CN117884085A - 渐开线式径向流不等节距螺旋管反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了渐开线式径向流不等节距螺旋管反应器，反应器主体为渐开线式不等节距螺旋管。螺旋管入口旋转一周后为一阶段径向流直管入口A，继续旋转一周半为二阶段径向流直管入口B，继续旋转2周半为三阶段径向流直管入口C，以法兰连接分别与对应的原料液进料阀门相连。第一阶段螺旋管曲率半径最小，在离心力的作用下沿螺旋管近壁面形成液膜，并伴随螺旋管入口流速的增加，螺旋管近壁面法线方向流体达近重力、重力甚至超重力，两种原料液的流体混合强化达到峰值，而后两个阶段离心力场对于流体混合强化作用逐渐减弱，以径向流的湍流混合强化为主导。反应器主体三个阶段的径向流直管段空间相互独立，螺旋管路可自“吸收”第一节段离心力场导致的管路振动，保持渐开线式螺旋管反应器整体的相对稳定运行。另外，根据反应工艺的需求，若某一中间反应仍需要流场混合强化“峰值”阶段，可将两台渐开线式径向流不等节距螺旋管反应器串联运行。

Description

渐开线式径向流不等节距螺旋管反应器

技术领域

本发明涉及化工设备领域，具体而言，涉及一种渐开线式径向流不等节距螺旋管反应器。

背景技术

反应器内的流动和传递过程会影响反应物浓度和温度在时间与空间上的分布，尤其对于复杂反应过程，其目标产物的选择性以及产品的质量，与反应物间的接触方式、混合程度息息相关，而传热不良则易导致反应器温度失控安全性降低。近年来伴随连续化合成工艺逐渐替代传统间歇化合成工艺，在实现降能耗、降水耗的同时，减少污染物排出，并兼顾产品品质稳定性与设备运行本质安全。其技术升级的核心在于新型连续化反应器的研发，而连续化反应器升级的关键在于混合方式的改进，即反应进程中的宏观混合与微观混合强化路径不断被优化。

通常工业搅拌混合过程流体宏观混合时间比较长，过程强化以控制宏观混合为主导，选择改变搅拌转速、桨型、桨径、槽径、加装挡板及导流筒。然而伴随化学反应工程产业升级，微观混合对于复杂快反应体系的产物分布、产品质量及生产工艺的操作稳定性的影响逐渐成为研发新型反应器的核心问题。武汉工程大学伍沅及其合作者在传统搅拌釜的基础上研发出浸没循环撞击流反应器，采用双桨双导流筒对置结构，在双桨运行的过程中反应器中间位置形成撞击流强化微观混合，而后流体在其他区域完成宏观混合。撞击流是两股或多股流束共同射向空间一点，互相撞击是获得强烈湍流的有效方式，大大提升溶液的混合效率。德国开姆尼茨工业大学Klaus及其合作者研发一种密闭撞击流反应器反应溶液在反应器腔体内发生碰撞，流体中的物料由于惯性作用穿过撞击面渗入相向流体，撞击区内物料强烈混合。北京化工大学李志鹏及其合作者以碘化物与碘酸盐反应研究T型密闭冲击射流反应器的微混合效率，与常规搅拌槽相比密闭撞击流反应器具有更佳的微混合性能。利用外场如磁场、电场、声场、振动力场等同样能够达到强化反应器内混合效果的目的，如利用超重力场强化流体相间的相对速度，增大其相互接触面积，加快传质传热化学反应过程。伊朗谢里夫理工大学Shahrokhi及其合作者研发基于旋转盘式连续化超重力反应器，而后研发新型同轴双转盘超重力反应器，反应器内流体的微观混合被进一步强化。然而，反应器内机械构件的复杂化、高转速化虽然能够有效强化反应流体的微观混合，高制造加工成本与高运行能耗则成为工业级反应器装置大型化的限制因素。如何在一定的反应器体积内平衡混合效果与运行能耗成为研发新型连续化反应器的关键。

近年来，径向流连续化反应器由于其能够获得强烈湍流混合的潜质，与传统搅拌釜式反应器相比较，具有易于制造、高可靠性和低操作成本等优势，鉴于此“一种径向流螺旋管式结晶器”(ZL202123216135.6)被提出，其结构设计的核心在于径向直管段射流“撞击”螺旋管内流体形成湍流，螺旋管强化混合流体流动的规律性。而后伴随反应物处理量的增加，单一一台径向流螺旋管改变其螺旋管的节距获得不同的混合效果，提出“三效连续化径向流结晶成套工艺”(CN116899255A)已公开。分析一定节距下的螺旋管内反应物料在重力作用下其切向速度逐渐增加，而在小试实验中发现，伴随螺旋管内流体流速的增加，在离心力场的作用下，近螺旋壁面的流体液膜变薄，径向流“撞击”螺旋管内流体的湍流程度以及混合液体的流动规律性均有所增强。另外，伴随螺旋管内流体流速的增加离心力场作用下，反应器的振动频率也在增加，中间直管段跟随螺旋管的振动而振动，如果以中间直管为固定端抑制这种振动，则会导致直管段与螺旋管刚性连接处应力集中，随时间推移则易导致管路密封失效甚至疲劳破坏。

基于此，亟需研发一种渐开线式径向流不等节距螺旋管反应器，在解决上述振动问题的同时，实现针对复杂反应过程的产物连续化生产，提高生产效率的同时，减少副产物，降低生产成本，增强设备安全性与环境友好性。

发明内容

本发明为复杂反应过程提供一种渐开线式径向流不等节距螺旋管反应器，由离心力计算方程可知，一定初始速度条件下当旋转体系的半径减半时，切向速度增加为原来的2倍，角速度变为原来的4倍，一定质量的物体的离心力增加为原来的8倍。螺旋管反应器一阶段设定螺旋管的节距为a，螺旋管进口曲率半径由d至2d渐开，与螺旋管后两个阶段相比较，螺旋管进口曲率半径较小，原料液1以一定初始流速进入，瞬时获得较高切向流速，在离心力的作用下沿螺旋管近壁面形成液膜，原料液2由径向流直管入口A射流“撞击”螺旋管内原料液1，离心力场作用下回旋流体与径向撞击流体混合强化，加快传质传热化学反应进程，二者快速反应生成原料液3；进入螺旋管反应器二阶段设定螺旋管的节距为b，螺旋管曲率半径由3d至4d渐开，原料液4由径向流直管入口B射流撞击螺旋管内原料液3，由于螺旋管曲率半径变大离心力场的作用减弱，二者混合强化以径向撞击流的湍流混合为主导，伴随螺旋管曲率半径的增加其管长度也大幅度增加，停留时间延长原料液4与原料液3反应生成原料液5；进入螺旋管反应器三阶段设定螺旋管的节距为c，螺旋管曲率半径由5d至6d渐开，一方面如果原料液5既是最终产物，则原料液4可以在此阶段继续以一定流速由径向流直管入口C进入螺旋管，使原料液3充分反应。另一方面如果原料液5仍为中间产物，则原料液6由径向流直管入口C射流撞击螺旋管内原料液5，二者反应生成目标产物，混合强化仍以径向撞击流的湍流混合为主导。其中，螺旋管反应器一阶段节距a大于二阶段节距b，而小于三阶段节距c，即将径向流螺旋管反应器中的最佳节距——混合均匀指数最高放置于渐开线螺旋管反应器的第一阶段，伴随螺旋管入口流速的增加，在离心力场的作用下，螺旋管近壁面法线方向流体达近重力、重力甚至超重力，与径向流直管段A入口的射流“撞击”，两种原料液的流体混合强化达到峰值，而后渐开线式螺旋管延长反应原料液的停留时间，螺旋管内流体切向流速有所减弱，以径向流的湍流混合为主导。

本发明采用的技术手段如下：一种为复杂反应过程提供一种渐开线式径向流不等节距螺旋管反应器，其主体为渐开线式螺旋管，其曲率半径由d至6d，按节距a、b、c(c>a>b)分为三个阶段(部分)，可一体弯管成型，也可分为三个阶段分别弯管成型，而后由法兰连接拼接而成。第一阶段节距a曲率由d至2d，在渐开线式螺旋管进口一周后设置径向流直管入口A，并设置阀门调节原料液径向流入口流速，同样以法兰连接形式与原料液管路相连。第二阶段节距为b曲率由3d至4d，在渐开线式螺旋管接前两周旋转半周后设置径向流直管入口B，设置阀门调节原料液径向流入口流速，以法兰连接形式与原料液管路相连。第三阶段节距为c曲率由5d至6d，在渐开线式螺旋管接前四周旋转一周后设置径向流直管入口C，设置阀门调节原料液径向流入口流速，以法兰连接形式与原料液管路相连，而后再旋转一周为渐开线式螺旋管出口。其中三个阶段的径向流直管段虽在空间处于同一平面，但是相互独立进料，如此第一节段沿螺旋管壁面的高离心力作用导致的管路振动，对于各阶段的径向流直管的刚性连接影响小，并且伴随渐开线的曲率半径的增大，后续螺旋管路也可“吸收”第一阶段的管路振动，保持渐开线式螺旋管反应器整体的相对稳定运行。

由于本发明采用了以上的技术方案，为复杂反应过程提供一种渐开线式径向流不等节距螺旋管反应器，可从不同反应物之间所需混合强化程度，展现其对于复杂反应过程的技术效果：

(1)本发明采用渐开线式螺旋管作为反应器主体，第一阶段螺旋管的曲率半径最小(d～2d)，调整原料液1进口流速，于螺旋管近壁面流体获得强离心力场，形成液膜增大流体相互接触面积，一阶段径向流由直管入口A以一定流速射流原料液2，径向撞击流与螺旋管内的近重力、重力乃至超重力流相混合，此阶段为混合强化的“峰值”；原料液1与原料液2混合强化后快速反应生成原料液3，在第二阶段的螺旋管曲率半径(3d～4d)相对第一阶段有所增加，回旋流体的切向速度有所减弱，与原料液4的混合强化主要由二阶段的径向流直管入口B的径向流湍流混合为主导；伴随螺旋管曲率半径的增加反应原料液的停留时间也随之延长，在第三阶段螺旋管曲率半径(5d～6d)进一步增大，原料液3与原料液4反应生成原料液5，三阶段的径向流直管入口C一方面控制径向流流速，另一方面根据反应工艺的需求可以补充原料液4，也可注入原料液6与原料液5反应生成目标产物。

(2)本发明一种渐开线式径向流不等节距螺旋管反应器，根据反应工艺的需求，若目标产物为晶体，则可将两台渐开线式径向流不等节距螺旋管反应器串联，即将反应结晶生成目标产物的晶核阶段置于小曲率半径螺旋管阶段(d～2d)，强化微观混合获得均匀的过饱和度分布，控制目标产物晶核的尺寸分布。而后二阶段与三阶段径向流直管入口B、C不断补充反应原料液，目标产物晶核在曲率半径逐渐增大(3d～6d)的螺旋管中逐渐长大，可以根据产品的商业需求延长渐开线式螺旋管长度获得所需粒径的目标产物晶体。

附图说明

图1是渐开线式径向流不等节距螺旋管反应器主视图

图2是渐开线式径向流不等节距螺旋管反应器仰视图

图3是渐开线式径向流不等节距螺旋管反应器径向流直管段入口主视图

图4是渐开线式径向流不等节距螺旋管反应器3D视图

图中标号说明

图1渐开线式径向流不等节距螺旋管反应器由螺旋管不等节距L分为三个阶段，由上而下第一阶段L＝a，第二阶段L＝b，第三阶段L＝c，其中c>a>b。图2渐开线式径向流不等节距螺旋管反应器主体为曲率半径R＝d～6d的螺旋管，且与图1相对照，第一阶段螺旋管曲率半径R为d至2d，第二阶段螺旋管曲率半径R为3d至4d，第三阶段螺旋管曲率半径R为5d至6d。图3渐开线式径向流不等节距螺旋管反应器螺旋管入口旋转一周后为一阶段径向流由直管入口A，继续旋转一周半为二阶段径向流由直管入口B，继续旋转2周半为三阶段径向流由直管入口C，参照图4可知3个阶段的径向流由直管入口互相独立，以法兰连接分别与对应的原料液进料阀门相连。

具体实施方式

下面结合附图通过以下实施方式对本发明进一步说明。

参阅附图1～图4，渐开线式径向流不等节距螺旋管反应器由不等节距分为三个阶段，一阶段节距L＝a渐开线式螺旋管曲率半径R由d至2d，二阶段节距L＝b渐开线式螺旋管曲率半径R由3d至4d，三阶段节距L＝c渐开线式螺旋管曲率半径R由5d至6d。三个阶段螺旋管可采用一体弯管成型，也可根据不等节距分阶段弯管成型，而后以法兰连接形式拼接组成。螺旋管入口旋转一周后设置一阶段径向流由直管入口A，以法兰连接形式与原料液进料阀门相连，继续旋转一周半为二阶段径向流由直管入口B，以法兰连接形式与原料液进料阀门相连，继续旋转2周半为三阶段径向流由直管入口C，以法兰连接形式与原料液进料阀门相连。

本发明的工作过程如下：

首先原料液1以一定初始流速由渐开线式径向流不等节距螺旋管反应器上端入口进入螺旋管第一阶段，回旋流体于近壁面处在离心力场的作用下形成液膜。回转一周后，开启一阶段径向流由直管入口A的原料液2进料阀门，径向射流撞击螺旋管内回旋流体，原料液1与原料液2经混合强化后快速反应生成原料液3。而后原料液3进入螺旋管第二阶段，伴随渐开线式螺旋管曲率半径的增加，螺旋管内回旋流体的切向速度减少，离心力场对于流体传质传热的强化作用有所减弱，原料液4由径向流直管入口B射流撞击螺旋管内回旋流体原料液3，二者混合强化以径向流引发的强烈湍流混合为主导，二者反应生成原料液5。若原料液5仍为中间产物，则在螺旋管第三阶段原料液6由径向流直管入口C以一定流速进入螺旋管，与原料液5进行反应生成目标产物。若原料液5即为目标产物则螺旋管第三阶段，通过径向流直管入口C连续补充原料液4，使原料液3充分反应。

以上实施方案仅用于说明而非限制本发明的技术方案。不脱离本发明精神的任何修改或局部替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.渐开线式径向流不等节距螺旋管反应器，其特征在于，反应器主体为渐开线式不等节距螺旋管，第一阶段节距L为a，螺旋管曲率半径R为d至2d；第二阶段节距L为b，螺旋管曲率半径R为3d至4d，第三阶段节距L为c，螺旋管曲率半径R为5d至6d，其中节距L的大小为c>a>b。螺旋管入口旋转一周后为一阶段径向流由直管入口A，继续旋转一周半为二阶段径向流由直管入口B，继续旋转2周半为三阶段径向流由直管入口C，3个阶段的径向流由直管入口互相独立，以法兰连接分别与对应的原料液进料阀门相连。

2.根据权利要求1所述的渐开线式径向流不等节距螺旋管反应器，其特征在于，上述由三段不等节距螺旋管组成，第一阶段螺旋管曲率半径最小，原料液1以一定入口流速下瞬时获得较高切向流速，在离心力的作用下沿螺旋管近壁面形成液膜，原料液2由径向流直管入口A射流“撞击”螺旋管内原料液1，并伴随螺旋管入口流速的增加，螺旋管近壁面法线方向流体达近重力、重力甚至超重力，两种原料液的流体混合强化达到峰值，而后快速反应获得的原料液3沿螺旋管进入第二阶段与第三阶段，伴随螺旋管曲率半径的增加螺旋管长度倍增，反应原料液的停留时间有所延长，而后与原料液4的混合强化主要由二阶段的径向流直管入口B的径向流湍流混合为主导，二者混合强化后获得原料液5，在螺旋管第三阶段离心力场对于流体传质传热的强化作用持续减弱，径向流直管入口C一方面控制径向流流速主导湍流混合强化，另一方面根据反应工艺的需求可以补充原料液4，也可注入原料液6与原料液5反应生成目标产物。

3.根据权利要求1所述的渐开线式径向流不等节距螺旋管反应器，其特征在于，反应器主体三个阶段的径向流直管段虽在空间处于同一平面，但是相互独立进料，如此第一节段沿螺旋管壁面的高离心力作用导致的管路振动，对于各阶段的径向流直管的刚性连接影响小，并且伴随渐开线的曲率半径的增大，后续螺旋管路也可“吸收”第一阶段的管路振动，保持渐开线式螺旋管反应器整体的相对稳定运行。

4.根据权利要求1所述的渐开线式径向流不等节距螺旋管反应器，其特征在于，根据反应工艺的需求，若目标产物为晶体，则可将两台渐开线式径向流不等节距螺旋管反应器串联，即将反应结晶生成目标产物的晶核阶段置于小曲率半径螺旋管阶段(d～2d)，强化微观混合获得均匀的过饱和度分布，控制目标产物晶核的尺寸分布。而后二阶段与三阶段径向流直管入口B、C不断补充反应原料液，目标产物晶核在曲率半径逐渐增大(3d～6d)的螺旋管中逐渐长大，可以根据产品的商业需求延长渐开线式螺旋管长度获得所需粒径的目标产物晶体。