CN114870765A - 多环隙式泰勒反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及多环隙式泰勒反应器，包括多个定筒和多个转筒，定筒与转筒由外向内依次交替套设且依次间隔设置，定筒与转筒的中心轴线重合，且多个转筒以相同转速围绕中心轴线转动。通过设置多个转筒和多个定筒，定筒与转筒由外向内依次交替套设且依次间隔设置，定筒与转筒的中心轴线重合，因此相邻的定筒与转筒之间形成同心环隙结构，而多个转筒和多个定筒之间形成多层同心环隙结构，从而能够增大物料的处理量。且由于每个转筒的转速相同，因此能够保证多层同心环隙内流动特性的一致性，可有效避免放大效应，实现高处理通量、装置运行可靠和产品性能稳定的效果。

Description

多环隙式泰勒反应器
技术领域
本发明涉及化学反应工程技术领域，特别是涉及一种多环隙式泰勒反应器。
背景技术
基于泰勒涡原理开发的泰勒反应器，凭借其轴向返混小、反应推动力高及介质接触比表面积大等独特优势，成为一种极其重要的过程强化设备，被广泛应用于颗粒制备、光催化降解和生物细胞培养等诸多领域。但现有泰勒反应器处理通量小，远无法满足工业规模化生产需求。
针对泰勒反应器的放大，现有技术中主要的放大方法有特征参数相似法、增加转筒直径和长度法。但目前上述方法均无法突破放大效应的限制，从而使得放大方式的稳定性有待考证。
发明内容
基于此，有必要针对现有的泰勒反应器在放大过程中具有放大效应问题，提出一种多环隙式泰勒反应器。
一种多环隙式泰勒反应器，包括包括多个定筒和多个转筒，所述定筒与所述转筒由外向内依次交替套设且依次间隔设置，所述定筒与所述转筒的中心轴线重合，且所述多个转筒以相同转速围绕所述中心轴线转动。
在其中一个实施例中，任意设置在相邻两个转筒之间的定筒具有两层筒壁，所述两层筒壁之间具有环绕所述定筒的中心轴线的环形腔体，所述环形腔体与相邻两个所述定筒之间的的腔体连通，相邻两个所述定筒之间的腔体用于物料反应，所述环形腔体用于将物料排出。
在其中一个实施例中，相邻两个所述定筒的底部设置有物料进口，所述环形腔体的底壁上开设有物料出口，所述环形腔体远离所述底壁的一端为开口状结构。
在其中一个实施例中，所述多环隙式泰勒反应器还包括壳体，沿着所述定筒的径向向内的方向，所述定筒和所述转筒依次交替排布，位于最外层的所述定筒为单层筒壁，位于最外层的所述定筒与所述外壳之间开设有所述物料出口。在其中一个实施例中，沿着所述定筒的径向向外的方向，所述定筒和所述转筒依次交替排布，位于最内侧的所述定筒为单层筒壁，最内侧的所述定筒内开设有物料出口。
在其中一个实施例中，所述定筒包括挡壁，所述挡壁为环形结构，所述挡壁设置在所述两层筒壁之间，每层筒壁与所述挡壁之间设置有物料出口，所述挡壁的高度大于所述筒壁的高度。
在其中一个实施例中，沿着所述定筒的径向向内，所述物料进口的开口直径逐渐减小。
在其中一个实施例中，所述多环隙式泰勒反应器还包括物料分配器，所述物料分配器与所述物料进口连通。
在其中一个实施例中，相邻两个所述定筒之间设置有多个物料进口，所述物料分配器具有多个分配系统，所述多个分配系统分别用于输送不同的物料至对应的物料进口。
在其中一个实施例中，所述多环隙式泰勒反应器包括壳体、位于所述壳体上的端盖以及用于带动转筒转动的动力组件，所述定筒和转筒位于所述壳体内，所述多个转筒悬吊于所述端盖上，所述动力组件包括驱动件和连接板，所述连接板位于所述壳体内，所述驱动件的驱动轴穿过所述端盖与所述连接板连接，所述多个转筒分别连接于所述连接板。
上述的多环隙式泰勒反应器，通过设置多个转筒和多个定筒，定筒与转筒由外向内依次交替套设且依次间隔设置，定筒与转筒的中心轴线重合，因此相邻的定筒与转筒之间形成同心环隙结构，而多个转筒和多个定筒之间形成多层同心环隙结构，从而能够增大物料的处理量。且由于每个转筒的转速相同，因此能够保证多层同心环隙内流动特性的一致性，可有效避免放大效应，实现高处理通量、装置运行可靠和产品性能稳定的效果。
附图说明
图1为一实施例中的多环隙式泰勒反应器结构示意图；
图2为另一实施例中的多环隙式泰勒反应器结构示意图。
附图标记：100-定筒；110-筒壁；120-挡壁；
200-转筒；210-驱动件；220-连接板；
310-物料进口；320-物料出口；
400-物料分配器；
500-壳体；510-端盖；
600-进料储罐；610-进料泵；700-出料储罐。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
参阅图1，本发明一实施例提供了一种多环隙式泰勒反应器，多环隙式泰勒反应器包括多个定筒100和多个转筒200，定筒100与转筒200由外向内依次交替套设且依次间隔设置，定筒100与转筒200的中心轴线重合，且多个转筒200以相同转速围绕中心轴线转动。
在本实施例中，通过设置多个转筒200和多个定筒100，定筒100与转筒200由外向内依次交替套设且依次间隔设置，定筒100与转筒200的中心轴线重合，因此相邻的定筒100与转筒200之间形成同心环隙结构，而多个转筒200和多个定筒100之间形成多层同心环隙结构，从而能够增大物料的处理量。且由于每个转筒200的转速相同，因此能够保证多层同心环隙内流动特性的一致性，可有效避免放大效应，实现高处理通量、装置运行可靠和产品性能稳定的效果。
其中，定筒100和转筒200之间的间距可以相等也可以不相等，当定筒100和转筒200之间的间距不相等时，可以通过改变通入每层同心环隙结构内的物料量，从而保证多层同心环隙内流动特性的一致性。
具体的，相邻两个转筒200与定筒100之间的间距可以是0.1cm-10cm，转筒200的数量可以为2个-40个，转筒200的壁厚可以为0.1cm-2cm，转筒200的高度可以为10cm-250cm，转筒200的旋转速度为20rpm-6000rpm。定筒100的高度可以为10cm-150cm，定筒100的两层筒壁110之间的间距可以为0.5cm-10cm，定筒100的数量可以为2个-40个。
在一些实施例中，任意设置在相邻两个转筒200之间的定筒100具有两层筒壁，两层筒壁之间具有环绕定筒100的中心轴线的环形腔体，环形腔体与相邻两个定筒100之间的腔体连通，相邻两个定筒100之间的腔体用于物料反应，环形腔体用于将物料排出。
在实际使用时，物料从相邻两个定筒100之间进入至多层同心环隙结构内，由于转筒200和定筒100交替设置，即两个定筒100之间设置有转筒200。因此物料能够在转筒200的转动搅拌作用下均匀混合且充分反应，反应后的产物进入到定筒100的两层筒壁110之间的环形腔体内，并从物料出口320排出。即在多环隙式泰勒反应器中能够形成多个反应通道，在环隙结构中反应后的物料能够快速从相邻的两层筒壁之间排出，在增强反应器的反应通量的同时，还能够增强结构的稳定性。
进一步的，相邻两个定筒100的底部设置有物料进口310，环形腔体的底壁上开设有物料出口320，环形腔体远离底壁的一端为开口状结构。
在本实施例中，物料进口310通过管路与进料储罐600连接，管路上设置有进料泵610，进料泵610用于将进料储罐600中的物料经过管路从物料进口310位置泵入至相邻两个定筒100之间，即在进料泵610的压力作用下，能够使得物料持续向定筒100的另一端运动，同时在转筒200的搅拌作用下发生反应，且当反应后的产物上升到定筒100的另一端时，由于环形腔体远离底壁的一端为开口状结构，且两层筒壁110之间的环形腔体压力较小，反应后的产物进入到两层筒壁110之间，并从环形腔体的底壁的物料出口320排出。物料出口320设置在定筒100的两层筒壁110之间，有利于反应产物的快速排出，从而使得结构和操作简单，实现生产连续化运行，确保了产品批次稳定性。
在其中一个实施例中，转筒200设置在相邻两个定筒100之间，并且将相邻两个定筒100完全分隔，则每个定筒100与转筒200之间分别设置有一个物料进口310，用于分别向分隔后定筒100与转筒200之间的空腔提供物料。
在另外一个实施例中，转筒200设置在相邻两个定筒100之间，同时相邻两个定筒100相互连通，则物料进口310可以设置在相邻两个定筒100的中间位置，便于直接向两个定筒100之间的空腔提供物料。
在一些实施例中，多环隙式泰勒反应器还包括壳体，沿着定筒100的径向向内的方向，定筒100和转筒200依次交替排布，位于最外层的定筒100为单层筒壁，位于最外层的定筒100与外壳之间开设有物料出口320。即当物料从最外层定筒100的内侧进入到最外层定筒100与转筒200之间后，在转筒200的转动搅拌作用下形成最终产物，从而进入至最外层定筒100和外壳之间，并从位于最外层定筒100与外壳之间开设的物料出口320流出。
在另外一些实施例中，也可以沿着定筒100的径向向内的方向，定筒100和转筒200依次交替排布，是最外侧的定筒100为两层筒壁110。最外侧的定筒100的两层筒壁之间设置有物料出口320，最外侧的定筒100的内侧设置有物料进口310，即当物料从最外层定筒100的内侧进入到最外层定筒100与转筒200之间后，在转筒200的转动搅拌作用下形成最终产物，从而从定筒100的两层筒壁之间的物料出口320流出。
在一些实施例中，沿着定筒100的径向向外的方向，定筒100和转筒200依次交替排布，位于最内侧的定筒100为单层筒壁，最内侧的定筒100内开设有物料出口320。当物料从最内侧定筒100的外侧进入到定筒100与转筒200之间后，在转筒200的转动搅拌作用下形成最终产物，从而进入至最内侧定筒100，并从位于最内侧定筒100内部的物料出口320流出。
在一些实施例中，多环隙式泰勒反应器包括壳体500、位于壳体500上的端盖510以及用于带动转筒200转动的动力组件，定筒100和转筒200位于壳体500内，多个转筒200悬吊于端盖510上，动力组件包括驱动件210和连接板220，连接板220位于壳体500内，驱动件210的驱动轴穿过端盖510与连接板220连接，多个转筒200分别连接于连接板220。
具体的，驱动件210可以是电机，电机安装在端盖510远离壳体的一端，电机轴依次穿过端盖510和连接板220多个转筒200连接，多个转筒200由外向内依次排列且同轴设置，连接板220转动时能够带动多个转筒200同时转动，从而用于保证多层同心环隙内流动特性的一致性。此外还可以在壳体500内设置环形支撑座，支撑座上设置有环形轴套，环形轴套用于将转筒200可转动的连接与支撑座，从而用于增强结构的稳定性。
在其他一些实施例中，还可以是每个转筒200分别通过不同的驱动件210单独控制，从而在不同环隙结构中采用不同转速的转筒200，便于研究不用转速的转筒200对反应速度的影响。
参阅图2，在一些实施例中，定筒100包括挡壁120，挡壁120为环形结构，挡壁120设置在两层筒壁110之间，每层筒壁110与挡壁120之间设置有物料出口320，挡壁120的高度大于筒壁110的高度。
在本实施例中，挡壁120用于将两个筒壁110分隔为两个独立的环形空间，从而便于来自不同转筒200与定筒100之间的反应产物能够分别从两个独立的环形空间中流出。便于用于对比研究某一个变量，对反应特性的影响。
在一些实施例中，由于多层同心环隙结构的体积由内向外依次增大，因此为了保证单位体积内每个同心环隙结构内的处理量的一致性，沿着外壳的径向向内，物料进口310的开口直径逐渐减小。具体的，尺寸最大的物料进口310的开口直径不超过10cm，尺寸最大的物料进口310的开口直径为不小于0.1cm。
在一些实施例中，多环隙式泰勒反应器还包括物料分配器400，物料分配器400与物料进口310连通。
具体的，物料分配器400设置在定筒100远离端盖510的一端，物料分配器400通过物料进口310与相邻两个定筒100之间连通。且由于每个物料进口310的尺寸不同，物料分配器400能够实现对不同径向位置的环隙区域内进料的精准调控，有助于优化不同尺寸的物料进口310与处理量之间的匹配关系，能够充分优化设备的处理能力。
进一步的，相邻两个定筒100之间设置有多个物料进口310，物料分配器400具有多个分配系统，同时，进料储罐600的数量与分配系统的数量相同，多个进料储罐600中的物料经过多个分配系统分别用于输送不同的物料至对应的物料进口310。例如，进料储罐600的数量为两个，且分别为氯化钙进料储罐600和碳酸钠进料储罐600，相邻两个定筒100之间设置有两个物料进口310，分配系统分别用于输送氯化钙和碳酸钠至两个物料进口310。
在一些实施例中，上述多环隙式泰勒反应器可以采用有机玻璃、不锈钢、哈氏合金或镍铬合金制成，此处不做具体限制。并且本申请中的多环隙式泰勒反应器能够应用于液-液-固、气-液-固、液液及气液等多相流反应过程，且包括不局限于催化、萃取、反应、吸收和结晶等应用领域。
在一些实施例中，可选的，上述多环隙式泰勒反应器的转筒200与定筒100之间的间距为3cm，转筒200的数量为4个，厚度为2cm，高度为30cm，旋转速度为1000rpm；定筒100高度为30cm，两筒壁110之间的间距为3cm，数量为4个。多环隙式泰勒反应器的材质为不锈钢。
进一步的，使用上述多环隙式泰勒反应器，选取叔丁醇中合成二硫化二苯并噻(MBTS)反应作为实验体系，其中2-巯基苯并噻唑(MBT)：双氧水体积比为2：1；实验操作如下：打开驱动件210，通过驱动件210的驱动轴通过连接板220带动多个转筒200旋转，浓度为5％MBT的叔丁醇溶液储存在一个进料储罐600内，体积流速为100mL/min，浓度为0.5％H2O2的叔丁醇溶液储存在另外一个进料储罐600，体积流速为100mL/min，并分别被进料泵610输入物料分配器400，最终MBTS产物通过物料出口320口进入出料储罐700中，待装置稳定运行后，利用高效液相色谱法测定反应完成后MBT含量，计算得到MBT的转化率(产率)和MBTS产品纯度均保持不变，而相比于现有技术中常规的泰勒反应器处理量提高了100倍。
在另外一些实施例中，可选的，上述多环隙式泰勒反应器的转筒200与定筒100之间的间距为6cm，同轴转筒200的数量为5个，厚度为2cm，高度50cm，旋转速度为1000rpm；定筒100高度为50cm，两筒壁110之间的间距为6cm，数量为5个，定筒100距离连接板220为10cm。多环隙式泰勒反应器的材质为有机玻璃。
进一步的，使用上述多环隙式泰勒反应器，选取氯化钙和碳酸钠反应制备碳酸钙超细颗粒作为实验体系，其中氯化钙和碳酸钠的浓度均分别为0.4mol/L；实验操作如下：打开驱动件210，通过驱动件210的驱动轴通过连接板220带动多个转筒200旋转，体积流速为1000mL/min的氯化钙溶液储存在其中一个进料储罐600中，体积流速为1000mL/min的碳酸钠溶液储存在另一个进料储罐600中，并分别被进料泵610输入物料分配器400，最终碳酸钙产物通过物料出口320进入出料储罐700中，待装置稳定运行后，利用扫描电镜检测反应完成后碳酸钙超细颗粒的形貌和粒径含量，计算得到碳酸钙的颗粒平均粒径为2μm。相比于现有技术中的半歇式搅拌器内制备的碳酸钙颗粒平均粒径小2.5-5倍，且粒径分布更窄，即采用本申请的多环隙式泰勒反应器生产的物料品质更优。
上述多环隙式泰勒反应器，通过设置多个转筒200和多个定筒100，多个定筒100由内向外间隔设置，相邻两个定筒100之间设置有转筒200，即多个转筒200和多个定筒100之间形成多层同心环隙结构，从而能够增大物料的处理量。且由于每个转筒200的转速相同，且每个转筒200与定筒100之间的间距相等，因此能够保证多层同心环隙内流动特性的一致性，可有效避免放大效应，实现高处理通量、装置运行可靠和产品性能稳定的效果。
通过设置物料分配器400，物料分配器400能够实现对不同径向位置的环隙区域内进料的精准调控，有助于优化不同尺寸的物料进口310与处理量之间的匹配关系，能够充分优化设备的处理能力。
将物料出口320设置在定筒100上，有利于反应产物的快速排出，从而使得结构和操作简单，实现生产连续化运行，确保了产品批次稳定性。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种多环隙式泰勒反应器，其特征在于，包括多个定筒和多个转筒，所述定筒与所述转筒由外向内依次交替套设且依次间隔设置，所述定筒与所述转筒的中心轴线重合，且所述多个转筒以相同转速围绕所述中心轴线转动。
2.根据权利要求1所述的多环隙式泰勒反应器，其特征在于，任意设置在相邻两个转筒之间的定筒具有两层筒壁，所述两层筒壁之间具有环绕所述定筒的中心轴线的环形腔体，所述环形腔体与相邻两个所述定筒之间的的腔体连通，相邻两个所述定筒之间的腔体用于物料反应，所述环形腔体用于将物料排出。
3.根据权利要求2所述的多环隙式泰勒反应器，其特征在于，相邻两个所述定筒的底部设置有物料进口，所述环形腔体的底壁上开设有物料出口，所述环形腔体远离所述底壁的一端为开口状结构。
4.根据权利要求2所述的多环隙式泰勒反应器，其特征在于，所述多环隙式泰勒反应器还包括壳体，沿着所述定筒的径向向内的方向，所述定筒和所述转筒依次交替排布，位于最外层的所述定筒为单层筒壁，位于最外层的所述定筒与所述外壳之间开设有所述物料出口。
5.根据权利要求2所述的多环隙式泰勒反应器，其特征在于，沿着所述定筒的径向向外的方向，所述定筒和所述转筒依次交替排布，位于最内侧的所述定筒为单层筒壁，最内侧的所述定筒内开设有物料出口。
6.根据权利要求2所述的多环隙式泰勒反应器，其特征在于，所述定筒包括挡壁，所述挡壁为环形结构，所述挡壁设置在所述两层筒壁之间，每层筒壁与所述挡壁之间分别设置有物料出口，所述挡壁的高度大于所述筒壁的高度。
7.根据权利要求2所述的多环隙式泰勒反应器，其特征在于，沿着所述定筒的径向向内，所述物料进口的开口直径逐渐减小。
8.根据权利要求2所述的多环隙式泰勒反应器，其特征在于，所述多环隙式泰勒反应器还包括物料分配器，所述物料分配器与所述物料进口连通。
9.根据权利要求8所述的多环隙式泰勒反应器，其特征在于，相邻两个所述定筒之间设置有多个物料进口，所述物料分配器具有多个分配系统，所述多个分配系统分别用于输送不同的物料至对应的物料进口。
10.根据权利要求1所述的多环隙式泰勒反应器，其特征在于，所述多环隙式泰勒反应器包括壳体、位于所述壳体上的端盖以及用于带动转筒转动的动力组件，所述定筒和转筒位于所述壳体内，所述多个转筒悬吊于所述端盖上，所述动力组件包括驱动件和连接板，所述连接板位于所述壳体内，所述驱动件的驱动轴穿过所述端盖与所述连接板连接，所述多个转筒分别连接于所述连接板。
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