CN114887556B - 一种泰勒流两相反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种泰勒流两相反应器，包括基板，所述基板上设有进料通道、气泡生成通道和反应主通道；所述进料通道的入口通过进料管道与外部装置连接，进料通道的出口连接气泡生成通道，所述气泡生成通道的出口连接反应主通道，反应主通道的出口通过出料管道与分离装置连接；所述进料通道包括进料通道I、进料通道II、进料通道III、进料通道IV和进料通道V；其中，进料通道I与气泡生成通道同轴设置，相邻进料通道之间的夹角为30～60°；所述气泡生成通道入口处的管道内径小于进料通道出口处的管道内径；气液两相反应物分别从不同进料通道流入交汇于气泡生成通道，使其在气泡生成通道内相互挤压形成泰勒气泡。本发明泰勒流反应器具有多个呈一定夹角设置的进料通道，基于不同的反应，气液两相反应物可从对应进料通道输入，在不同入口夹角下，反应器内气相在拐角处所受剪切力不同，因此能够生成不同长度的泰勒气泡，使其适用于各类型气液两相反应。

Description

一种泰勒流两相反应器
技术领域
本发明涉及一种泰勒流两相反应器。
背景技术
随着微化工技术的发展，微通道反应器的设计与应用逐渐成为一个十分重要的研究分支，在气液两相反应方向有着极为广阔的应用前景。泰勒流是微通道中最为常见的流型，由气泡与液柱交替排布组成，其内部独特的双循环流动可以极大的增强气液两相反应物之间的质量和能量交换。泰勒气泡的流动特性对于其传质传热效应起主要影响。
现有技术中泰勒流反应器设计较为简单，气液相入口固定且呈Y型排布，同时进料通道与气泡生成通道内径相同，一方面无法对气泡生成进行调控，因此无法适用于各种类型的气液两相反应，一方面在微通道内部，低气液表观流速下，泰勒流生成较慢，从而传质传热作用降低。相反地，在高气液表观流速下，气泡形态无法保持稳定，易形成环状流。
发明内容
发明目的：本发明目的旨在提供一种能够适用于各类型气液两相反应的泰勒流两相反应器。
技术方案：本发明所述的泰勒流两相反应器，包括基板，所述基板上设有进料通道、气泡生成通道和反应主通道；所述进料通道的入口通过进料管道与外部装置连接，进料通道的出口连接气泡生成通道，所述气泡生成通道的出口连接反应主通道，反应主通道的出口通过出料管道与分离装置连接；所述进料通道包括进料通道I、进料通道II、进料通道III、进料通道IV和进料通道V；其中，进料通道I与气泡生成通道同轴设置，相邻进料通道之间的夹角为30～60°；所述气泡生成通道入口处的管道内径小于进料通道出口处的管道内径；气液两相反应物分别从不同进料通道流入交汇于气泡生成通道，使其在气泡生成通道内相互挤压形成泰勒气泡。
其中，所述泰勒流两相反应器还包括盖板、换热板和分离装置，所述盖板设置于反应器两侧；所述换热板设置于基板与盖板之间，连接反应主通道出口的出料管道贯穿反应器一侧的换热板与盖板与分离装置入口连接。
其中，所述盖板、换热板以及基板均为圆形片状结构。
其中，所述分离装置包括液相分离通道与气相分离通道；所述气相分离通道由两个带法兰结构的管道拼合而成，在两个法兰结构的连接处设有滤布，滤布上涂有无水氯化钙粉末。
其中，所述反应主通道的管道内径为气泡生成通道管道内径的1.3～1.5倍。
其中，所述反应主通道的排布方式为绕基板圆心呈螺旋状分布，其螺距为2～3cm，反应主通道的出口位于基板圆心处。
其中，所述换热板上具有与反应主通道相同螺旋型的换热通道，换热板材质为高导热铜板，厚度为3～5mm。
其中，所述进料通道II和进料通道III与进料通道I的夹角均为45°，进料通道IV和进料通道V与进料通道I的夹角均为90°。
有益效果：本发明泰勒流反应器具有多个呈一定夹角设置的进料通道，基于不同的反应，气液两相反应物可从对应进料通道输入，在不同入口夹角下，反应器内气相在拐角处(气泡生成通道入口处)所受剪切力不同，因此能够生成不同长度的泰勒气泡，使其适用于各类型气液两相反应；同时，对反应主通道进行扩张，在保证泰勒流形成的同时缩短泰勒气泡，一方面有助于保持反应的稳定性(降低气液相流速)，一方面促进传质传热的进行，即强化气液间传质传热性能，使反应更充分，并且泰勒流在反应主通道内绕基板中心呈螺旋型流动，在向心力作用下，气泡与液柱中心会产生迪恩涡，进一步强化气液两相间的传质传热效果；本发明在加速泰勒气泡生成以及生成更短气泡的基础上，能够保持反应的稳定性，并强化气液间传质传热性能，使反应更充分。
附图说明
图1为现有泰勒流反应器进料通道的结构示意图；
图2为本发明泰勒流两相反应器的结构示意图；
图3为基板内微通道的结构示意图；
图4为本发明进料通道的局部放大图；
图5为分离装置的示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
如图1所示，为现有技术中Y型微通道反应器，气相和液相进料通道呈一定夹角设置，同时进料通道与气泡生成通道内径相同。
如图2～5所示，本发明泰勒流两相反应器，包括基板3，基板3上设有进料通道、气泡生成通道36和反应主通道37；进料通道的入口通过进料管道与外部装置连接，进料通道的出口连接气泡生成通道36，气泡生成通道36的出口连接反应主通道37，反应主通道37的出口38通过出料管道39与分离装置4连接；进料通道包括进料通道I31、进料通道II32、进料通道III34、进料通道IV33和进料通道V35；其中，进料通道I31与气泡生成通道36同轴设置，进料通道II32和进料通道III34与进料通道I31的夹角均为45°，进料通道IV33和进料通道V35与进料通道I31的夹角均为90°；气泡生成通道36入口处的管道内径小于进料通道出口处的管道内径，反应主通道37的管道内径为气泡生成通道36管道内径的1.5倍；反应主通道37的排布方式为绕基板3圆心呈螺旋状分布，其螺距为2～3cm；气液两相反应物分别从不同进料通道流入交汇于气泡生成通道36，使其在气泡生成通道36内相互挤压形成泰勒气泡。进料通道的内径为2.5～3mm，气泡生成通道36管道内径为2mm。
本发明泰勒流两相反应器还包括盖板1、换热板2和分离装置4，所述盖板1设置于反应器两侧；所述换热板2设置于基板3与盖板1之间，连接反应主通道37出口38的出料管道39贯穿反应器一侧的换热板2与盖板1与分离装置4入口连接；其中，盖板1、换热板2以及基板3均为圆形片状结构，直径为30～50cm。
其中，分离装置4包括液相分离通道41与气相分离通道42；气相分离通道42由两个带法兰结构的管道拼合而成，在法兰结构的连接处设有滤布，滤布上涂有无水氯化钙粉末。换热板2上具有与反应主通道37相同螺旋型的换热通道，换热板材质为高导热铜板，厚度为3～5mm。
气相液相两相反应物可从任意进料通道进入反应器，在气泡生成通道36入口处发生相互挤压，在表面张力和壁面剪切力的作用下，形成气泡与液柱相间的泰勒流。由于气泡生成通道36管道半径较进料通道细，气液两相流速快，气相边界层薄，气相容易被液相切断，从而加速泰勒流流型的产生。
泰勒气泡形成后，从气泡生成通道36进入反应主通道37；反应主通道37管道内径大于气泡生成通道36的管道内径，即反应主通道37的管道内径为气泡生成通道36管道内径的1.3倍，横截面积突然扩大使得泰勒气泡发生形变，泰勒气泡半径变大，直至与反应主通道37半径相近，同时气泡长度变短，有利于加强气液两相间的传质传热作用，传质传热作用增强能够有效增加反应速率，同时使反应更充分，横截面积的扩大也会使得气液两相流速变低，增强泰勒流内部反应的稳定性，从而使反应更为均匀。反应主通道37的排布方式为围绕基板3圆心呈螺旋状分布，气液两相流在主通道37内流动时，由于向心力的作用，液柱内部会产生迪恩涡，加强液柱与气泡内部的循环作用，进一步强化气液两相的传质传热作用。
反应主通道37出口38与分离装置4相连，通过重力作用分离气液两相(液相出口41朝下，气相出口42水平，液体受到重力作用较大向下流动，气体受到重力作用小且有一个向前的动能，所以会继续水平流动)，泰勒流液相流入液相分离通道41，气相流入气相分离通道42，气相分离通道42由两个带法兰结构421、422的管道拼合而成，在法兰结构的连接处设有滤布，滤布上涂有无水氯化钙粉末，有助于气体在流经气相分离通道42时的干燥回收再利用；法兰结构421、422有助于滤布的更换。如果是污染性较大的气体，气相分离通道42末端接气体吸收装置，如果是无污染的气体，则直接排放；液相分离通道41末端接处理装置。
采用CO2-N2混合气与乙醇胺为反应体系，气液表观流速均为0.05m/s，气相从气相进料通道进入Y型微通道反应器(图1所示)，液相从液相进料通道进入Y型微通道反应器，与相同气液表观流速下，气相从本发明反应器进料通道I31导入，液相分别从进料通道II32和进料通道III34导入时相比，气柱长度缩短约38％，这是因为在本发明气液相的进料夹角下气相受到液相压力增大，气泡更容易断裂，形成泰勒流；相同气液表观流速下，当气相从进料通道I31导入，液相分别从进料通道IV33和进料通道V35导入时，气柱长度更是缩短约44％，说明当气相从进料通道I31进料，液相分别从相对两侧进料口进料，生成泰勒气泡明显更短，气柱长度越短，能够促进传质传热效率，进而反应效率提高，反应也更充分；泰勒气泡从气泡生成通道36进入反应主通道37时，因通道直径突然扩张，气泡半径增大，长度缩短，气泡长度相比于气泡生成通道36内减少约9.6％。Y型微通道反应器内反应完成后，经测定，CO2捕获率约为43％。当气相从进料通道I31导入，液相分别从进料通道IV33和进料通道V35导入时，反应完成后，经分离装置4将气液两相分离，气相分离通道41外接皂膜流量计，经测定，CO2捕获率约为83％，说明反应很充分。当气相从进料通道I31进料，液相从两侧进料口(进料通道IV33和进料通道V35)相对进料，在气泡生成通道一方面使泰勒流更容易生成，一方面大幅缩短气泡长度，进入扩张后的反应主通道，气泡长度进一步缩短，一方面进一步提高传质传热效率，促进充分反应，一方面使气液相流速降低，提高反应稳定性。
将SO3气体从气相进料通道I31导入，将蒸馏水从液相进料通道IV33导入，气液两相流速均保持0.05m/s，在微通道内形成由SO3气泡与H2O液柱组成的泰勒流，SO3不断溶于H2O中，形成稀硫酸溶液，气泡由于溶解作用不断缩小，在出口38前端，气泡完全被吸收，该反应为强放热反应，换热板2将热量排出，反应器最高温度为45℃。针对剧烈放热反应，从进料通道I31进气相，进料通道IV33或进料通道III34进料口进液相，气液柱均变长，比表面积减小，从而减小放热速率，增加反应过程安全性。

Claims (7)

1.一种泰勒流两相反应器，其特征在于：包括基板（3），所述基板（3）上设有进料通道、气泡生成通道（36）和反应主通道（37）；所述进料通道的入口通过进料管道与外部装置连接，进料通道的出口连接气泡生成通道（36），所述气泡生成通道（36）的出口连接反应主通道（37），反应主通道（37）的出口（38）通过出料管道（39）与分离装置（4）连接；所述进料通道包括进料通道I（31）、进料通道II（32）、进料通道III（34）、进料通道IV（33）和进料通道V（35）；其中，进料通道I（31）与气泡生成通道（36）同轴设置，相邻进料通道之间的夹角为30~60°；所述气泡生成通道（36）入口处的管道内径小于进料通道出口处的管道内径；气液两相反应物分别从不同进料通道流入交汇于气泡生成通道（36），使其在气泡生成通道（36）内相互挤压形成泰勒气泡；所述反应主通道（37）的管道内径为气泡生成通道（36）管道内径的1.3~1.5倍；所述反应主通道（37）的排布方式为绕基板（3）圆心呈螺旋状分布。
2.根据权利要求1所述的泰勒流两相反应器，其特征在于：所述泰勒流两相反应器还包括盖板（1）、换热板（2）和分离装置（4），所述盖板（1）设置于反应器两侧；所述换热板（2）设置于基板（3）与盖板（1）之间，连接反应主通道（37）出口（38）的出料管道（39）贯穿反应器一侧的换热板（2）与盖板（1）与分离装置（4）入口连接。
3.根据权利要求2所述的泰勒流两相反应器，其特征在于：所述盖板（1）、换热板（2）以及基板（3）均为圆形片状结构。
4.根据权利要求2所述的泰勒流两相反应器，其特征在于：所述分离装置（4）包括液相分离通道（41）与气相分离通道（42）；所述气相分离通道（42）由两个带法兰结构的管道拼合而成，在两个法兰结构的连接处设有滤布，滤布上涂有无水氯化钙粉末。
5.根据权利要求1所述的泰勒流两相反应器，其特征在于：螺旋状分布的螺距为2~3cm。
6.根据权利要求1所述的泰勒流两相反应器，其特征在于：换热板（2）上具有与反应主通道（37）相同螺旋型的换热通道，换热板材质为高导热铜板，厚度为3~5mm。
7.根据权利要求1所述的泰勒流两相反应器，其特征在于：所述进料通道II（32）和进料通道III（34）与进料通道I（31）的夹角均为45°，进料通道IV（33）和进料通道V（35）与进料通道I（31）的夹角均为90°。
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