CN114146671B - 一种新型反应器及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型反应器及其加工方法，包括外壳和内置挡板；所述外壳前端设有多个入口通道，中部为一混合通道，后端设有出口；所述内置挡板沿流体流动方向间隔地设置在混合通道内部，各内置挡板的两侧与外壳一体成型，将流经该处的流体分隔成上下两股流体。该反应器可以采用熔融沉积成型、光固化成型、材料喷涂成型、材料挤压成型、喷胶粘粉成型、粉末床熔炼、薄片层叠中任意一种3D打印成型技术制备。该反应器在混合通道内设置多个重复单元的挡板结构，从两入口进入的流体经过挡板的撞击不断地改变流动路线，从而强化了混合过程，提高了混合效率，使得在较短时间内完成高效混合。

Description

一种新型反应器及其加工方法
技术领域
本发明属于反应器技术领域，特别是一种新型反应器及其加工方法。
背景技术
化学反应一直受到传统化学反应器的限制，传质传热会随着反应器尺寸的变化而变化，较难实现温度、能量的均匀分布。因此，近年来发展了许多新型反应器及其内构件以增强过程强化。
反应器因其具有高比表面积减小了反应物之间的扩散距离，内构件的嵌入增强了流体间的扰动，提高了传质传热效率，可以实现从小试到中试的放大生产。同时，将反应器与CFD计算流体力学相结合可实现流体混合的数值计算和流体仿真，提高了实验的准确性，有利于优化反应器结构以及化学反应的过程强化的作用。
近年来，随着3D打印技术的逐渐成熟，应用范围逐渐拓宽，将3D打印技术与反应器结合来加工制造反应器，具有效率高、成本低、设计自由、制造简便的优点，可以在短时间内完成产品制造，并且便于对反应器改进和优化，有效缩短设计周期。在3D打印技术加工下的反应器可用于多种化学反应，增强了通道内流体混合，解决了传统化学反应传质传热问题，具有广阔的应用前景。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种新型反应器，解决反应器中反应通道内物料混合不均匀，传质传热效率低等问题，增强了流体间的混合，提高传质传热效率。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种新型反应器，包括外壳和内置挡板；所述外壳前端设有多个入口通道，中部为一混合通道，后端设有出口；所述内置挡板沿流体流动方向间隔地设置在混合通道内部，各内置挡板的两侧与外壳一体成型，将流经该处的流体分隔成上下两股流体。
优选地，所述外壳为Y型通道，前端为两个圆弧形的入口通道。
优选地，入口圆弧半径为4-20mm，外壳外管径为6-31mm，内管径为5-30mm，混合通道长度为15-500mm。
具体地，所述内置挡板为一组重复单元，依次沿流体流动方向间隔地设置在混合通道内部。
优选地，所述内置挡板为椭球状，其长轴a长6-31mm，短轴b长5-15mm，长轴与外管径相切，其两端固定于管道内壁上，相邻两个椭球状的内置挡板呈90°交叉设置，相邻两个内置挡板间距为15-40mm。
进一步地，本发明还提供了上述新型反应器的制备方法，采用熔融沉积成型、光固化成型、3D喷射成型、喷胶粘粉成型、粉末床熔炼、薄片层叠中任意一种3D打印成型技术制备。
3D打印成型方法中整体打印时间为300-500min，固化温度为50-100℃，固化时间为24-48h。
优选的，3D打印加工方法中熔融沉积成型方法的打印步骤为：
步骤1：通道3D打印：首先，利用三维建模软件设计通道结构的模具，将STL文件导入3D打印机建模软件后，将打印支撑材料选为可溶解性材料，设置挤出温度和加热温度，打印完成后等待打印底板在室温下完全冷却后，用镊子将模具从底板轻轻剥离开，放入有变色硅胶的真空保鲜盒中存放备用。
步骤2：封装材料的浇铸：先在培养皿中浇铸一层封装材料，待其固化后放置通道模具，继续浇铸封装材料，使其没过模具表面，留出进出口结构的模具部分，浇铸完成后将培养皿平放入干燥箱中放置，使其完全固化。在弹性较大的情况下将其抽离出来。
步骤3：支撑材料的去除：采用弯角针头插入反应器入口，将针筒中接近的热水注入通道中，支撑材料在热水中软化，在注射压力下冲出反应器。
步骤1中挤出温度设置范围为120-250℃，底板加热温度范围为80-150℃；
步骤1中支撑材料为聚乙烯醇PVA、聚乳酸PLA，封装材料为聚二甲基硅烷PDMS、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料ABS；
步骤2中干燥箱温度范围为50-80℃，固化时间为24-48h；
步骤3中热水温度为100-120℃。
优选的，3D打印加工方法中立体光固化成型方法的打印步骤为：
首先，利用三维建模软件设计通道结构的模具，再将STL文件导入3D打印机建模软件，设置紫外光固化穿透深度、固化时间，等待打印完成。紫外固化穿透深度为50-80μm，每层固化时间为2-5s，整体打印时间为300-500min。
进一步的，所述3D打印加工方法中所用材料为聚合物、硅、玻璃、金属、陶瓷，其中优选的，聚合物材料包括：聚乙烯醇PVA、聚乳酸PLA、聚二甲基硅烷PDMS、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料ABS、丙烯酸酯、光敏树脂等。
优选的，熔融沉积成型方法所述步骤1中挤出温度设置范围为120-250℃，底板加热温度范围为80-150℃；步骤1中支撑材料为聚乙烯醇PVA、聚乳酸PLA，封装材料为聚二甲基硅烷PDMS、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料ABS；步骤2中干燥箱温度范围为50-80℃，固化时间为24-48h；步骤3中热水温度为100-120℃。
立体光固化成型方法步骤中紫外固化穿透深度为50-80μm，每层固化时间为2-5s，整体打印时间为300-500min。
本发明制备的反应器在CFD计算流体力学模拟中流体混合的操作参数设置范围为：流速0.01-4m/s，温度25-80℃。
本发明制备的反应器适用流体物性参数设置范围为：粘度0.001-10Pa·s，密度500-2000kg/m3，表面张力0-10N/m，流速0.01-4m/s，温度25-80℃。
有益效果：
本发明提出的新型反应器结构，在混合通道内设置多个重复单元的挡板结构，从两入口进入的流体经过挡板的撞击不断地改变流动路线，从而强化了混合过程，提高了混合效率，使得在较短时间内完成高效混合。并且，反应器的混合强度可以通过反应器的尺寸和长度来进行控制，适用于不同化学反应类型。此外，本发明的加工方法简单高效，可以在较短时间和较低成本下实现反应器的加工制造。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1为反应器结构示意图。
图2为反应器内置挡板-椭球结构示意图
图3为实施例1反应器在CFD计算模拟下所得混合效率图。
图4为实施例2无挡板结构反应器在CFD计算模拟下所得混合效率与线性拟合图。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。
实施例1：CFD计算模拟反应器混合效率
反应器外壳1外管径为11mm，内管径为10mm，内置椭球挡板2长轴为11mm，短轴为6mm，两椭球之间的间距为15mm，角度为90°，混合通道长度为200mm，如图1和图2所示。选取液态水，密度为998.2kg/m3，粘度为0.001003kg/m-s，速度值为0.01m/s。利用层流模型对反应器进行CFD计算模拟，并计算出不同长度下的混合效率，达效时间和达效长度。
结果表明，该反应器结构下达效长度为180mm，达效时间为18s，如图3所示。(达效长度/时间：流体混合效率为90％时所需要的长度和时间。
实施例2：CFD计算模拟无内置挡板结构反应器混合效率
反应器外管径为11mm，内管径为10mm，混合通道长度为500mm。选取液态水，密度为998.2kg/m3，粘度为0.001003kg/m-s，速度值为0.01m/s。利用层流模型对反应器进行CFD计算模拟，计算出不同长度下的混合效率并线性拟合，如图4所示。
结果表明，无内置挡板结构反应器混合效果呈线性增长，拟合方程为：y＝4.26278*10-4+0.16785；根据线性拟合方程可预测其达效长度为1717mm，达效时间为171.7s，其混合效率明显低于有档板结构反应器。
实施例3：反应器加工方法—光固化成型3D打印
首先，利用三维建模软件设计通道结构的模具，再将STL文件导入3D打印机建模软件，设置紫外光固化穿透深度55μm，每层固化时间3s，等待350min后打印完成。
实施例4：反应器加工方法—熔融沉积成型3D打印
步骤1：通道3D打印：首先，利用三维建模软件设计通道结构的模具，将STL文件导入3D打印机建模软件后，将打印支撑材料选为PLA，挤出温度设置为200℃，填充模式设为10％填充，底板加热温度设置为110℃，打印完成后等待打印底板在室温下完全冷却后，用镊子将模具从底板轻轻剥离开，放入有变色硅胶的真空保鲜盒中存放备用。
步骤2：封装材料的浇铸：先在培养皿中浇铸一层PDMS，待其固化后放置通道模具，继续浇铸封装材料，使其没过模具表面，留出进出口结构的模具部分，浇铸完成后将培养皿平放入干燥箱中放置，使其完全固化。在弹性较大的情况下将其抽离出来。
步骤3：支撑材料的去除：采用弯角针头插入反应器入口，将针筒中100℃热水注入通道中，支撑材料在热水中软化，在注射压力下冲出反应器。
实施例5：反应器的应用—正丁醇的萃取
选取实施例1中的反应器尺寸：外管径为11mm，内管径为10mm，内置椭球长轴为11mm，短轴为6mm，两椭球之间的间距为15mm，角度为90°，混合通道长度为200mm。
分别用50ml的注射器吸取正丁醇去离子水饱和溶液和去离子化正丁醇水饱和溶液，将注射器固定在注射泵机器上，设定注射器规格，流速15ml/min，传输液量50ml，同时按下开始，在出口处收集产物，并计算萃取率。
结果表明，该反应器用于正丁醇的萃取效果明显，萃取率高达98％。
本发明提供了一种新型反应器及其加工方法的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种新型反应器，其特征在于，包括外壳（1）和内置挡板（2）；所述外壳（1）前端设有多个入口通道，中部为一混合通道，后端设有出口；所述内置挡板（2）沿流体流动方向间隔地设置在混合通道内部，各内置挡板（2）的两侧与外壳（1）一体成型，将流经内置挡板（2）的流体分隔成上下两股流体；
所述外壳（1）为Y型通道，前端为两个圆弧形的入口通道；
所述内置挡板（2）为一组重复单元，依次沿流体流动方向间隔地设置在混合通道内部；
所述内置挡板（2）为椭球状，其长轴a长6-31 mm，短轴b长5-15 mm，长轴与外管径相切，其两端固定于管道内壁上，相邻两个椭球状的内置挡板（2）呈90°交叉设置，相邻两个内置挡板（2）间距为15-40 mm。
2.根据权利要求1所述的新型反应器，其特征在于，入口圆弧半径为4-20 mm，外壳外管径为6-31 mm，内管径为5-30 mm，混合通道长度为15-500 mm。
3.权利要求1所述新型反应器的制备方法，其特征在于，采用熔融沉积成型、光固化成型、3D喷射成型、喷胶粘粉成型、粉末床熔炼、薄片层叠中任意一种3D打印成型技术制备。
4.根据权利要求3所述的新型反应器的制备方法，其特征在于，采用熔融沉积成型的3D打印成型技术制备，包括如下步骤：
步骤1：通道3D打印：首先，利用三维建模软件设计通道结构的模具，将STL文件导入3D打印机建模软件后，将打印支撑材料选为可溶解性材料，设置挤出温度和加热温度，打印完成后等待打印底板在室温下完全冷却后，将模具从底板轻轻剥离开，放入有变色硅胶的真空保鲜盒中存放备用；
步骤2：封装材料的浇铸：先在培养皿中浇铸一层封装材料，待其固化后放置通道模具，继续浇铸封装材料，使其没过模具表面，留出进出口结构的模具部分，浇铸完成后将培养皿平放入干燥箱中放置，使其完全固化；在弹性较大的情况下将其抽离出来；
步骤3：支撑材料的去除：采用弯角针头插入反应器入口，将针筒中的热水注入通道中，支撑材料在热水中软化，在注射压力下冲出反应器；
步骤1中挤出温度设置范围为120-250 ℃，底板加热温度范围为80-150 ℃；
步骤1中支撑材料为聚乙烯醇PVA、聚乳酸PLA，
步骤2中封装材料为聚二甲基硅氧烷PDMS、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料ABS；
步骤2中干燥箱温度范围为50-80℃，固化时间为24-48 h；
步骤3中热水温度为100-120 ℃。
5.根据权利要求3所述的新型反应器的制备方法，其特征在于，采用光固化成型的3D打印成型技术制备，包括如下步骤：利用三维建模软件设计通道结构的模具，再将STL文件导入3D打印机建模软件，设置紫外光固化穿透深度、固化时间，等待打印完成；紫外固化穿透深度为50-80 μm，每层固化时间为2-5 s，整体打印时间为300-500min。
6.根据权利要求3所述的新型反应器的制备方法，其特征在于，3D打印成型采用的材料为聚合物、硅、玻璃、金属或陶瓷；聚合物材料选自聚乙烯醇PVA、聚乳酸PLA、聚二甲基硅氧烷PDMS、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料ABS、光敏树脂中的任意一种。
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