CN113731344A - 声共振连续流反应装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种声共振连续流反应装置，包括连续流反应器、声共振机构以及混合结构。连续流反应器包括多个串联设置的反应管，反应管内形成用于容置反应物的容纳腔，反应管具有轴向方向和径向方向，反应管还设有连通容纳腔的进料口和出料口，进料口和出料口分别设于反应管轴向方向的两端；声共振机构设有安装台，多个反应管依次固定于安装台表面，声共振机构驱动连续流反应器振动，以使容置于容纳腔内的反应物产生宏观混合；混合结构设于容纳腔内，并沿反应管的轴向方向和径向方向布置，混合结构可使容置于容纳腔内的反应物产生微观混合。本发明技术方案旨在解决目前声共振混合器无法满足气液固多相流体反应工程应用、工程化放大问题。

Description

声共振连续流反应装置

技术领域

本发明涉及反应装置技术领域，特别涉及一种声共振连续流反应装置。

背景技术

声共振作为一种强化多相混合的手段已经应用到混合炸药混合、推进剂、含能材料等方面。声共振混合技术具有无桨混合、整场混合的优点，是一种利用振动和声流耦合作用的新型工艺，具有广阔的应用前景。但是，现有的声共振混合器只能应用在间歇式反应工艺。如专利申请号201410799813.1和201710058169.6中所公开的声共振混合器，虽然能在固-固、固-液、液-液、高粘态等物料体系以及含纳米材料物料的混合效率达到传统搅拌混合方式的2至10倍。但是，这种声共振混合器只能在宏观混合强化，而浆体缺无法形成微尺度液流或液滴，因而在多相流体反应工程的应用受到限制，存在着装备难以放大，难以实现工程化的应用。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种声共振连续流反应装置，旨在解决目前声共振混合器无法满足气液固多相流体反应工程应用，以及工程化放大问题。

为实现上述目的，本发明提出的声共振连续流反应装置，包括：

连续流反应器，所述连续流反应器包括多个串联设置的反应管，所述反应管内形成用于容置反应物的容纳腔，所述反应管具有轴向方向和径向方向，所述反应管还设有连通所述容纳腔的进料口和出料口，所述进料口和所述出料口分别设于所述反应管轴向方向的两端；

声共振机构，所述声共振机构设有安装台，多个所述反应管依次固定于所述安装台表面，所述声共振机构驱动所述连续流反应器振动，以使容置于所述容纳腔内的反应物产生宏观混合；以及

混合结构，所述混合结构设于所述容纳腔内，并沿所述反应管的轴向方向和径向方向布置，所述混合结构可使容置于所述容纳腔内的反应物产生微观混合。

在本发明的一实施例中，所述混合结构包括第一混合板，所述第一混合板具有长度方向和宽度方向，所述长度方向沿所述反应管的轴向方向延伸设置，所述宽度方向延所述反应管的径向方向延伸，所述第一混合板还设有多个过孔，所述声共振机构延所述过孔的中轴线的延伸方向振动。

在本发明的一实施例中，所述第一混合板的数量为多个，多个所述混合板沿所述声共振机构的振动方向间隔设置。

在本发明的一实施例中，所述混合结构还包括多个第二混合板，所述第二混合板固定于所述容纳腔的腔壁，并朝向所述第一混合板延伸设置，所述第二混合板与所述第一混合板之间还形成有过口，多个所述第二混合板沿所述反应管的轴向方向间隔排布设置。

在本发明的一实施例中，所述第一混合板的相对两表面均设有多个所述第二混合板。

在本发明的一实施例中，定义两相邻两所述第二混合板于轴向方向的距离为D1，满足条件：2mm≤D1≤10mm。

在本发明的一实施例中，定义所述第二混合板与所述第一混合板之间的距离为D2，满足条件：1mm≤D2≤3mm。

在本发明的一实施例中，所述反应管的内径为10mm至100mm，所述反应容器的管长为200mm至1000mm。

在本发明的一实施例中，所述声共振机构包括：

架体，所述架体设有所述安装台；

驱动件，所述驱动结构固定于安装台下方，并与所述安装台连传动连接；以及

弹性组件，所述弹性组件与所述架体固定，并与所述安装平台连接。

在本发明的一实施例中，所述驱动件为激振器，所述激振器的振动频率为1HZ至100HZ。

本发明技术方案的声共振连续流反应装置，包括连续流反应器、声共振机构以及混合结构。其中，连续流反应器包括多个串联设置的反应管，反应管内形成用于容置反应物的容纳腔，反应管具有轴向方向和径向方向，反应管还设有连通容纳腔的进料口和出料口，进料口和出料口分别设于反应管轴向方向的两端。通过将多个反应管串联，可以延长反应物在反应腔内的停留时间，从而满足的装置的连续性反应需求。并且，反应腔内还设有混合结构，混合结构沿反应管的轴向方向和径向方向布置。声共振机构设有安装台，连续流反应器中的多个反应管依次固定于安装台表面。工作时，声共振机构驱动连续流反应器产生共振振动，以带动的容置于容纳腔内的反应物运动，使得容纳腔内的重相液体和轻相气体突破原有相界面，产生强烈的宏观混合。由于容纳腔内还设有混合结构，在共振振动的驱动下，容纳腔内的多相流体产生对流并穿过混合结构，混合结构可对多项流体产生剪切力，使多相流体产生涡流，进行局部混合强化。同时，分散结构还可以在振动系统下产生微振幅振动，可使容置于容纳腔内的反应物产生微观混合强化。本发明技术方案的声共振连续流反应装置相对现有的声共振反应装置相比，能实现连续流反应，也能满足气液固多相流体反应，便于实现工程化放大应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明声共振连续流反应装置一实施例的结构示意图；

图2为图1中声共振连续流反应装置的纵截面示意图；

图3为图1声共振连续流反应装置的内部结构示意图；

图4为本发明反应管的横截面示意图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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的一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义为，包括三个并列的方案，以“A和/或B为例”，包括A方案，或B方案，或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种声共振连续流反应装置1000。

参照图1至图4，本发明声共振连续流反应装置1000包括：连续流反应器100，所述连续流反应器100包括多个串联设置的反应管10，所述反应管10内形成用于容置反应物的容纳腔11，所述反应管10具有轴向方向和径向方向，所述反应管10还设有连通所述容纳腔11的进料口15和出料口17，所述进料口15和所述出料口17分别设于所述反应管10轴向方向的两端；

声共振机构200，所述声共振机构200设有安装台220，多个所述反应管10依次固定于所述安装台220表面，所述声共振机构200驱动所述连续流反应器100振动，以使容置于所述容纳腔11内的反应物产生宏观混合；以及

混合结构13，所述混合结构13设于所述容纳腔11内，并沿所述反应管10的轴向方向和径向方向布置，所述混合结构13可使容置于所述容纳腔11内的反应物产生微观混合。

本发明技术方案的声共振连续流反应装置1000，包括连续流反应器100、声共振机构200以及混合结构13。其中，连续流反应器100包括多个串联设置的反应管10，反应管10内形成用于容置反应物的容纳腔11，反应管10具有轴向方向和径向方向，反应管10还设有连通容纳腔11的进料口15和出料口17，进料口15和出料口17分别设于反应管10轴向方向的两端。通过将多个反应管10串联，可以延长反应物在反应腔内的停留时间，从而满足的装置的连续性反应需求。具体地，反应管10的材质可以是玻璃、金属、特氟龙等耐腐蚀性材料。反应管10的数量可以是两个、三个、五个、或者是十个等，技术人员可以根据具体的反应要求进行合理地设置，在此不进行赘述。每一反应管10的进料口15和出料口17均设于反应管10轴向方向的两端，如此，便于使用U型管连接相邻的反应管10。通过将进料口15和出料口17设于反应管10轴向方向的两端，反应物经由进料口15进入容纳腔11后，需要流进整个反应管10的长度才能经由出料口17流出，如此，可以尽量延长反应物在反应管10内停留的时间，提升反应效果。

反应腔内还设有混合结构13，混合结构13沿反应管10的轴向方向和径向方向布置。混合结构13沿反应管10的轴向方向延伸设置，可以使得反应物流经反应管10轴向方向时得到均匀地混合。并且，混合结构13沿反应管10的径向方向设置，也可以降低反应物在轴向方向的流动速度，延长反应物在反应管10内的停留时间，提升反应物的混合效果。

可以理解地，声共振机构200设有安装台220，连续流反应器100中每个反应管10依次固定于安装台220表面，每一反应管10均通过固定件可拆地固定于安装台220的表面。具体，反应管10的轴向方向平行于安装台220的表面，多个反应管10依次设置，便于反应物的流动。工作时，声共振机构200驱动连续流反应器100产生共振振动，以带动的容置于容纳腔11内的反应物运动，使得容纳腔11内的重相液体和轻相气体突破原有相界面，产生强烈的宏观混合。由于容纳腔11内还设有混合结构13，在共振振动的驱动下，容纳腔11内的多相流体产生对流并穿过混合结构13，混合结构13可对多项流体产生剪切力，使多相流体产生涡流，进行局部混合强化。同时，分散结构还可以在振动系统下产生微振幅振动，可使容置于容纳腔11内的反应物产生微观混合强化。本发明技术方案的声共振连续流反应装置1000相对现有的声共振反应装置相比，能实现连续流反应，也能满足气液固多相流体反应，便于实现工程化放大应用。

进一步，参照图2至图3，在本发明的一实施例中，所述声共振机构200包括架体210、驱动件230以及弹性组件280，所述架体210设有所述安装台220；驱动结构固定于安装台220下方，并与所述安装台220连传动连接；所述弹性组件280与所述架体210固定，并与所述安装平台连接。

在本发明一实施例的技术方案中，架体210大致呈方形的框架式的结构，安装台220设于架体210的顶部，架体210为驱动件230、弹性组件280以及反应控制系统提供了安装的载体。架体210的材质可以是金属材质，也可以是大理石等，这样确保架体210的强度和寿命。架体210还可以通过螺栓等连接件固定于地面，还可以在地面设置有对应的限位结构，以限制架体210在振动的过程中出现移动从而对反应装置造成影响等情况。

安装台220大致呈板状结构，并与水平面呈平行设置。安装台220的表面还设有固定孔，以方便将固定件通过与固定孔的配合将反应管10可拆地固定于安装台220台的表面。

进一步，驱动件230可以是激振器231，激振器231通过振动板250和传动杆270与安装台220连接。激振器231的主要功能是产生振动，其振动的频率和对应行程是产生重力加速度的重要参数，因此，激振器231的振动参数也是极为重要，本发明一实施的技术方案中，激振器231的频率范围为1HZ至100HZ，激振器231的(峰峰值)行程范围为10mm至100mm，这里的(峰峰值)行程是指激振器231在一个振动周期内，两个波峰之间的距离。激振器231的振动频率和行程可以根据实际情况进行调整。

激振器231在正弦最大峰值加速度达150g(g为重力加速度，即约为9.8m/s)。例如，可以采用的丹麦B&K品牌的电磁激振器231，也可以采用其行程较大的电磁/电液/电动式激振器231。具体地，振动加速度计算方式为：最大加速度＝0.002×f²(频率HZ)×D(行程mmp-p)。激振器231与弹簧组件产生共振，能够提供10mm以上振幅。具体地，声共振机构200通过简谐力激振法测定多相流体的固有频率，若在某段频率下的振幅迅速增加，即可判断产生了共振。

弹性组件280为弹簧组，弹簧组包括有弹簧和导柱，弹簧套设于导柱的侧壁面，弹簧的一端弹性抵持机架，另一端弹性抵接振动板250。激振器231振动，进而带弹簧振动，由于弹簧具有弹性力，可以驱动振动板250相对机架振动设置。

进一步，激振器231的数量可以是一个，也可以是两个激振器231进行叠加。当激振器231的数量只有一个时，激振器231直接通过设于激振器231上方振动板250和传动杆270与安装台220连接。振动板250边缘间隔设有多个弹簧组，以提升振动板250稳定性。当激振器231的数量为两个时，两个激振器231之间设有传动板260，位于上方激振器231固定于传动板260的表面，传动板260和振动板250之间也设有弹簧组，如此，传动板260和振动板250之间也可实现振动能量的叠加，可以快速达到振动效果。

进一步，参照图4，在本发明的一实施例中，所述混合结构13包括第一混合板131，所述第一混合板131具有长度方向和宽度方向，所述长度方向沿所述反应管10的轴向方向延伸设置，所述宽度方向延所述反应管10的径向方向延伸，所述第一混合板131还设有多个过孔131，所述声共振机构200延所述过孔131的中轴线的延伸方向振动。

在本发明一实施例的技术方案中，混合结构13有多种形式，第一混合板131为混合结构13的一部分结构。第一混合板131也称为轴向板，第一混合板131的数量可以是一个，也可以是多个，多个所述混合板沿所述声共振机构200的振动方向间隔设置。第一混合板131为具有一定弹性板材，过孔131的形状可以是圆孔、方孔、异形孔等。多个过孔131间隔设置，多个过孔131还可以是呈阵列排列设置。过孔131的中轴线与声共振机构200的整栋方向一致，如此，第一混合板131可以垂直接剪切产生对流的液体，并把液体分散成多股细流，增大了气体和液体的接触面积。同时，第一混合板131还可以在惯性的作用下发生微振动，进一步加速了液体界面的更新，强化了多相流体的介观/微观混合。

请继续参照图4，在本发明的一实施例中，所述混合结构13还包括多个第二混合板133，所述第二混合板133固定于所述容纳腔11的腔壁，并朝向所述第一混合板131延伸设置，所述第二混合板133与所述第一混合板131之间还形成有过口1331，多个所述第二混合板133沿所述反应管10的轴向方向间隔排布设置。

在本发明一实施例的技术方案中，第二混合板133也为混合结构13的一部分结构。多个第二混合板133也成为径向板，如此，多个间隔设置第二混合板133可将容纳腔11分隔为多个相连通的反应区。第二混合板133可以具有缺口的半圆形板，此时的缺口可形成为反应物的过孔131。或者是面积小于半圆形板的弧形板，例如，1/3圆形板，2/5圆形板等，此时的第二混合板133可以不设置缺口，第二混合板133与第一混合板131之间的间隙即可形成为反应物的过孔131。第二混合板133可以是设置在第一混合板131的一侧，第二混合板133也可以是设置在第一混合板131相对的两个表面。第二混合板133的设置可以降低反应管10内的液体的流速，延长反应物在反应腔内停留的时间，进而提升反应的效率。

在一实施例中，所述反应管10的内径为10mm至100mm，所述反应容器的管长为200mm至1000mm。

反应管10的内径为10mm至20mm，反应管10的管长为200mm至500mm。当反应管10的内径缩小时，反应管10的加工难度相对增大，因此，将反应管10的内径设置为大于或等于10mm，以便于反应管10的加工；而当反应管10的内径过大时，会导致容纳腔11内的部分区域的反应物难以混合到而降低反应效率，因此，将反应管10的内径设置为小于或等于20mm，从而在便于反应管10加工的同时，保障搅拌器良好的混合效果。而反应管10的管长则相应地随着反应管10的内径的增大而增大，随着反应管10的内径的减小而减小，以便于反应管10的加工。可以理解的是，在上述实施例中，当反应管10为管状时，反应管10的内径为其实际的内径，而当反应管10为其他形状时，反应管10的内径为其等效内径。

请继续参照图4，在本发明的一实施例中，定义两相邻两所述第二混合板133于轴向方向的距离为D1，满足条件：2mm≤D1≤10mm。

在本发明一实施例的技术方案中，通过将相邻的两个第二混合板133设置成2mm至10mm，如此，可以有效地降低容纳腔11内的流速，延长反应物在反应腔内的停留时间，结合声共振的作用，可以有效地提升各反应区内的反应物的混合效果。同时，请进一步参照图4，在本发明的一实施例中，定义所述第二混合板133与所述第一混合板131之间的距离为D2，满足条件：1mm≤D2≤3mm。第二混合板133与第一混合板131之间的距离指的是第二混合板133端面至第一混合板131表面的最小距离。第二混合板133端面至第一混合板131表面的最小距离的范围在1mm至3mm之间，如此，既能第二混合板133具有良好阻流效果，同时也不影响相邻的反应区之间的反应物流动。

需要说明的是，浆体反应物可以通过输料管连接第一个反应管10的进料口15的，输料管的末端呈多孔设置，并形成多孔喷射，有利于快速混合。其中，孔径在微米到毫米级别，孔径与浆体物料的固体颗粒尺寸和浓度有关，优选5倍固体颗粒尺寸。气体与浆体通过三通混合，然后通过输料管套管实现进料，由于浆体物料在输料管末端分散成液滴和气流进入反应腔，然后经停留时间延长多级串联腔体流出。连续流反应器100的末端连接有换热器和气液分离器，实现产物收集和气液分离。连续流反应器100能够实现连续进料和出料，并且保持物料在反应器内质量相对平衡，不会对三质体振动平台的振幅和共振频率产生影响。

本发明技术方案中声共振连续流反应装置1000与原有间歇式声共振混合器相比，实现了物料连续化生产，突破了工艺放大的瓶颈，能快速地实现工艺的优化到生产放大。并且，本发明技术方案中声共振连续流反应装置1000与原有间歇式声共振混合器相比，本方案中的连续流反应器100具有更高的传热性能，温度控制更加均匀和多余热量快速带走。本发明技术方案中声共振连续流反应装置1000采用的连续流反应器100，还具有管式反应器平推流的优势，可以保证产品质量稳定性和均一性更好。并且，本发明技术方案中的声共振机构200与连续流反应器100内的混合结构13的结合还能实现高效的气液固多相流体宏观、介观和微观的全尺度混合，从宏观声共振混合到微结构和微振动强化微观混合，声共振连续流反应器100的传质性能得到极大提升，应用到更广泛的反应、萃取、吸收等工艺流程和化工、制药、新材料、生物等领域，比原有间歇式声共振混合器相比更易实现自动化控制。同时，由于本发明技术方案中的连续流反应器100和声共振机构200的耦合，还实现了物料混合、反应的连续化，大大提升了生产效率和混合效果，降低物耗能耗，实现安全清洁生产。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种声共振连续流反应装置，其特征在于，包括：

连续流反应器，所述连续流反应器包括多个串联设置的反应管，所述反应管内形成用于容置反应物的容纳腔，所述反应管具有轴向方向和径向方向，所述反应管还设有连通所述容纳腔的进料口和出料口，所述进料口和所述出料口分别设于所述反应管轴向方向的两端；

声共振机构，所述声共振机构设有安装台，多个所述反应管依次固定于所述安装台表面，所述声共振机构驱动所述连续流反应器振动，以使容置于所述容纳腔内的反应物产生宏观混合；以及

混合结构，所述混合结构设于所述容纳腔内，并沿所述反应管的轴向方向和径向方向布置，所述混合结构可使容置于所述容纳腔内的反应物产生微观混合。

2.如权利要求1所述的声共振连续流反应装置，其特征在于，所述混合结构包括第一混合板，所述第一混合板具有长度方向和宽度方向，所述长度方向沿所述反应管的轴向方向延伸设置，所述宽度方向延所述反应管的径向方向延伸，所述第一混合板还设有多个过孔，所述声共振机构延所述过孔的中轴线的延伸方向振动。

3.如权利要求2所述的声共振连续流反应装置，其特征在于，所述第一混合板的数量为多个，多个所述混合板沿所述声共振机构的振动方向间隔设置。

4.如权利要求2所述的声共振连续流反应装置，其特征在于，所述混合结构还包括多个第二混合板，所述第二混合板固定于所述容纳腔的腔壁，并朝向所述第一混合板延伸设置，所述第二混合板与所述第一混合板之间还形成有过口，多个所述第二混合板沿所述反应管的轴向方向间隔排布设置。

5.如权利要求4所述的声共振连续流反应装置，其特征在于，所述第一混合板的相对两表面均设有多个所述第二混合板。

6.如权利要求4所述的声共振连续流反应装置，其特征在于，定义两相邻两所述第二混合板于轴向方向的距离为D1，满足条件：2mm≤D1≤10mm。

7.如权利要求6所述的声共振连续流反应装置，其特征在于，定义所述第二混合板与所述第一混合板之间的距离为D2，满足条件：1mm≤D2≤3mm。

8.如权利要求1所述的声共振连续流反应装置，其特征在于，所述反应管的内径为10mm至100mm，所述反应容器的管长为200mm至500mm。

9.如权利要求1至8中任意一项所述的声共振连续流反应装置，其特征在于，所述声共振机构包括：

架体，所述架体设有所述安装台；

驱动件，所述驱动结构固定于安装台下方，并与所述安装台连传动连接；以及

弹性组件，所述弹性组件与所述架体固定，并与所述安装平台连接。

10.如权利要求9所述的声共振连续流反应装置，其特征在于，所述驱动件为激振器，所述激振器的振动频率为1HZ至100HZ。

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