CN113398858B - 一种光化学反应器 - Google Patents

Abstract

公开了一种光化学反应器，光化学反应器中，光源提供可调节的光辐射，光源设在反射暗箱中；第一渐变区段位于内管壁靠近输入流体的第一端，其在涡旋流管的纵向上具有第一长度和第一横截面，第一横截面随着第一渐变区段在纵向上扭转第一预定角度的同时由半径为R的圆形光滑渐变为叶片形状，第一横截面随着第一渐变区段在纵向上非线性渐变地扭转第一预定角度,第三横截面随着第二渐变区段在纵向上扭转第三预定角度的同时由叶片形状光滑渐变为半径为R的圆形，第三横截面随着第二渐变区段在纵向上非线性渐变地扭转第三预定角度，第三横截面的横截面面积保持不变，测量单元设在管式反应单元中。

Description

一种光化学反应器

技术领域

本发明涉及光化学反应技术领域，特别是一种光化学反应器。

背景技术

当今化学工业，特别是有机合成工业已经成为社会经济发展的一项重要助力。化工产品为人们提供了各式各样的生活所需品。然而目前环境日益恶化，资源储备不足的情况下，可持续发展的“绿色化学”理念变成了化学工程行业发展的重要指导方向。光化学反应就被认为是一类适用于绿色化学概念的反应。它利用光能而不是热能来活化分子，所以不需要通过加热为反应提供能量，使得光化学反应能在室温情况下就能有效迅速的进行。它为化学工业提供了更安全的操作环境以及节约了石油燃料的使用。光化学反应的另一优势是可以通过不同光波波长来选择性激活特定基团并使其反应形成目标产物。相比于传统热反应，光化学反应大多不需要进行基团保护与基团复原的过程，从而大幅度缩短有机合成的线路，节约了大量合成资源，并提高了原子经济性。因此光化学反应在有机合成中非常重要。

目前工业上大部分药品以及特殊化学品的制造依靠的是间歇式反应釜，如2000升釜式反应器。对于光化学反应来说，反应物需要暴露在光辐射下。由于光子传输的衰减效应，直接放大尺寸的方法将使得光无法渗透进入釜式反应器中反应混合物内部。同时，为了使内部反应物充分反应，过度曝光以及过度机械搅拌的操作方式所带来的热量，将形成副产物以及降低反应产率。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种光化学反应器，其使得光化学反应能够连续性生产并维持更高的反应效率。当反应物料被流动载体运输经过此涡旋流管时，流体内将产生特定形态的涡旋流。涡旋流流场具有加强多相流混合，实现流动体内物质的重新分布，更加均匀且靠近管壁，从而更好的接受到光源辐射，提高相内相间的物质交换，使得反应物质能够最大程度的获得有效辐射，提高反应速率和产率。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。

一种光化学反应器包括，

反射暗箱；

光源，其提供可调节的光辐射，所述光源设在所述反射暗箱中；

管式反应单元，其设在所述反射暗箱内以被所述光辐射照射，所述管式反应单元包括进口管道、出口管道以及设在进口管道和出口管道之间的透明的反应管道，所述反应管道包括至少一个生成涡旋流的涡旋流管，其中，

所述涡旋流管包括结构本体以及设在结构本体的内管壁，结构本体一端输入流体，另一端输出涡旋流流体，所述内管壁包括，

第一渐变区段，其位于内管壁靠近输入流体的第一端，其在涡旋流管的纵向上具有第一长度和第一横截面，所述第一横截面随着所述第一渐变区段在纵向上扭转第一预定角度的同时由半径为R的圆形光滑渐变为叶片形状，所述第一横截面随着所述第一渐变区段在纵向上非线性渐变地扭转第一预定角度，所述叶片形状包括边长2r的正方形以及在正方形各边上延伸的半径为r的半圆，所述第一横截面的横截面面积保持不变，

涡旋流区段，其连接所述第一渐变区段，所述涡旋流区段在涡旋流管的纵向上具有第二长度和第二横截面，所述第二横截面随着所述涡旋流区段在纵向上扭转第二预定角度，所述第二横截面为所述叶片形状，

第二渐变区段，其连接所述涡旋流区段且位于内管壁相反于第一端的第二端，所述第二渐变区段在涡旋流管的纵向上具有第三长度和第三横截面，所述第三横截面随着所述第二渐变区段在纵向上扭转第三预定角度的同时由所述叶片形状光滑渐变为半径为R的圆形，所述第三横截面随着所述第二渐变区段在纵向上非线性渐变地扭转第三预定角度，所述第三横截面的横截面面积保持不变；

测量单元，其设在所述管式反应单元中，所述测量单元包括测量温度的温度传感器、测量流体流速的流速传感器、测量光学参数的光学传感器、测量流体浓度的浓度传感器和/或测量管式反应单元压力的压力传感器。

所述的光化学反应器中，第一横截面扭转角度基于α过渡曲线渐变，其中，

L1为第一长度，x1为第一横截面在长度方向上的位置坐标。

所述的光化学反应器中，所述第三横截面扭转角度基于α过渡曲线渐变，其中，

L3为第三长度，x3为第三横截面在长度方向上的位置坐标。

所述的光化学反应器中，第一横截面扭转角度和/或第三横截面扭转角度基于维托辛斯基曲线或者余弦函数渐变。

所述的光化学反应器中，结构本体为直管，半径R为0.01m到100m，所述第一长度、第二长度和第三长度之和与半径R之比为8∶1。

所述的光化学反应器中，所述第一预定长度为结构本体长度的四分之一，所述第二预定长度为结构本体长度的二分之一，所述第三预定长度为结构本体长度的四分之一。

所述的光化学反应器中，所述第一预定角度为90度，第二预定角度为180度，第三预定角度为90度，所述第一长度或第三长度与第二长度的比等于所述第一预定角度或第三预定角度与第二预定角度的比。

所述的光化学反应器中，所述反应管道包括多个透明的通管以及多个涡旋流管，所述涡旋流管两端分别连接通管，所述流体为气液、气固、液液或液固形态，所述通管为直管、扩张管、收缩管或者弯管。

所述的光化学反应器中，所述反应管道为围绕光源的透明螺旋状弯管。

所述的光化学反应器中，所述的光化学反应器还包括控制单元，进口管道和出口管道分别设有控制阀，控制单元连接所述测量单元、光源和控制阀，响应于测量单元的测量数据控制所述控制阀的通断及开度大小和/或光源的光学参数。

所述的光化学反应器中，所述第一长度、第二长度和第三长度之和与半径R之比为16:1至4:1。

所述的光化学反应器中，涡旋流管包括第一渐变区段、n个涡旋流区段和第二渐变区段，n为大于1的自然数。

所述的光化学反应器中，所述第一预定角度为90度，第二预定角度为n个180度，第三预定角度为90度。

所述的光化学反应器中，所述第一预定角度、第二预定角度和第三预定角度总和为n+1个180度。

技术效果

本发明采用自身结构诱导产生涡旋流，无需外部能源供给。无向管道内部伸出的部件，不会对管路造成堵塞，不会对管路操作和维护带来困难。本发明有针对性的在合适部位重复安装了涡旋流管，保证整个光化学反应器都处于涡旋流状态，充分达到涡旋流管增加混合效果，促进光能吸收，提高反应速率和产率的目的。

使用了涡旋流管后，可以在不提高整体运行速度的情况下，或者使用较低的流动速度时，提高整体光化学反应速率和转化率。除了提高光学化学反应速率和产率外，涡旋流管可以提高物料的混合，提高热量传递和物质传递，从而提高非光化学反应的速率和产率。即使用同样或更少的原料，以更地的运行成本，如较低的输送速度，较低的加热温度，产生更多化学产物，本发明提供的涡旋流管可以使用串联或者并联的方式，在保证反应收率的情况下扩大或者缩小产量。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书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。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是本发明的一个实施例的光化学反应器结构示意图；

图2是本发明的一个实施例的光化学反应器的涡旋流管结构示意图；

图3是本发明的一个实施例的光化学反应器的涡旋流管结构示意图；

图4是光化学反应器的涡旋流管的渐变区段中某一过渡阶段位置内壁截面示意图；

图5是光化学反应器的涡旋流管的渐变区段中渐变完成后完整的叶片形状截面示意图；

图6是本发明一个实施例的光化学反应器的涡旋流管的不同的渐变方式的对比示意图；

图7是本发明的一个实施例的光化学反应器结构示意图；

图8(a)至图8(b)为管式反应单元中颗粒的分布对比示意图，其中，图8(a)为现有技术中颗粒的分布示意图，图8(b)为本发明的涡旋流管后的通管中颗粒的分布示意图；

图9是本发明的一个实施例的α过渡曲线和使用维托辛斯基曲线的非线性渐变和普通的线性渐变的切向速度对比示意图；

图10是本发明的一个实施例的α过渡曲线和使用维托辛斯基曲线的非线性渐变和普通的线性渐变的壁面剪切力对比示意图；

图11是本发明的一个实施例的α过渡曲线和使用维托辛斯基曲线的非线性渐变和普通的线性渐变的压力损失对比示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1至图11更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及附图中的术语，即使记载有“第一”、“第二”等，其仅仅是用于区别一些对象而已，而并非用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语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，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。

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发明的示例性实施方式。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。

此外，为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在/位于……之上/下”、“在/位于……上端/下端”、“在/位于……上表面”、“……上面的”等，用来描述一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在本发明所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在/位于……下端”可以包括“在……下端”和“在……上端”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、纵向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的、或者常规放置情况下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化此种描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；类似的，方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，如图1至图3所示，一种光化学反应器包括，

反射暗箱6；

光源11，其提供可调节的光辐射，所述光源11设在所述反射暗箱6中；

管式反应单元7，其设在所述反射暗箱6内以被所述光辐射照射，所述管式反应单元7包括进口管道8、出口管道9以及设在进口管道8和出口管道9之间的透明的反应管道，所述反应管道包括至少一个生成涡旋流的涡旋流管10，其中，

所述涡旋流管包括结构本体1以及设在结构本体1的内管壁，结构本体1一端输入流体，另一端输出涡旋流流体，所述内管壁包括，

第一渐变区段3，其位于内管壁靠近输入流体的第一端，其在涡旋流管的纵向上具有第一长度和第一横截面，所述第一横截面随着所述第一渐变区段在纵向上扭转第一预定角度的同时由半径为R的圆形光滑渐变为叶片形状，所述第一横截面随着所述第一渐变区段在纵向上非线性渐变地扭转第一预定角度，所述叶片形状包括边长2r的正方形以及在正方形各边上延伸的半径为r的半圆，所述第一横截面的横截面面积保持不变，

涡旋流区段4，其连接所述第一渐变区段3，所述涡旋流区段4在涡旋流管的纵向上具有第二长度和第二横截面，所述第二横截面随着所述涡旋流区段在纵向上扭转第二预定角度，所述第二横截面为所述叶片形状，

第二渐变区段5，其连接所述涡旋流区段且位于内管壁相反于第一端的第二端，所述第二渐变区段5在涡旋流管的纵向上具有第三长度和第三横截面，所述第三横截面随着所述第二渐变区段在纵向上扭转第三预定角度的同时由所述叶片形状光滑渐变为半径为R的圆形，所述第三横截面随着所述第二渐变区段在纵向上非线性渐变地扭转第三预定角度，所述第三横截面的横截面面积保持不变，进一步地，所述第一横截面、第二横截面和第三横截面的横截面面积相同；

测量单元12，其设在所述管式反应单元7中，所述测量单元12包括测量温度的温度传感器、测量流体流速的流速传感器、测量光学参数的光学传感器、测量流体浓度的浓度传感器和/或测量管式反应单元压力的压力传感器。

所述的光化学反应器的优选实施例中，第一横截面扭转角度基于α过渡曲线渐变，其中，

L1为第一长度，x1为第一横截面在长度方向上的位置坐标。

所述的光化学反应器的优选实施例中，所述第三横截面扭转角度基于α过渡曲线渐变，其中，

L3为第三长度，x3为第三横截面在长度方向上的位置坐标。

所述的光化学反应器的优选实施例中，第一横截面扭转角度和/或第三横截面扭转角度基于维托辛斯基曲线或者余弦函数渐变。

所述的光化学反应器的优选实施例中，结构本体1为直管，半径R为0.01m到100m，所述第一长度、第二长度和第三长度之和与半径R之比为8∶1。

所述的光化学反应器的优选实施例中，所述第一预定长度为结构本体1长度的四分之一，所述第二预定长度为结构本体1长度的二分之一，所述第三预定长度为结构本体1长度的四分之一。

所述的光化学反应器的优选实施例中，所述第一预定角度为90度，第二预定角度为180度，第三预定角度为90度。

所述的光化学反应器的优选实施例中，所述第一长度或第三长度与第二长度的比等于所述第一预定角度或第三预定角度与第二预定角度的比。

所述的光化学反应器的优选实施例中，所述反应管道7包括多个透明的通管2以及多个涡旋流管10，所述涡旋流管两端分别连接通管2，所述流体为气液、气固、液液或液固形态，所述通管为直管、扩张管、收缩管或者弯管。

所述的光化学反应器的优选实施例中，所述反应管道为围绕光源11的螺旋状弯管。

所述的光化学反应器的优选实施例中，所述的光化学反应器还包括控制单元，进口管道8和出口管道9分别设有控制阀，控制单元连接所述测量单元12、光源11和控制阀，响应于测量单元12的测量数据控制所述控制阀的通断及开度大小和/或光源11的光学参数。

所述的光化学反应器的优选实施例中，所述涡旋流管10为透明结构。

所述的光化学反应器的优选实施例中，所述反射暗箱6的侧壁设有反射光的反射面。

所述的光化学反应器的优选实施例中，所述光学传感器设在反射暗箱6内。

所述的光化学反应器的优选实施例中，所述光学传感器包括光强传感器。

所述的光化学反应器的优选实施例中，所述光源11包括UV光源。

在一个实施例中，光化学反应器包括，

光源11，用于提供足够的光辐射。

反射暗箱6,内壁有反射面，反应器存放在暗箱中，使得未直射反应区域的光辐射能通过暗箱内壁反射，达到反应区域。

进口管道8，用于反应物进料。

涡旋流管10，其一端连接所述进口管道，另一端连接透明反应区域管，使得反应物经由涡旋流管流入反应区域。

反应区域，透明玻璃管或者塑料管，为反应物接受光照进行反应的区域。

出口管道9，用于输出反应产物。

当光化学反应需要降温时，可添加水浴或空气冷却的温度调节单元。

在一个实施例中，其中光源11用于提供足够的光辐射。反射暗箱(内壁有反射面)用来放置透明管道，并使得未直射反应区域的光辐射能通过暗箱内壁反射，达到反应区域。进口管道8用于反应物进料。涡旋流管一端连接所述进口管道，另一端连接透明反应区域管，使得反应物经由涡旋流管流入反应区域。反应区域为透明玻璃管或者塑料管，为反应物流动并接受光照进行反应的区域。出口管道9，用于输出反应产物。在一个实施例中，如图4至图5所示，在第一渐变区段3和第二渐变区段5的管内壁截面形状从圆形渐变到叶片形状截面的过程中，截面沿轴向顺时针或逆时针转过一定的预设角度。在渐变区中某一过渡阶段的管内壁截面如图4所示，渐变完成后完整的叶片形状截面如图5所示，其中Rcs为渐变完成后的内部正方形外切圆的直径。R为渐变过程中内部正方形外切圆的直径。rf为渐变完成后叶片状扇形的半径，r为渐变过程中叶片状扇形的半径。A为叶片状扇形的圆心，O为渐变完成后内部正方形外切圆的圆心，BDEF为渐变完成后内部正方形的四个顶点，C用来表示圆弧BCD。y为A到方形外切圆中心O的距离。γ为叶片状扇形半径与正方形竖直边(FB)所成的角度。当截面为圆形时γ为45°，当截面为完整的叶片形状时，γ为90°。当γ角度从45°逐渐增加至90°时，可形成一系列的过渡截面。这些截面在沿轴向渐变的过程中，顺时针(或逆时针)转过预定的角度，图例中顺时针扭转90°。若各截面在沿轴向顺时针旋转的过程中，截面间的间距变化是均匀的，则这种过渡方式成为线性过渡。

如图6所示，其中，x为距离过渡管中圆形截面的截面位置坐标，L为过渡管的长度，γ为叶片状扇形半径与正方形竖直边FB所成的角度。当x位于圆形截面处时，x＝0，故x/L＝0，此时γ为45°；当x位于完整的叶片形状时，x＝L，故x/L＝1，此时γ为90°，当截面为圆形时γ为45°，当截面为完整的叶片形状时，γ为90°。当γ角度从45°逐渐增加至90°时，可形成一系列的过渡截面。这些截面在沿轴向渐变的过程中，顺时针或逆时针转过预定的角度，例如图例中顺时针扭转90°。本发明为了产生更大的涡流强度并减小沿程压力损失，可在渐变区段的起始段和结束段设计过渡更加平滑流畅的过渡方式，即单位距离内转过的角度更小。如基于余弦函数的α过渡曲线，或使用维托辛斯基曲线(Vitosinski curve)。其中，

所述的涡旋流管10中，所述第一长度、第二长度和第三长度之和与半径R之比为8∶1，这是建立在涡旋流管10产生的涡流强度与自身造成压力损失的比值的基础上的。即用最小的压力损失产生最大的涡旋流强度。

在一个实施例，光化学反应器可竖直或水平放置。反应物质进入反应器后，流经涡旋流管时会产生涡旋流，使得反应物质分布更均匀。同时涡旋流可以增加气液，气固，液液，液固，气液固相之间的混合，提高反应速率。诱导产生的涡旋流可以在下游持续30-300倍直径以上的距离，由载体种类和流速决定。在这段区域内，反应迅速发生，减少副产物，提高产能。反应物质经过弯管进入下一段试管后，经由涡旋流管再次诱导产生所需的涡旋流，如此循环，使得整个反应器中的物质流动都处于涡旋流状态，提高整体反应速率，产率以及能量利用率。

如图7所示，在一个实施例，涡旋流管10沿轴向弯曲90°形成弯管。除此之外，可根据需要将涡旋流管沿轴向弯曲180°，270°或其他满足安装要求的角度。以180°为例，涡旋流管弯曲180°。

如图8所示，其中，图8(a)为现有技术中颗粒的分布示意图，图8(b)为本发明的涡旋流管后的通管中颗粒的分布示意图，图8(a)至图8(b)中纵轴为每个颗粒，使用不同的颜色来区分颗粒，横轴为流动时间。气固两相流在普通圆管和带有涡旋流管的管道中输送时，颗粒物在管内壁上的颗粒物分布浓度对比，现有技术中没有涡旋流管时，密度大于气体的颗粒会在重量的作用下沉降堆积在管底部，一方面减少了底部光源的透光率，减弱了辐射能。另一方面减少了反应颗粒物的相对暴露面积，不利于气固两相混合并发生反应。当使用涡旋流管后，颗粒物在管内壁上的分布更加均匀，使光源与颗粒物充分接触吸收光能，从而提高反应的速率和产率。颗粒物未到达涡旋流管/对比直管时，管底部浓度较大，大部分颗粒沿管底部摩擦流动，颗粒物流经涡旋流管时，涡旋流管诱导产生的切向速度和湍动能使得颗粒物重新悬浮在管道空间，涡旋流管后，颗粒物呈均匀分布。

采用非线性的过渡方式，相较于线性过渡，可以提供更平滑的过渡，避免由于管道截面形状发生较大变化而产生的局部涡流和边界层分离，造成更大的局部压力损失，并且影响由圆形截面过渡到叶片式截面时由于边界层脱落造成的壁面剪切力的削弱。为了说明本发明的非线性渐变提升的涡流强度，仿真不同流速如图9所示，图中给出了如基于余弦函数的α过渡曲线和使用维托辛斯基曲线的非线性渐变和普通的线性渐变的对比示意图，过渡管使用三种过渡方式时，在涡旋流管道出口处的起始切向速度值。切速度越大，涡流强度就越大。从图中可以看出，随着管道流速增加，涡流强度随之增加。在每个流速下，诱导产生的涡旋强度。横截面随着所述渐变区段在纵向上非线性渐变地扭转、预定角度，维托辛斯基过渡优于α过渡方式，而α过渡方式优于线性过渡方式。所以在使用非线性渐变扭转预设角度时，涡旋流效果有显著的增加。与维托辛斯基过渡相比，线性过渡方式产生的切速度值低了19.1-33.1％。与维托辛斯基过渡相比，α过渡方式产生的切速度值低了6.5-18.6％。较之线性过渡，提供的α过渡方式和维托辛斯基曲线过渡方式等非线性渐变过渡都产生了更大的初始切速度，这也意味着更强的涡旋效应。使涡旋流管的性能显著提升。

图10是本发明的一个实施例的α过渡曲线和使用维托辛斯基曲线的非线性渐变和普通的线性渐变的壁面剪切力对比示意图，通过对3m/s的进口流速的CFD模拟证实，在使用非线性过渡时，其后方的壁面剪切力有显著增加。较之线性过渡，使用α过渡方式时，壁面剪切力增加了2％～8％；使用维托辛斯基曲线过渡方式时,壁面剪切力增加了2％～13％。图11是本发明的一个实施例的α过渡曲线和使用维托辛斯基曲线的非线性渐变和普通的线性渐变的压力损失对比示意图，与此同时，较之线性过渡方式，使用α过渡方式时，压力损失减小了16％～28％；使用维托辛斯基曲线过渡方式时,压力损失减少了22％～38％。由此可见，使用非线性过渡时，由于提供了平滑的流体通道，壁面了局部湍流，壁面边界层分离等不利影响，可以最大限度的减小压力损失，减少能耗。同时，由于更多的能量用于诱导产生涡旋流，因此产生的涡旋流强度更大，提高壁面剪切力效果更明显。使用非线性过渡技术可以使涡旋流管在管式光化学反应器上发挥更加显著的作用，减少能耗，延长过程设备的使用寿命。由于非线性过渡技术带来的效果提升，可以为企业显著降低成本并提高总体生产效率。

以上实施例仅用以说明本公开的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本公开进行了详细的说明，本领域技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本公开的各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种光化学反应器，其特征在于，其包括，

反射暗箱；

光源，其提供可调节的光辐射，所述光源设在所述反射暗箱中；

管式反应单元，其设在所述反射暗箱内以被所述光辐射照射，所述管式反应单元包括进口管道、出口管道以及设在进口管道和出口管道之间的透明的反应管道，所述反应管道包括至少一个生成涡旋流的涡旋流管，其中，

所述涡旋流管包括结构本体以及设在结构本体的内管壁，结构本体一端输入流体，另一端输出涡旋流流体，所述内管壁包括，

第一渐变区段，其位于内管壁靠近输入流体的第一端，其在涡旋流管的纵向上具有第一长度和第一横截面，所述第一横截面随着所述第一渐变区段在纵向上扭转第一预定角度的同时由半径为R的圆形光滑渐变为叶片形状，所述第一横截面随着所述第一渐变区段在纵向上非线性渐变地扭转第一预定角度，所述叶片形状包括边长2r的正方形以及在正方形各边上延伸的半径为r的半圆，所述第一横截面的横截面面积保持不变，

涡旋流区段，其连接所述第一渐变区段，所述涡旋流区段在涡旋流管的纵向上具有第二长度和第二横截面，所述第二横截面随着所述涡旋流区段在纵向上扭转第二预定角度，所述第二横截面为所述叶片形状，

第二渐变区段，其连接所述涡旋流区段且位于内管壁相反于第一端的第二端，所述第二渐变区段在涡旋流管的纵向上具有第三长度和第三横截面，所述第三横截面随着所述第二渐变区段在纵向上扭转第三预定角度的同时由所述叶片形状光滑渐变为半径为R的圆形，所述第三横截面随着所述第二渐变区段在纵向上非线性渐变地扭转第三预定角度，所述第三横截面的横截面面积保持不变；

测量单元，其设在所述管式反应单元中，所述测量单元包括测量温度的温度传感器、测量流体流速的流速传感器、测量光学参数的光学传感器、测量流体浓度的浓度传感器和/或测量管式反应单元压力的压力传感器,第一横截面扭转角度基于α过渡曲线渐变，其中，

，L₁为第一长度，x₁为第一横截面在长度方向上的位置坐标, 所述涡旋流管为透明结构；

其中，

所述第一长度、第二长度和第三长度之和与半径R之比为16:1至4:1；

半径R为0.01m到100m；

所述第三横截面扭转角度基于α₃过渡曲线渐变，其中，

，L₃为第三长度，x₃为第三横截面在长度方向上的位置坐标。

2.如权利要求1所述的光化学反应器，其中，结构本体为直管，所述第一长度、第二长度和第三长度之和与半径R之比为8:1。

3.如权利要求1所述的光化学反应器，其中，所述第一长度为结构本体长度的四分之一，所述第二长度为结构本体长度的二分之一，所述第三长度为结构本体长度的四分之一。

4.如权利要求1所述的光化学反应器，其中，所述第一预定角度为90度，第二预定角度为180度，第三预定角度为90度，所述第一长度或第三长度与第二长度的比等于所述第一预定角度或第三预定角度与第二预定角度的比。

5.如权利要求1所述的光化学反应器，其中，所述反应管道包括多个透明的通管以及多个涡旋流管，所述涡旋流管两端分别连接通管，所述流体为气液、气固、液液或液固形态，所述通管为直管、扩张管、收缩管或者弯管。

6.如权利要求1所述的光化学反应器，其中，所述反应管道为围绕光源的透明螺旋状弯管。

7.如权利要求1所述的光化学反应器，其中，所述的光化学反应器还包括控制单元，进口管道和出口管道分别设有控制阀，控制单元连接所述测量单元、光源和控制阀，响应于测量单元的测量数据控制所述控制阀的通断及开度大小和/或光源的光学参数。

8.如权利要求1所述的光化学反应器，其中，涡旋流管包括第一渐变区段、n个涡旋流区段和第二渐变区段，n为大于1的自然数。

9.如权利要求8所述的光化学反应器，其中，所述第一预定角度为90度，第二预定角度为n个180度，第三预定角度为90度。

10.如权利要求8所述的光化学反应器，其中，所述第一预定角度、第二预定角度和第三预定角度总和为n+1个180度。

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