CN117816067A - 一种动态混合微通道连续流反应器 - Google Patents

Abstract

动态混合微通道连续流反应器包括反应管、转轴、第一换热器、第二换热器、联轴器和驱动装置；反应管包括第一半反应管和第二半反应管，反应管的内径大于转轴的外径，转轴以同轴的方式设置在反应管内部，驱动装置配置为能够驱动转轴与反应管相对做旋转运动；第一半反应管和第二半反应管为两个形状、尺寸相同的半圆柱，两者拼合在一起形成一个内部有圆柱形空间的反应管。反应器管道尺寸是通常管式反应器的尺寸，而在内部通过管内壁的以及转轴上的具有凹陷的挡台结构，在反应管内形成了微反应通道，从而极大地提高了管式反应器的传质传热效率。

Description

一种动态混合微通道连续流反应器

技术领域

本发明涉及连续流反应装置领域，特别涉及一种动态混合微通道连续流反应器。

背景技术

常见的微通道反应器为平面结构，属于静态混合器，虽然传质换热效果好，但对于反应器的固含量的承载能力较弱(一般必须小于10％的固载量，且固体粒径小于0.5mm)。对于固含量承载能力相对较好的管式反应器，其传质效果较差，且管径越大传质传热效果越差，放大效应越明显，从而导致生产效率较低。即使将管式反应器设计成动态转轴混合的形式，增加湍流，增强传质效果，其传质传热效果仍比传统的微通道连续流反应器相差甚远。从而使得常规连续流反应器的特异性较强，普适性较弱，需要针对不同工艺定制生产设备，相关的投入较高。故产业界急需一类工艺普适性强，可以快速组装的连续流反应器。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种动态混合微通道连续流反应器，旨在解决微通道固体承载量较低、容易堵塞通道，以及常见管式反应器混合效果不佳、换热能力弱等缺点，从而实现一种反应器对多种反应类型的覆盖，增加设备使用率，提升生产效率，降低生产成本。为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

将反应管内曲面与转轴设计为凹凸不平的连续多级结构，反应管内壁与转轴彼此嵌套，组成微小反应通道，同时通过转轴提供横向剪切力，作为动态混合的动力。反应管设计成二合一的分体式结构，一方面拆装检修方便，另一方面可以在反应管内表面和转轴表面设计高度更高的凸起，这样可以形成尺寸更小的微通道，进一步加强了传质效果。

本发明优选实施方案：

1)将转轴设计为分列式的高低凸起多齿状，高凸起高度3.0～20.0mm，凹陷部分高度为1.0～3.0mm，整体凹陷部分与反应管凸起处嵌套，可供流体经过，从侧面看为多齿结构；

2)反应管主体为一个反应物容器腔，为分体式结构，可一分为二，贴合处有密封垫片，通过容器腔内壁设计为分列式的连续流多级结构，凸出部分作为挡台，挡台高度介于3.0～20.0mm，同时挡台面上也有规则凹陷结构，此处凹陷结构深度为1.00～3.00mm，挡台与挡台之间有整体凹陷部分与转轴凸起处嵌套，可供流体经过，从侧面看为内多齿结构；

3)转轴与反应管主体嵌套结构中，转轴凸起顶部与反应管凹陷整体底部的距离介于1.0～3.0mm，反应管凸起顶部与转轴整体凹陷底部的距离介于1.0～3.0mm；

4)在反应管外部采用可拆卸、分体式的折返流通道类型夹套换热器，可一分为二，贴合处有密封垫圈，且通过固定螺栓与反应管重叠进行整合，换热器内部刻槽与反应管外壁紧密贴合，形成换热通路；

5)反应管两端由快拆法兰组成，用于整体密封，以及承载机封，固定转轴；

6)驱动装置，采用伺服电机或者气动马达等带动转轴进行转动，并可实现多级变速调整。

本发明的有益效果在于，采用本发明采用独特的结构设计，即：一方面，本发明采用的反应器管道尺寸是通常管式反应器的尺寸，而在内部通过管内壁的以及转轴上的具有凹陷的挡台结构，在反应管内形成了微反应通道，从而极大地提高了管式反应器的传质传热效率，同时具备了微通道连续流反应器传质效率高与管式反应器通量大的优点，但又避免了微通道反应器固体承载量较低、以及常规管式反应器传质传热较差的缺点。反应管设计成分体式结构，方便拆装，也由此可以将管内壁的具有凹陷的挡台结构以及转轴上的凸起结构设计成较大尺寸，从而能够形成尺寸更小的微通道，避免返混现象，进一步增强了传质效果。

附图说明

图1是本发明实施例提供的动态混合微通道连续流反应器爆炸附图。

图2是本发明实施例提供的动态混合微通道连续流反应器整体结构示意图。

图3是本发明实施例提供的动态混合微通道连续流反应器整体结构的纵截面图。

图4是本发明实施例提供的动态混合微通道连续流反应器中换热器结构示意图。

图5是本发明实施例提供动态混合微通道连续流反应器中反应管结构示意图。

图6是本发明实施例提供的动态混合微通道连续流反应器中转轴结构示意图。

图7是本发明实施例提供的动态混合微通道连续流反应器中法兰盖结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例。

在发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“远”、“近”等所指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙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、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，用以区别技术特征，不具有实质含义，不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。

实施例1

本发明的实施例提出一种动态混合微通道连续流反应器。参照图1和2，所述动态混合微通道连续流反应器包括反应管、转轴30、第一换热器10和第二换热器11、联轴器60和驱动装置70。反应管包括第一半反应管20和第二半反应管21，反应管的内径大于转轴30的外径，转轴30以同轴的方式设置在反应管20内部，驱动装置70配置为能够驱动转轴30与反应管相对做旋转运动。第一半反应管20和第二半反应管21为两个形状、尺寸相同的半圆柱，两者拼合在一起形成一个内部有圆柱形空间的反应管(参见图4)。第一半反应管20和第二半反应管21通过横向部位的螺栓进行整体固定，且两者径向贴合面设置有PTFE密封垫片。

如图1、图5所示，由第一半反应管20和第二半反应管21拼合后组成的反应管内表面设置至少一个挡台，挡台呈圆周状紧贴反应管内表面，反应管内表面的至少一个挡台高度介于3.0～20.0mm，在挡台上设置至少一个凹陷，凹陷的深度为1.00～3.00mm。如图6所示，转轴30上设置至少一个挡台，挡台呈圆周状紧贴转轴30的表面，转轴30上的至少一个挡台高度介于3.0～20.0mm，在挡台上设置至少一个凹陷，凹陷的深度为1.00～3.00mm。反应管内表面设置的至少一个挡台与转轴30上设置的至少一个挡台相互错开，使得反应管与转轴30之间的旋转运动不受影响。反应管内表面设置的至少一个挡台的高度可以根据反应管、转轴30的尺寸灵活设置，但挡台的高度不能过高，至少不能与转轴30表面接触，以免影响转轴30的转动。同样的，转轴30上设置的至少一个挡台的高度可以根据反应管、转轴30的尺寸灵活设置，但挡台的高度不能过高，至少不能与反应管的内表面接触，以免影响转轴30的转动。

根据本发明的一种实施方式，例如，反应管内表面设置至少两个挡台，至少两个挡台沿径向彼此间隔开，设置在反应管内表面。每一个挡台包括至少两个凹陷，上述至少两个凹陷均匀设置在挡台上。如图5所示，反应管内表面设置6个挡台，6个挡台沿径向彼此间隔开，设置在反应管内表面。每一个挡台包括8个凹陷，上述8个凹陷均匀设置在同一个挡台上。同一个挡台内部，凹陷深度为1.0～3.0mm，宽度为1.0～3.0mm，凹陷呈长方体形，长度介于2.0～10.0mm，挡台高度介于3.0～20.0mm，一个挡台与另个挡台之间的间隔为4.0～22.0mm。一共设置几个挡台、每个挡台中设置几个凹陷、每一个凹陷设置成什么形状、其尺寸多大，实际上并不需要严格按照上述实施例中的情形来设置，总体的原则是要通过这些反应管内表面的挡台及凹陷来扰乱流经反应管内部的反应物流，以避免返混，并增强反应物的混合效果及传质效果。根据本申请发明人的经验，反应管内表面的挡台设置3组以上效果较好，一般设置3-20个，如果反应管长度较长，也可以设置更多个，例如30个、50个、甚至100个。每一个挡台上设置6-12个凹陷，但也可以根据轴与管的周长设置更多的凹陷，每个凹陷之间间隔2.0～5.0mm，能够取得比较好的效果。

根据本发明的一种实施方式，例如，转轴30的表面设置至少两个挡台，至少两个挡台沿径向彼此间隔开，设置在转轴30表面。每一个挡台包括至少两个凹陷，上述至少两个凹陷均匀设置在转轴30同一径向位置的表面。如图6所示，转轴30表面设置6个挡台，6个挡台沿径向彼此间隔开，设置在转轴30表面。每一个挡台包括8个凹陷，上述8个凹陷均匀设置在同一挡台上。同一个挡台内部，凹陷宽度1.0～3.0mm，凹陷深度为1.0～3.0mm，凹陷呈长方体形，长度介于2.0～10.0mm，挡台高度介于3.0～20.0mm，一个挡台与另一个挡台之间的间隔为4.0～22.0mm。一共设置几个挡台、每一个挡台中设置几个凹陷、每一个凹陷设置成什么形状、其尺寸多大，实际上并不需要严格按照上述实施例中的情形来设置，总体的原则是要通过这些转轴30表面的挡台及凹陷来扰乱流经反应管20内部的反应物流，以避免返混，并增强反应物的混合效果及传质效果。根据本申请发明人的经验，转轴30内表面的挡台设置3个以上效果较好，一般设置3-20个，如果反应管长度较长，也可以设置更多个，例如30个、50个、甚至100个。每一个挡台设置6-12个凹陷，能够取得比较好的效果。

参照图5和图6，由于反应管内表面和转轴30表面都设置了挡台，并且，反应管内表面设置的6个挡台与转轴30表面设置的6个挡台彼此错开，以及不论是反应管内表面的挡台还是转轴30表面的挡台，每一个挡台都包括8个凹陷(从而也就形成8个凸起)，且均匀分布，于是转轴30可以旋转到一个位置，使得转轴30上的任一个凸起都位于反应管内表面相邻两个凸起之间。这样，流经反应管内表面相邻两个凸起之间的间隙的反应液遇到转轴30上凸起的阻挡而改变流向，这进一步增强了反应物的混合效果及传质效果。

如图1、图2所示，第一换热器10和第二换热器11拼合后为一圆筒，该圆筒内径与反应管的外径相同，且该圆筒长度与反应管长度相等，第一换热器10和第二换热器11紧密贴合在反应管外侧，由第一外圈法兰夹50、第二外圈法兰夹51、第三外圈法兰夹52、第四外圈法兰夹53固定在反应管上。在第一换热器10和第二换热器11相互贴合之处，以及在第一换热器10和第二换热器11两端与反应管贴合之处设置密封垫。第一换热器10和第二换热器11内壁具有刻槽型通路，通路宽5.0～20.0mm，深2.0～20.0mm。第一换热器10和第二换热器11两端分别有一个进/出液口，供导热流体进/出。第一法兰盖40和第二法兰盖41安装在反应管两端并密封反应管。如图2所示，转轴30一端穿过第一法兰盖40的中心孔，另一端穿过第二法兰盖41的中心孔，通过连轴器60与驱动装置70的动力输出轴相连接。图7是本发明实施例提供的动态混合微通道连续流反应器的法兰盖结构图。如图7所示，在第一法兰盖40上设置四个进/出料口：第一进/出料口400，第二进/出料口401，第三进/出料口402，第四进/出料口403，这四个进/出料口同时也可以作为探温口。在第二法兰盖41上设置四个进/出料口：第五进/出料口410，第六进/出料口411，第七进/出料口412、第八进/出料口413。

驱动装置70配置为能够驱动转轴30与反应管相对做旋转运动。根据本发明的一种实施方式，如图1、图2所示，驱动装置70的输出轴通过联轴器60与转轴30同轴连接，于是驱动装置70旋转时能够带动转轴30一起旋转，于是(彼此相互错开、彼此相邻的)反应管内表面的挡台与转轴30表面的挡台也发生相对运动，流经反应管内腔的反应物流体受到转轴30横向剪切的作用力，会被动地形成乱流，并通过转轴30表面挡台顶部与反应管之间的微小空隙进入相邻的反应管表面挡台的凸起、凹陷部分，并被进一步阻挡、分流，再次混合。以此类推，经过连续多次主动与被动混合之后，达到最佳的传质效果。同时得益于反应管内壁的挡台，以及外部的第一换热器10和第二换热器11多级折返通道设计，极大地增加了换热比表面积，换热能力得到显著提升。

将上述反应器整合，具体的反应器参数如下：1)转轴30直径15.0mm，挡台高度为4.0mm，宽4.0mm，挡台上齿缝宽2.0mm，每个挡台凹陷数为8，每个凹陷深度为1.0mm，一共6个挡台，每个重复单元(包含一个挡台和一个相邻空腔)的长度为12.0mm，轴30长度为90mm，转动速率为200rpm；2)反应管20的管壁厚为4.0mm，挡台高度为4.0mm，宽4.0mm，挡台上齿缝宽2.0mm，每个挡台凹陷数为8，每个凹陷深度为1.0mm，一共6组挡台，每个重复单元(包含一个挡台和一个相邻空腔)的长度为12.0mm，反应管20的外直径为37.0mm，总长度为72mm；3)换热器10和11，通路宽度为5.0mm，肩宽3.0mm，深度为5.0mm，换热器整体壁厚为10mm，两片换热器长度均为72mm；4)转轴30与反应管20的材质为316L不锈钢，换热器的材质为铝合金；5)反应管20与转轴30螯合组装后，持液体积约19mL。优先进行传质效果验证，采用采用植物油(流体一)、乳化剂(流体二)和水(流体三)三种流体进料进行水乳剂的制备。植物油进料量为10mL/min，乳化剂为15mL/min，水进料量为30mL/min，三种流体在20～25℃条件下，从同一端的进料口进料，经过转轴的剪切力混合后得水乳剂，经分析检测油滴粒径约0.9μm。

再进行换热能力验证，采用60℃水作为唯一流体从进料口注入反应器中，另一端出料口出来，流体流速为50mL/min，换热夹套温度设定为30℃，换热器中导热油流速为35L/min。监控热水流体进入反应器和出反应器时的温度信息。待整体工况稳定之后，60℃热水经过反应器后，出料口实际测定的流体温度为31℃，与换热器夹套温度差距+1.0℃，误差范围小于4.0％。

实施例2对比实验

在本实施例中，将反应管20内部设计成光滑无连续凸起结构，其余部件，如换热器10和11、转轴30、法兰盖40和41、法兰夹50～53都与实施例1相同。以此方案进行混合效果测试，采用植物油(流体一)、乳化剂(流体二)和水(流体三)三种流体在20～25℃条件下进料进行水乳剂的制备。植物油进料量为10mL/min，乳化剂为15mL/min，水进料量为30mL/min，三种流体从同一端的进料口进料，经过转轴的剪切力混合后得水乳剂，经分析检测油滴粒径约2.5μm。

采用60℃水作为唯一流体从进料口注入反应器中，另一端出料口出来，流体流速为50mL/min，换热夹套温度设定为30℃，换热器中导热油流速为35L/min。监控热水流体进入反应器和出反应器时的温度信息。待整体工况稳定之后，60℃热水经过反应器后，出料口实际测定的流体温度为35℃，与换热器夹套温度差距+5.0℃，误差范围在约17％。

实施例3对比实验

在本实施例中，将换热器内部的刻槽取消，换热器内表面为光滑结构，其余部件，如反应管20、转轴30、法兰盖40和41、法兰夹50～53都与实施例1相同。采用60℃水作为唯一流体从进料口注入反应器中，另一端出料口出来，流体流速为50mL/min，换热夹套温度设定为30℃，换热器中导热油流速为35L/min。监控热水流体进入反应器和出反应器时的温度信息。待整体工况稳定之后，60℃热水经过反应器后，出料口实际测定的流体温度为31.5℃，与换热器夹套温度差距+1.5℃，误差范围小于5.0％。

对上述实施例1、实施例2、实施例3的结果进行对比，可知：1)采用本发明实施例提供的动态微通道管式连续反应器，其油水混合乳化效果相较于普通管式反应器表现更加优秀，在测试条件下，乳化油滴粒径降低了178％(0.9μm vs.2.5μm)，整体乳化更加充分；2)反应管的凹凸设计，以及换热器的刻槽折返流设计，增加了反应器内部的换热面积，反应器的整体换热能力得到提升，在测试条件下，实施例1流体进口温度与换热器油的温度最接近，温度控制更加精准。

Claims (8)

1.一种动态混合微通道连续流反应器，其特征在于，所述动态混合微通道连续流反应器包括反应管、转轴(30)、第一换热器(10)、第二换热器(11)、联轴器(60)和驱动装置(70)；

反应管包括第一半反应管(20)和第二半反应管(21)，反应管的内径大于转轴(30)的外径，转轴(30)以同轴的方式设置在反应管内部，驱动装置(70)配置为能够驱动转轴(30)与反应管相对做旋转运动；第一半反应管(20)和第二半反应管(21)为两个形状、尺寸相同的半圆柱，两者拼合在一起形成一个内部有圆柱形空间的反应管。

2.根据权利要求1所述的动态混合微通道连续流反应器，其特征在于，由第一半反应管(20)和第二半反应管(21)拼合后组成的反应管内表面设置至少一个挡台，挡台呈圆周状紧贴反应管内表面，反应管内表面的至少一个挡台高度介于3.0～20.0mm，在挡台上设置至少一个凹陷，凹陷的深度为1.00～3.00mm；

优选的，第一半反应管(20)和第二半反应管(21)通过横向部位的螺栓进行整体固定，且两者径向贴合面设置有密封垫片。

3.根据权利要求2所述的动态混合微通道连续流反应器，其特征在于，转轴(30)上设置至少一个挡台，挡台呈圆周状紧贴转轴(30)的表面，转轴(30)上的至少一个挡台高度介于3.0～20.0mm，在挡台上设置至少一个凹陷，凹陷的深度为1.00～3.00mm；

反应管内表面设置的至少一个挡台与转轴(30)上设置的至少一个挡台相互错开，使得反应管与转轴(30)之间的旋转运动不受影响；转轴(30)上设置的至少一个挡台不与反应管的内表面接触；反应管内表面设置的至少一个挡台不与转轴(30)表面接触。

4.根据权利要求1-3任一项所述的动态混合微通道连续流反应器，其特征在于，反应管内表面设置至少两个挡台，至少两个挡台沿径向彼此间隔开，设置在反应管内表面；

优选的，反应管内表面设置3组以上挡台，例如设置3-20个，例如30个、50个、甚至100个；每一个挡台上设置3-30个凹陷，优选5-25个，优选6-12个，进一步优选8-10个；

优选的，每一个挡台包括至少两个凹陷，上述至少两个凹陷均匀设置在挡台上；

优选的，反应管内表面设置6个挡台，6个挡台沿径向彼此间隔开，设置在反应管内表面；每一个挡台包括8个凹陷，上述8个凹陷均匀设置在同一个挡台上；同一个挡台内部，凹陷深度为1.0～3.0mm，宽度为1.0～3.0mm，凹陷呈长方体形，长度介于2.0～10.0mm，挡台高度介于3.0～20.0mm，一个挡台与另一个挡台之间的间隔为4.0～22.0mm。

5.根据权利要求1-4任一项所述的动态混合微通道连续流反应器，其特征在于，转轴(30)的表面设置至少两个挡台，至少两个挡台沿径向彼此间隔开，设置在转轴(30)表面；

优选的，转轴(30)表面设置3组以上挡台，例如设置3-20个，例如30个、50个、甚至100个；每一个挡台上设置3-30个凹陷，优选5-25个，优选6-12个，进一步优选8-10个；

优选的，每一个挡台包括至少两个凹陷，上述至少两个凹陷均匀设置在转轴(30)同一径向位置的表面；

优选的，转轴(30)表面设置6个挡台，6个挡台沿径向彼此间隔开，设置在转轴(30)表面；

优选的，每一个挡台包括8个凹陷，上述8个凹陷均匀设置在同一挡台上；同一个挡台内部，凹陷宽度1.0～3.0mm，凹陷深度为1.0～3.0mm，凹陷呈长方体形，长度介于2.0～10.0mm，挡台高度介于3.0～20.0mm，一个挡台与另一个挡台之间的间隔为4.0～22.0mm。

6.根据权利要求1-5任一项所述的动态混合微通道连续流反应器，其特征在于，第一换热器(10)和第二换热器(11)拼合后为一圆筒，该圆筒内径与反应管的外径相同，且该圆筒长度与反应管长度相等；

优选的，第一换热器(10)和第二换热器(11)紧密贴合在反应管外侧，由第一外圈法兰夹(50)、第二外圈法兰夹(51)、第三外圈法兰夹(52)、第四外圈法兰夹(53)固定在反应管上；

优选的，在第一换热器(10)和第二换热器(11)相互贴合之处，以及在第一换热器(10)和第二换热器(11)两端与反应管贴合之处设置密封垫；

优选的，第一换热器(10)和第二换热器(11)内壁具有刻槽型通路，通路宽5.0～20.0mm，深2.0～20.0mm；

优选的，第一换热器(10)和第二换热器(11)两端分别有一个进/出液口，供导热流体进/出，第一法兰盖(40)和第二法兰盖(41)安装在反应管两端并密封反应管；

优选的，转轴(30)一端穿过第一法兰盖(40)的中心孔，另一端穿过第二法兰盖(41)的中心孔，通过连轴器(60)与驱动装置(70)的动力输出轴相连接。

7.根据权利要求6所述的动态混合微通道连续流反应器，其特征在于，在第一法兰盖(40)上设置四个进/出料口：第一进/出料口(400)，第二进/出料口(401)，第三进/出料口(402)，第四进/出料口(403)，这四个进/出料口同时也可以作为探温口；

优选的，在第二法兰盖(41)上设置四个进/出料口：第五进/出料口(410)，第六进/出料口(411)，第七进/出料口(412)、第八进/出料口(413)。

8.根据权利要求1-7任一项所述的动态混合微通道连续流反应器，其特征在于，驱动装置(70)配置为能够驱动转轴(30)与反应管相对做旋转运动；

优选的，驱动装置(70)的输出轴通过联轴器(60)与转轴(30)同轴连接，于是驱动装置(70)旋转时能够带动转轴(30)一起旋转。