的微型反应器，以满足化工、制药等领域的需要。

其具有以下特点：

(1)每个反应器单元内部多采用焊接结构，制造工艺简单，密封可靠，适用范围广。

(2)反应器单元之间可以采用法兰进行连接，拆卸方便，连接强度高，严密性好。

(3)双螺旋交叉区是主混合反应区，两种不同的流体在此充分混合，不同流动方向的流体汇入，使得混合区湍动剧烈，生产效率高。

(4)各部件间连接结构简单，拆卸方便，主体部件易于拆卸下来后进行机械清洗，微通道颗粒沉淀物便于去除。

(5)主混合反应区加工方便，加工费用低，精度要求不高，内筒外表面加工成交叉螺纹状，螺纹间距及螺纹截面形状根据工艺计算确定，满足生产流量及产品指标要求。

(6)反应区入口处设置预混合管，原料切向进入混合箱，实现物料的预混合，提高后续混合反应效率。

综上所述，本发明实施例的双螺旋微通道反应器及反应系统加工方便、成本低廉，对加工设备要求低，常规机加工设备即可满足加工要求，易于满足需要的加工精度；加热(冷却)介质的间壁式设计，既满足了控制反应的温度的要求，使其易于控制，又避免了对物料的污染及其他危险情况的发生；主体部件表面加工有交错双螺旋沟槽，有非常大的表面积/体积比率，为反应提供流体通道及混合反应场所；微反应器是单独的反应系统，可通过增加微通道数目实现装置的直接并行放大，简单的将微反应器进行平行叠加就可以快速放大，有效地避免了传统反应器放大效应的影响，解决了传统工业化生产和实验室规模之间放大的问题，几乎可以适用于所有的工程材料，特别适用于技术更新快、产品附加值高的微米(纳米)材料的制备及医药生物等产业。并且，还具有便于拆卸、清洗和装配的优点。

另外，在一些实施例中，第一沟槽210和第二沟槽220可以分别呈螺旋状布置在外筒体100的内壁上，并且第一沟槽210和第二沟槽220的螺旋方向相反。其余结构与上述实施例相同。

此外，在另一些实施例中，可以在内筒体200的外壁上和外筒体100的内壁上均设置有第一沟槽210和第二沟槽220。内筒体200的外壁上的第一沟槽210和第二沟槽220呈螺旋状布置在内筒体200的外壁上，并且第一沟槽210和第二沟槽220的螺旋方向相反。外筒体100的内壁上的第一沟槽210和第二沟槽220呈螺旋状布置在外筒体100的内壁上，并且第一沟槽210和第二沟槽220的螺旋方向相反。其余结构与上述实施例相同。

在一些实施例中，多个本发明实施例的双螺旋微通道反应器可以根据工艺要求进行串联和/或并联组合的模块化设计，形成反应系统。

示例性的，多个所述双螺旋微通道反应器之间可以以串联和/或并联的方式相连接，形成反应系统。

例如，本发明实施例的另一个方面公开了一种反应系统。

该反应系统包括多个如上任意一项的双螺旋微通道反应器。其中，相邻的双螺旋微通道反应器之间通过管道相连接，形成多级反应器式的反应系统。

根据工艺需要，多个双螺旋微通道反应器之间可以通过管道进行上下单元之间的连接，形成多级反应器式的反应系统，可以满足多级反应的需要。

需要注意的是，本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

另外，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种双螺旋微通道反应器，其特征在于，所述双螺旋微通道反应器包括外筒体(100)和内筒体(200)；

在所述内筒体(200)的外壁上和/或在所述外筒体(100)的内壁上设置有第一沟槽(210)和第二沟槽(220)；所述第一沟槽(210)和所述第二沟槽(220)分别呈螺旋状布置在所述内筒体(200)的外壁和/或所述外筒体(100)的内壁上，并且所述第一沟槽(210)和所述第二沟槽(220)的螺旋方向相反，使得所述第一沟槽(210)和所述第二沟槽(220)的交叉处能够形成湍流混合区；

所述外筒体(100)套设在所述内筒体(200)外。

2.根据权利要求1所述的双螺旋微通道反应器，其特征在于，在所述外筒体(100)的进液端设置有预混合腔(300)。

3.根据权利要求2所述的双螺旋微通道反应器，其特征在于，在所述外筒体(100)的进液端设置有至少一个进液接口(110)；并且所述进液接口(110)沿切向布置在所述外筒体(100)上对应于所述预混合腔(300)的位置处；

在所述外筒体(100)的另一端设置有出液接口(120)。

4.根据权利要求1所述的双螺旋微通道反应器，其特征在于，在所述内筒体(200)内形成有换热腔(400)。

5.根据权利要求4所述的双螺旋微通道反应器，其特征在于，所述换热腔(400)中插接有一与外界连通的换热管(410)；并且，在所述内筒体(200)上设置有至少一个用于连通所述换热腔(400)内外的换热接口(420)。

6.根据权利要求3或5所述的双螺旋微通道反应器，其特征在于，在所述外筒体(100)的一端设置有第一封板(130)；所述出液接口(120)设置在所述第一封板(130)上；

所述外筒体(100)的另一端与一预混合管(140)的一端密封连接；所述预混合管(140)的另一端设置有第一法兰(150)；

所述预混合腔(300)形成在所述预混合管(140)内。

7.根据权利要求6所述的双螺旋微通道反应器，其特征在于，所述内筒体(200)位于所述外筒体(100)内的一端设置有第二封板(230)；

在所述内筒体(200)位于所述外筒体(100)外一端的外壁上设置有第二法兰(240)；

所述第一法兰(150)与所述第二法兰(240)之间密封连接。

8.根据权利要求7所述的双螺旋微通道反应器，其特征在于，在所述内筒体(200)的另一端设置有第三封板(250)；

换热管(410)一端穿过所述第三封板(250)插接在换热腔(400)中；换热接口(420)设置在所述第三封板(250)上。

9.根据权利要求1所述的双螺旋微通道反应器，其特征在于，所述外筒体(100)的内壁与所述内筒体(200)的外壁之间呈间隙配合结构。

10.一种反应系统，其特征在于，所述反应系统包括多个权利要求1至9之一所述的双螺旋微通道反应器；

其中，多个所述双螺旋微通道反应器之间以串联和/或并联的方式相连接。

Images