CN112915940B - 一种微反应器、并联式高效微反应器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微反应器及并联式高效微反应器，二者均将内管构造成具有卡门涡街生成部的管状结构，物料A经过卡门涡街生成部后产生卡门涡街现象，之后将物料B注入此位置，在卡门涡街的作用下使得两物料混合反应充分均匀。本发明在两种物料混合充分的前提下，提高了混合反应效率，进而提高了生产效率。本发明适用于两相混合反应的技术领域。

Description

一种微反应器、并联式高效微反应器及其应用

技术领域

本发明涉及一种微反应器及并联式高效微反应器及其应用。

背景技术

微反应器，即微通道反应器，是一种借助于特殊微加工技术以固体基质制造的可用于进行化学反应的三维结构元件，微反应器通常含有小的通道尺寸和通道多样性，流体在这些通道中流动，并要求在这些通道中发生所要求的反应。这样就导致了在微构造的化学设备中具有非常大的表面积/体积比率，微反应器中可以包含有成百万上千万的微型通道，因此也实现很高的产量。

微反应器具有与大反应器完全不同的特性：狭窄规整的微通道、非常小的反应空间和非常大的比表面积。其几何特性决定了微反应器内流体的传递特性和宏观流动特性，其具有温度控制好、反应器体积小、转化率和收率高及安全性能好等一系列超越传统反应器的独特的优越性，具有广阔的应用前景，如应用于有机合成过程，微米和纳米材料的制备和化学品的生产等领域。

传统微反应器中流体流动通常属于层流，虽然具有很强的方向性、对称性和高度有序性，但是层流也容易导致液液、气液混合不均匀不充分，从而导致反应不彻底。

专利201710532951.7公开了一种液-液多相反应用微反应器，包括同轴的内管和外套管；内管与外套管之间形成环形微通道；内管由外径相同的第一导流管、内膜管和第二导流管依次连接而构成；第一导流管的第一端口设有轻相入口，第二端口与所述内膜管的第一端口导通；内膜管的第二端口与所述第二导流管的第一端口之间封堵，所述第二导流管的第二端口封闭于所述外套管内部；外套管的上侧设有重相入口；所述外套管的一端与所述第一导流管的管壁之间设有堵头，另一端设有产物出口；重相入口与内管的布置使重相流体与轻相流体的接触方式为并流；环形微通道内设有定距结构。从进口1流入并通过膜渗透入环形微通道的流体1与从进口2进入环形微通道的流体2在微通道内混合后发生反应，产物经由产品出口进入下一工艺，此微型反应器可以实现物料的连续反应，但是两种流体混合不够均匀、接触不充分，因此造成反应不够彻底、反应速度低。

发明内容

本发明提供一种微反应器及并联式高效微反应器，解决了现有技术中两相流体不能充分均匀混合，界面接触面积较小的不足。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种微反应器，包括由外而内依次套装的外管、反应管及内管，所述内管具有沿其长度方向间隔设置的卡门涡街生成部，物料A流经反应管和内管之间的空间，物料B经反应管进入反应管和内管之间的空间并与物料A混合，且物料B进入的位置为两卡门涡街生成部之间处。

进一步的，一混料管穿经外管并与反应管连通，且所述混料管与反应管连接的位置位于两卡门涡街生成部之间，并靠近前一卡门涡街生成部处，物料B经混料管进入反应管和内管之间的空间。

进一步的，所述混料管为多根，且间隔连通于反应管内腔。

进一步的，所述反应管包括一微孔膜管，于所述微孔膜管上沿其长度方向间隔构造有与反应管内部空间连通的管状微孔部，各所述管状微孔部位于两卡门涡街生成部之间。

进一步的，各所述卡门涡街生成部沿内管的径向向外凸起，且卡门涡街生成部的轴截面为中部高于两端的圆弧形。

本发明还公开了一种并联式高效微反应器，包括多个内管，及分别套装于多个内管外的多个反应管，所述多个反应管内置于反应器壳体内，冷却介质分别流经各内管和反应器壳体，且物料A经第一料管上的多个支管分别进入各反应管和相对应的内管之间的空间，物料B经第二料管进入各反应管和相对应的内管之间的空间。

进一步的，于所述反应器壳体的两端分别构造有进料腔和出料腔，各所述反应管的两端分别与进料腔和出料腔连通，各内管的两端分别穿出进料腔和出料腔，所述第二料管与进料腔连通，出料管与出料腔连通。

进一步的，各所述内管的进口端经第一均布管连通，第一均布管连接有冷却介质进口管，各内管的出口端经第二均布管连通，第二均布管连接有冷却介质出口管；所述冷却介质进口管连通有与反应器壳体的内腔连通的内腔冷却管，所述内腔冷却管与反应器壳体下端连通的位置靠近出料腔，于反应器壳体的上端且靠近进料腔的位置处连通有冷却管接头。

本发明还公开了上述两种微反应器在加成反应、硝化反应、中和反应、氯化反应、磺化反应和加氢反应中的应用。

本发明由于采用了上述的结构，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：本发明所公开的一种微反应器采用在内管上形成卡门涡街生成部的优势为，物料A沿反应管的长度方向流经反应管和内管之间的空间，当物料A经过卡门涡街生成部后，周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，形成卡门涡街，在卡门涡街生成处物料B通过膜管分散后以微小液滴或气泡进入反应管和内管之间的空间，这样物料A形成漩涡与微小体积的物料B相互融合，极大的提高了物料A和物料B的相接触界面，使得两相物料融合反应充分，提高了反应的效率；本发明所公开的一种并联式高效微反应器，为基于上述的一种微反应器所形成的并联的微反应器，其区别在于将上述的微反应器的外管替换为反应器壳体，这样外冷却主要靠流经反应器壳体内腔的冷却介质，即可实现各个反应管外部的同时冷却，采用并联式的结构，在两种物料混合充分的前提下，提高混合反应效率，进而提高生产效率。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1为本发明实施例一种微反应器的局部结构剖视图；

图2为本发明实施例一种并联式高效微反应器的结构示意图；

图3为本发明实施例一种并联式高效微反应器的结构侧视图；

图4为本发明实施例一种并联式高效微反应器的局部结构剖视图；

图5为本发明实施例一种并联式高效微反应器的另一局部结构剖视图；

图6为本发明实施例另一种微反应器的局部结构剖视图。

标注部件：1-反应器壳体，2-反应器壳体的内腔，3-内管，4-卡门涡街生成部，5-第一均布管，6-冷却介质进口管，7-第二均布管，8-冷却介质出口管，9-反应管，10-第一料管，11-支管，12-内腔冷却管，13-冷却管接头，14-进料腔，15-第二料管，16-出料腔，17-出料管，18-混料管，19-外管，20-管状微孔部。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例公开了一种微反应器，如图1所示，包括由外而内依次套装的外管19、反应管9及内管3，其中，内管3具有沿其长度方向间隔设置的卡门涡街生成部4，混料管18穿经外管19并与反应管9连通；且混料管18与反应管9连接的位置位于两卡门涡街生成部4之间，并靠近前一卡门涡街生成部4处；物料A流经反应管9和内管3之间的空间，物料B经混料管18进入反应管9和内管3之间的空间，并与物料A混合。本发明的工作原理及优势在于：物料A沿反应管9的长度方向流经反应管9和内管3之间的空间，当物料A经过卡门涡街生成部4后，周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，形成卡门涡街，在卡门涡街生成处物料B通过混料管18进入反应管9和内管3之间的空间，这样物料A形成卡门涡街状态与物料B相互融合，使得两相物料融合反应充分，提高了反应的效率。

作为本发明一个优选的实施例，卡门涡街生成部4为沿内管3的径向向外凸起，优选的，卡门涡街生成部4为圆形球壳状或者椭圆形球壳状，卡门涡街生成部4的轴截面为中部高于两端的圆弧形。本实施例为了提高两种物料混合的效率，采用多级混合的方式，混料管18为多根，且间隔连通在反应管9内腔。

本发明上述实施例中的一种微反应器均可应用于加成反应、硝化反应、中和反应、氯化反应、磺化反应和加氢反应。

实施例2

本实施例公开了一种微反应器，如图6所示，反应管9为一微孔膜管，在微孔膜管上沿其长度方向间隔构造有与反应管9内部空间连通的管状微孔部20，各个管状微孔部20位于两卡门涡街生成部4之间，物料A在反应管9与内管3之间流动，物料B在外管19与反应管9之间流动，并且物料B通过管状微孔部20进入反应管9内部并与形成卡门涡街现象的物料A混合，冷却介质A流经内管3的内部，冷却介质B流经外管19的外部。本实施例的优势在于：管状微孔部20起到一个分散作用，更加强化了混合；物料B以小液滴或者小气泡的形式进入，和物料A经过卡门涡街后的漩涡混合，使得混合反应更加充分。

本发明上述实施例中的一种微反应器均可应用于加成反应、硝化反应、中和反应、氯化反应、磺化反应和加氢反应。

实施例3

本实施例公开了一种并联式高效微反应器，如图2-5所示，包括多个内管3，及分别套装于多个内管3外的多个反应管9。其中，多个反应管9内置在反应器壳体1内，冷却介质分别流经各内管3和反应器壳体1，且物料A经第一料管10上的多个支管11分别进入各反应管9和相对应的内管3之间的空间，物料B经第二料管15进入各反应管9和相对应的内管3之间的空间。本发明的工作原理及优势在于：本发明为基于上述的一种微反应器所形成的并联的微反应器，其区别在于将上述的微反应器的外管19替换为反应器壳体1，这样外冷却主要靠流经反应器壳体的内腔2的冷却介质，即可实现各个反应管9外部的同时冷却，采用并联式的结构，在两种物料混合充分的前提下，提高混合反应效率，进而提高生产效率。

作为本发明一个优选的实施例，如图3所示，为了便于物料A均匀充分地供给各个反应管9，并且便于混合反应充分的混合反应物的收集，在反应器壳体1的两端分别构造有进料腔14和出料腔16，各个反应管9的两端分别与进料腔14和出料腔16连通，各根内管3的两端分别穿出进料腔14和出料腔16，第二料管15与进料腔14连通，出料管17与出料腔16连通。

作为本发明一个优选的实施例，如图2-3所示，为了便于冷却介质均匀充分地供给各个内管3，并且便于由各个内管3流出的冷却介质回收，各个内管3的进口端经第一均布管5连通，第一均布管5连接有冷却介质进口管6，各内管3的出口端经第二均布管7连通，第二均布管7连接有冷却介质出口管8。其中，冷却介质进口管6和冷却介质出口管8均为环形管，进而提高均布能力。

作为本发明一个优选的实施例，如图3所示，冷却反应管9内部和外部的冷却介质均为同一介质，并通过同一冷却循环系统提高，具体的，冷却介质进口管6连通有与反应器壳体的内腔2连通的内腔冷却管12，内腔冷却管12与反应器壳体1下端连通的位置靠近出料腔16，在反应器壳体1的上端且靠近进料腔14的位置处连通有冷却管接头13。其中，冷却介质出口管8和冷却管接头13均连接冷却系统的冷却介质回流管道。

本发明上述实施例中的一种并联式高效微反应器，均可应用于加成反应、硝化反应、中和反应、氯化反应、磺化反应和加氢反应。

最后应说明的是：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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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，均应包含在本发明权利要求保护的范围之内。

Claims (4)

1.一种微反应器，其特征在于：包括由外而内依次套装的外管、反应管及内管，所述内管具有沿其长度方向间隔设置的卡门涡街生成部，物料A流经反应管和内管之间的空间，物料B经反应管进入反应管和内管之间的空间并与物料A混合，且物料B进入的位置为两卡门涡街生成部之间处；一混料管穿经外管并与反应管连通，且所述混料管与反应管连接的位置位于两卡门涡街生成部之间，并靠近前一卡门涡街生成部处，物料B经混料管进入反应管和内管之间的空间；所述反应管包括一微孔膜管，于所述微孔膜管上沿其长度方向间隔构造有与反应管内部空间连通的管状微孔部，各所述管状微孔部位于两卡门涡街生成部之间。

2.根据权利要求1所述的一种微反应器，其特征在于：所述混料管为多根，且间隔连通于反应管内腔。

3.根据权利要求1所述的一种微反应器，其特征在于：各所述卡门涡街生成部沿内管的径向向外凸起，且卡门涡街生成部的轴截面为中部高于两端的圆弧形。

4.权利要求1所述的微反应器在加成反应、硝化反应、中和反应、氯化反应、磺化反应和加氢反应中的应用。

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