CN114749118B

CN114749118B - 一种高通量多孔混合器

Info

Publication number: CN114749118B
Application number: CN202210368885.5A
Authority: CN
Inventors: 郭凯; 余鹏杰; 赵双飞; 何伟; 咸漠
Original assignee: Nanjing Tech University
Current assignee: Nanjing Tech University
Priority date: 2022-04-08
Filing date: 2022-04-08
Publication date: 2023-04-14
Anticipated expiration: 2042-04-08
Also published as: CN114749118A

Abstract

本发明公开了一种高通量多孔混合器，包括Y型的通道外壳和通道内的挡板结构；所述Y型的通道外壳包括两个入口通道、一个混合通道和一个出口，所述挡板结构由一组挡板组成，依次间隔设置在通道外壳的混合通道内，相邻的两个挡板以混合通道中心轴线为中心，间隔旋转90°，多个重复的挡板结构能够增强流体的混合度，间隔旋转的方式能增加流体的混沌对流，在管道内带来更多的扰动，使混合更加充分均匀，可有效提高混合器的散热效果，使得混合器适用于硝化反应、酯化反应等化学反应。

Description

一种高通量多孔混合器

技术领域

本发明属于化学反应设备领域，具体涉及一种高通量多孔混合器。

背景技术

传统的化学反应在搅拌混合器在进行，搅拌混合器中化学反应的转化率较低，且反应时间长，严重制约了化工领域的发展。与传统混合器相比，微混合器由于尺寸小，在很多方面具有明显优势，如传热传质效率高、反应时间短、安全性高等，可有效解决传统混合器出现的问题。

微通道混合器的基本原理是通过特殊设计的结构单元，使流体被不断切割，界面面积增加，从而增强传热、传质的推动力。目前，微混合器多采用异形通道设计，但异形通道在实际应用中加工难度大，维护成本高，具有较大的局限性。因此在规则的通道内，设置强化混合的挡板结构是更为理想的技术选择。

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，提供一种新的挡板结构，以强化混合器通道内流体的混合与传质效率，以适用于硝化反应、酯化反应等化学反应。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种高通量多孔混合器，包括Y型的通道外壳和通道内的挡板结构；所述Y型的通道外壳包括两个入口通道、一个混合通道和一个出口，所述挡板结构由一组挡板组成，依次间隔设置在通道外壳的混合通道内，相邻的两个挡板以混合通道中心轴线为中心，间隔旋转90°，多个重复的挡板结构能够增强流体的混合度，间隔旋转的方式能增加流体的混沌对流，在管道内带来更多的扰动，使混合更加充分均匀。

所述挡板的截面为锯齿形，挡板表面上开有通孔；锯齿形截面能影响流体在通道内的流动路线，挡板上均匀分布的圆直孔能将流体细化，从而缩短反应时间和分离时间，同时增强流体在通道内的流动及混合，实现过程安全、高效、可控的现代化工技术要求。

具体地，挡板垂直于液体流动方向设置，其两端与混合通道内壁采用刚性连接固定，两侧与混合通道内壁之间留有间隙，能使在上一个单元没有来得及反应的流体较快的进入下一个单元，缩短反应时间，同时降低压降。

优选地，挡板的厚度为0.1～5mm，挡板的长宽比为0.25～1，两侧与通道内壁之间的间隙为0.5～20mm。

优选地，所述挡板锯齿形的截面包括间隔分布的凸面和凹面；凸面和凹面长宽比相等，为0.1～10；凹面角度α和凸面角度β相等，为大于0°，小于180°，优选为90°。流体在经过凸面时会产生康达效应，随着α角的减小，附壁效应减弱，更多的流体直接进入挡板与管道间的间隙，进入下一单元。α角与β角相等，能避免局部压强过大，延长混合器的使用寿命。

优选地，所述挡板表面上的通孔直径为1～30mm的圆直孔，成列分布，其直径与所在平面宽度比为0.1～0.8；这些孔能作为流体通道，将流体细化，增加比表面积，提高传热效率。在实际应用中应根据反应物的粘度、密度等物理性质对孔的大小和形状进行设计，调高混合器适用性。

具体地，所述通道外壳的混合通道部分内管径为5～40mm，外管径为6～41mm，长度为20～1000mm。

具体地，所述入口通道长度与混合通道的长度比为0.08～8，入口圆弧半径为5～30mm。

进一步地，本发明还提供上述高通量多孔混合器在用于硝化反应、酯化反应等化学反应中的应用。

优选地，该高通量多孔混合器用于硝化反应或酯化反应等化学反应中时，适用的流体物性参数为：粘度0.001～10Pa·s；溶液浓度0-50mg/ml；密度300～3000kg/m³；表面张力0～15N/m；流速0.005～4m/s；进料比1～50；压强0～5MPa；温度10～200℃。

有益效果：

(1)本发明混合器多孔结构与流体接触面积大，且对流体扰动性强，具有压力损失小、流场恢复快等优点，在混合器设计中具有明显优势。当流体经过多孔板时，孔的结构可以使流体速度加快而形成湍流，两种液体在湍动中互相撞击，使两相界面迅速增大，从而使混合更加充分。此外，适当增大多孔结构的孔隙率和孔间距，可有效提高混合器的散热效果，使得混合器适用于硝化反应、酯化反应等化学反应。

(2)本发明通过多个挡板的叠加，使流体被不断地分离聚合，使得混合更加充分，通过多孔结构进一步增加混合效果的同时，极大地提高了空间利用率，具有极高的生产效率和生产能力。

(3)本发明在较短的通道长度内具有优异的混合效果，且管径大小在毫米级，与传统微混合器相比，具有高通量的优点。

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为该混合器的结构示意图。

图2为混合器内置挡板的结构示意图。

图3为混合器在CFD计算模拟下所得流线图。

图4为混合器在CFD模拟下所得管长L对混合效果的影响规律图。

其中，各附图标记分别代表：

1通道外壳；2挡板结构；3挡板；4通孔；5截面。

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模拟计算混合器混合效果

在本具体实施例中，该混合器如图1所示，包括Y型的通道外壳1和通道内的挡板结构2。

通道外壳1的混合通道部分内管径为10mm，外管径为11mm。

入口圆弧半径为8mm，入口通道长度与混合通道的长度比为0.08～7.5。

挡板3厚度为0.2mm，两端与管壁内侧刚性连接，挡板的长宽比为0.64。

挡板3两侧与管壁的间隙相等，为1.8mm，间隙能使在上一个单元没有来得及反应的流体较快的进入下一个单元，从而缩短反应时间。

相邻的两个挡板3以混合通道中心轴线为中心，间隔旋转90°，增加了流体的混沌对流，使混合更加充分均匀。

如图2所示，挡板的截面5具有四个“齿”的锯齿形，锯齿形的截面5包括间隔分布的凸面和凹面，每个“齿”凸面和凹面长宽比相等，长宽比皆为2，凹面角度α和凸面角度β相等，∠α＝∠β＝90°，避免通道内局部压强过大，使混合更加均衡。

挡板3每个面皆均匀分布有一列直径为0.4mm的圆直孔，直圆孔与所在平面的宽度比为0.35。

取液态水，密度为998.2kg/m³，粘度为0.001003kg/m·s，雷诺数为10000，两入口的流速相等，为0.05m/s。利用层流模型对混合器进行CFD模拟，计算出不同单元体个数N下的混合质量M、压降△P、达效时间和达效长度(达效时间/长度：混合效率达到90％所需的时间和长度)。

流体从通道外壳的两个入口以相同速度均匀流入，在第一个挡板处受到阻碍，流动路线发生改变，一部分流体经挡板上的圆孔4细化分流后进入第二个挡板，另一部分流体直接从挡板和内壁的间隙处流向第二个挡板。由于挡板结构以间隔旋转的方式排列，在前一个挡板处未经细化的流体会在下一个挡板处被切割，加强了通道内流体的混沌对流。

如图3所示，(a)为流体进入挡板前的流线图；(b)为流体经过第一个挡板后的流线图；(c)为流体经过第二个挡板后的流线图。流体在经过挡板后，产生了较大的涡流，两个挡板为一个循环，流体在通道内不断的分离聚合，流体之间能够充分的混合，传质效果不断强化，从而使混合程度越来越高。

图4为CFD模拟下所得管长L对混合效果的影响规律图，其中，(a)为管长对混合质量的影响规律图；(b)为管长对压降的影响规律图。该图表明所述混合器能在较短的管长内实现良好的混合。其达效长度为50mm，达效时间为10s，混合效果优异。同时，与传统微混合器相比，本实施例将管径大小提升到了毫米级，通量为142ml/min～471ml/min，能极大地提高产量，实现实际生产中高通量的需求。

实施例2：混合器的加工-3D打印

将三维数字模型转换为STL格式，导入3D打印机，设置好材料、厚度、打印速度等参数。待打印机制造完成后，取出混合器，修剪掉多余的加工材料，最后进行磨砂抛光即可。

实施例3：混合器的应用-酚酞和氢氧化钠测定混合效率

在本具体实施例中，通道外壳1的厚度为1mm，内直径为10mm，入口长度为20mm，入口圆弧半径为8mm，管长为135mm。挡板3厚度为0.2mm，间距为6mm，∠α＝∠β＝90°，单元体个数为14个，挡板表面的圆直孔的直径为0.4mm。

两种流体从通道外壳1的两个入口通道流入混合通道。流体-1含有溶解在99％乙醇中的酚酞，浓度约为0.31mol/L；流体-2含有溶解在99％乙醇中的98.3％氢氧化钠颗粒，浓度约为0.33mol/L。酚酞和氢氧化钠流通过注射器进入混合器，其体积流量由注射泵同时控制为15ml/min。通过光学测定混合过程中酚酞的颜色变化量来量化混合器的混合效果。

结果表明，随着流体的移动，混合逐渐增强，显色程度变高，在出口处混合效率高达98％，混合效果明显。

实施例4：混合器的应用-合成丙酸异丙酯

在一种具体实施例中，通道外壳1的厚度为1mm，内直径为8mm，入口长度为20mm，入口圆弧半径为8mm，管长为120mm。挡板3厚度为0.1mm，间距为7mm，∠α＝∠β＝90°，单元体个数为12个，挡板表面的圆直孔的直径为0.2mm。

将丙酸酐和硫酸按照浓度5.5mol/L混合，异丙醇浓度为0.2mol/L，分别用50ml的注射器吸取丙酸酐溶液和异丙醇溶液，将注射器固定在注射泵机器上，丙酸酐进料流速0.47ml/min，异丙醇进料流速0.28ml/min，反应温度60℃。同时按下开始，在混合器出口收集反应物，通过淬灭停止反应，然后对样品进行红外光谱分析，计算异丙醇的转化率。

测得异丙醇转化率为90％，比间歇式反应器高出四个数量级，混合效果优异。

本发明提供了一种高通量多孔混合器的思路及方法，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

1.一种高通量多孔混合器，其特征在于，包括Y型的通道外壳（1）和通道内的挡板结构（2）；所述Y型的通道外壳（1）包括两个入口通道、一个混合通道和一个出口，所述挡板结构（2）由一组挡板（3）组成，依次间隔设置在通道外壳（1）的混合通道内，相邻的两个挡板（3）以混合通道中心轴线为中心，间隔旋转90°；

所述挡板（3）的截面（5）为锯齿形，挡板（3）表面上开有通孔（4）；

所述挡板（3）垂直于液体流动方向设置，其两端与混合通道内壁固定，两侧与混合通道内壁之间留有间隙；

所述挡板（3）的厚度为0.1~5mm，挡板的长宽比为0.25~1，两侧与通道内壁之间的间隙为0.5~20mm。

2.根据权利要求1所述的高通量多孔混合器，其特征在于，所述挡板（3）锯齿形的截面（5）包括间隔分布的凸面和凹面；凸面和凹面长宽比相等，为0.1~10；凹面角度和凸面角度相等，为大于0°，小于180°。

3.根据权利要求1所述的高通量多孔混合器，其特征在于，所述挡板（3）表面上的通孔（4）直径为1～30mm的圆直孔，成列分布，其直径与所在平面宽度比为0.1~0.8。

4.根据权利要求1所述的高通量多孔混合器，其特征在于，所述通道外壳（1）的混合通道部分内管径为5~40mm，外管径为6~41mm，长度为20~1000mm。

5.根据权利要求4所述的高通量多孔混合器，其特征在于，所述入口通道长度与混合通道的长度比为0.08~8，入口圆弧半径为5~30mm。

6.权利要求1所述高通量多孔混合器在用于硝化反应、酯化反应中的应用。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，反应的流体物性参数为：粘度0.001~10Pa·s；溶液浓度0-50mg/ml；密度300~3000kg/m³；表面张力0~15N/m；流速0.005~4m/s；进料比1~50；压强0~5MPa；温度10~200℃。