CN203695040U - 列管式双环形通道双面换热大通量微通道反应器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了列管式双环形通道双面换热大通量微通道反应器，该反应器通过隔离套管（3）套装在列管（2）内，中套管（4）又套装在隔离套管（3）内，隔离套管（3）分别与列管（2）和中套管（4）之间形成两个环形间隙微通道，环形间隙间距为0.05～5mm。本实用新型采用列管式环形微通道，使得微通道的截面积得到了数量级地增加，解决了微通道反应器实现大通量难题，使得微通道反应器在化学工业中将得到广范应用，并彻底改变目前化学合成高危工艺现状，大大提高其安全性，并能有效减少对环境的污染。
Description
技术领域
本实用新型涉及微反应器，具体涉及一种列管式双环形通道双面换热大通量微通道反应器。
背景技术
微反应器是一类新型的反应设备，起源于上世纪90年代，具体来说，微反应器一般是指利用微加工技术和精密加工技术制造的带有微结构的反应设备，其特征是反应器内流体通道或者分散尺度在微米量级。作为一类新型的反应设备，微反应器的形式近年来得到了不断发展，微结构是微反应器的核心，按照微结构种类的不同产生了不同形式的微反应器，微通道反应器、毛细管微反应器、降膜式微反应器、多股并流式微反应器、微孔阵列和膜分散式微反应器以及外场强化式微反应器等，是目前典型的几种微反应器形式。
与常规反应器相比，微反应器有以下优点：（1）比表面积增大。微通道内的比表面积能达到 10，000～50，000m2/m3，而常规反应器内的比表面积只能达到 10～100m2/m3。（2）传热过程得到强化。首先，比表面积的增大使反应器内能够提供的对流传热的场所增加；其次反应器内部体积减小使温度分布能够在很短的时间内实现均一化。（3）传质过程得到强化。在微通道内，流体流动形式为层流，传质过程主要是分子间扩散。尺寸的减小能够实现快速混合，如室温下，一个水分子扩散通过 1mm 的距离需要大约200s 的时间，但是通过 50μm 的距离只需要大约5s 的时间。另外，比表面积的增大为传质过程提供了更大的场所。（4）反应需要的物料量小。微反应器的内部体积一般在mL数量级，既避免了反应物的浪费，也防止了产物对环境的污染。（5）反应更加安全。微反应器采用连续流动反应，在反应器中停留的反应物料量很少，反应过程更容易控制，即使硝化反应等强放热过程也可以安全的进行。（6）“数量放大”。与常规工艺不同，微反应器的工业放大采用并行操作的“数量放大”方式，实现从实验室到工业生产过程的直接放大，使实际生产更加灵活。因此，微反应器作为一类新型的反应器的出现，是对传统化工小试和中试生产装备的重大革新，它打开了新时代高效化学研发和生产的窗口，使现代化工向着更为绿色、安全、高效的方向发展。
微反应器除了拥有上述优点外，也还存在着一些缺点，它的致命缺点是无法实现大通量。多年来微反应器技术一直徘徊在研发和科研应用阶段，停留在“微小”的流体通量水平上，主要用于实验室小剂量化学合成路线的研究和筛选。将微反应器优良的传质和传热效能体现在大规模的产业化装置中，一直是该领域的瓶颈，即便是在微反应器开发处于领先地位的康宁公司，也只实现了单台年通量最高达到4000多吨的能力。目前，利用微反应器进行大规模生产，只能依靠增加微反应器的台数，但数量增加时，微反应器的检测和控制的复杂程度会大大增加，成本相应增加。
发明内容
本实用新型的目的在于：提供一种列管式双环形通道双面换热大通量微通道反应器，解决目前微反应器在大生产应用中产能小的难题，轻松实现几万吨产能，甚至可以达到数十万吨产能。
本实用新型的技术解决方案是：该列管式双环形通道双面换热大通量微通道反应器包括：筒体、列管、隔离套管、中套管、内套管、一号法兰、三号法兰管板、三号法兰、一号封头、二号管箱、二号法兰、二号法兰管板、一号管箱、一号法兰管板、折流板、定距圆钢、二号封头、支撑花板、四号法兰和四号法兰管板，筒体的一端焊接在一号法兰管板上，筒体的另一端焊接在四号法兰管板上，筒体内带有折流板，筒体上设有换热介质进口和换热介质出口，列管套装在筒体内，列管的一端焊接在一号法兰管板上，列管的另一端焊接在四号法兰管板上，隔离套管的一端支撑在支撑花板上，隔离套管的另一端套装在列管内且与一号法兰管板平齐，中套管的一端焊接在二号法兰管板上，中套管的另一端盲死并套装在隔离套管内，中套管的端口与四号法兰管板平齐，在中套管盲端和中套管与一号法兰管板相交处的两个位置外壁上分别焊接定距圆钢，内套管套装在中套管内，内套管的一端焊接在三号法兰管板上，内套管的另一端悬空且与中套管盲端保留一定的间隙，一号管箱的一端通过一号法兰与一号法兰管板相连接，一号管箱的另一端焊接在二号法兰管板上，一号管箱上设有反应液出口，二号管箱的一端通过二号法兰与二号法兰管板相连接，二号管箱的另一端焊接在三号法兰管板上，二号管箱上设有换热介质出口，一号封头通过三号法兰与三号法兰管板相连接，一号封头上设有换热介质进口，支撑花板焊接在二号封头内，二号封头通过四号法兰与四号法兰管板相连接，二号封头上设有物料进口，整体构成了列管式双环形通道双面换热大通量微通道反应器。
本实用新型的隔离套管套装在列管内，中套管又套装在隔离套管内，隔离套管分别与列管和中套管之间形成两个环形间隙，环形间隙间距为0.05～5mm，以0.2～1mm为优，形成双环形微通道。
本实用新型的列管的数量为2～10000根，根据产能要求以100～1000根为优，列管的直径d1为5～108mm，以18～57mm为优，列管的长度L为500～12000mm，以1000～3000mm为优。
本实用新型的内套管套装在中套管内，中套管的一端封闭为盲端，内套管悬空的一端与中套管盲端之间保留一定的间隙，形成一个环形间隙回路，换热介质从一号封头上换热介质进口进入内套管，流经环形间隙回路，与微通道内的反应液进行热交换，最终从二号管箱上换热介质出口流出，实现内层换热。
本实用新型的支撑花板的孔径d3小于隔离套管的直径d2，使支撑花板对隔离套管起到支撑作用，采用支撑花板支撑隔离套管，但不限于此种固定方式，还包括其他任何方式的固定和支撑。
本实用新型在中套管盲端和中套管与一号法兰管板相交处的两个位置外壁上分别焊接定距圆钢来固定环隙大小并保持环形微通道的畅通。
本实用新型结构中去掉隔离套管，则列管与中套管之间形成单环形微通道结构。
本实用新型具有以下优点：
（1）由于列管式双环形通道设计，使得该反应器微通道的截面积非常大，当进料压力为0.3Mpa、微通道环隙间距为0.6mm时，单管单环形微通道物料的通量可达到1080 m3/年；当微通道环隙间距为1mm时，该单管微通道物料的通量可达到9000 m3/年。如果制造一台直径为600mm的该种反应器，列管数量约为100根，当环隙为0.6mm时，反应器的年产能就可轻松达到10万吨级。因此物料通量得到了数量级的增加，彻底解决了微通道反应器如何实现大通量这一世界性难题，使得微通道反应器在化学工业中将得到广泛应用，并彻底改变目前化学合成高危工艺现状，大大提高其安全性，使得化工生产装置向小型化、集成化、智能化等方向发展；
（2）该反应器比表面积非常大，当列管直径在25～27mm、环隙为0.5～1mm时，比表面积可达到2，041～4，082m2/m3，而当环隙为0.2mm时，其反应器比表面积可达到10，616 m2/m3，如此大的比表面积满足各种强烈吸（放）热反应；
（3）采用该反应器替代传统的反应釜，从而简化工艺流程，减小占地面积，减少用工，节省投资，降低运行成本；
（4）该反应器还特别适用于各种等温硝化以及绝热硝化反应，由于反应系统内所容纳的反应物料极少（一般只有几公斤到几十公斤），使得生产非常安全，这有效地解决了许多化学合成的危险性问题，并能有效减少对环境的污染；
（5）该反应器还特别适用于需要使用昂贵的稀有金属（如钽材、锆材等）制造反应设备和换热器的情况，使用该结构反应器不仅可以满足高压反应，更能有效节约这些昂贵材料，例如很多在硫酸、硝酸等强酸存在下的高温高压反应以及高温绝热硝化反应等。
（6）本实用新型中单（双）环形微通道结构的设计，使得该列管式双环形通道双面换热大通量微通道反应器还可以作为高效换热器使用。
（7）本实用新型适合各种金属和非金属材料制作，尤其以不锈钢为优。
（8）本实用新型适用于还原类反应、氧化类反应、中和类反应、制造纳米材料、环保工程的废水及废气处理等。
附图说明
图1为本实用新型双环微通道结构主视示意图。
图2为本实用新型双环微通道的A-A剖视示意图。
图3为本实用新型双环微通道结构截面示意图。
图4为本实用新型单环微通道结构主视示意图。
图5为本实用新型单环微通道的A-A剖视示意图。
图6为本实用新型单环微通道结构截面示意图。
图中：1筒体，2列管，3隔离套管，4中套管，5内套管，6一号法兰，7三号法兰管板，8三号法兰，9一号封头，10二号管箱，11二号法兰，12二号法兰管板，13一号管箱，14一号法兰管板，15折流板，16定距圆钢，17二号封头，18支撑花板，19四号法兰，20四号法兰管板。
具体实施方式
如图1-3所示，该列管式双环形通道双面换热微通道反应器包括：筒体1、列管2、隔离套管3、中套管4、内套管5、一号法兰6、三号法兰管板7、三号法兰8、一号封头9、二号管箱10、二号法兰11、二号法兰管板12、一号管箱13、一号法兰管板14、折流板15、定距圆钢16、二号封头17、支撑花板18、四号法兰19和四号法兰管板20，筒体1的一端焊接在一号法兰管板上14上，筒体1的另一端焊接在四号法兰管板20上，筒体1内带有折流板15，筒体1上设有换热介质进口和换热介质出口，列管2套装在筒体1内，列管2的一端焊接在一号法兰管板14上，列管2的另一端焊接在四号法兰管板20上，隔离套管3的一端支撑在支撑花板18上，隔离套管3的另一端套装在列管2内且与一号法兰管板14平齐，中套管4的一端焊接在二号法兰管板12上，中套管4的另一端盲死并套装在隔离套管3内，中套管4端口与四号法兰管板20平齐，在中套管4盲端和中套管4与一号法兰管板14相交处的两个位置外壁上分别焊接定距圆钢16，内套管5套装在中套管4内，内套管5的一端焊接在三号法兰管板7上，内套管5的另一端悬空且与中套管4盲端保留一定的间隙，一号管箱13的一端通过一号法兰6与一号法兰管板14相连接，一号管箱13的另一端焊接在二号法兰管板12上，一号管箱13上设有反应液出口，二号管箱10的一端通过二号法兰11与二号法兰管板12相连接，二号管箱10的另一端焊接在三号法兰管板7上，二号管箱10上设有换热介质出口，一号封头9通过三号法兰8与三号法兰管板7相连接，一号封头9上设有换热介质进口，支撑花板18焊接在二号封头17内，二号封头17通过四号法兰19与四号法兰管板20相连接，二号封头17上设有物料进口，整体构成列管式双环形通道双面换热大通量微通道反应器。
本实用新型的隔离套管3套装在列管2内，中套管4又套装在隔离套管3内，隔离套管3分别与列管2和中套管4之间形成两个环形间隙，环形间隙间距为0.05～5mm，以0.2～1mm为优，形成双环形微通道。
本实用新型的列管2的数量为2～10000根，根据产能要求以100～1000根为优，列管的直径d1为5～108mm，以18～57mm为优，列管的长度L为500～12000mm，以1000～3000mm为优。
本实用新型的内套管5套装在中套管4内，中套管4的一端封闭为盲端，内套管5悬空的一端与中套管4盲端之间保留一定的间隙，形成一个环形间隙回路，换热介质从一号封头9上换热介质进口进入内套管5，流经环形间隙回路，与微通道内的反应液进行热交换，最终从二号管箱10上换热介质出口流出，内层换热。
本实用新型的支撑花板18的孔径d3小于隔离套管3的直径d2，支撑花板18支撑隔离套管3，还包括其他任何方式的固定和支撑。
本实用新型在中套管4盲端和中套管4与一号法兰管板14相交处的两个位置外壁上分别焊接定距圆钢16来固定环隙大小并保持环形微通道的畅通。
如图4-6所示，本实用新型结构中去掉隔离套管3，则列管2与中套管4之间形成单环形微通道结构。
安装时，保证列管2、隔离套管3、中套管4和内套管5同心同轴；使用时，经过过滤和混合后的物料从二号封头17上的物料进口进入反应器，在环形微通道内进行反应，反应液从一号管箱13上的反应液出口流出到下道工序；换热介质从筒体1上换热介质进口进入，在筒体1与列管2之间的间隙内流动，与微通道内的反应液进行热交换，最后从筒体1上换热介质出口流出；换热介质从一号封头9上换热介质进口进入内套管5，流经内套管5和中套管4形成的环形间隙回路，与微通道内的反应液进行热交换，最终从二号管箱10上换热介质出口流出。
Claims (8)
1.列管式双环形通道双面换热大通量微通道反应器，其特征是：该列管式双环形通道双面换热微通道反应器包括：筒体（1）、列管（2）、隔离套管（3）、中套管（4）、内套管（5）、一号法兰（6）、三号法兰管板（7）、三号法兰（8）、一号封头（9）、二号管箱（10）、二号法兰（11）、二号法兰管板（12）、一号管箱（13）、一号法兰管板（14）、折流板（15）、定距圆钢（16）、二号封头（17）、支撑花板（18）、四号法兰（19）和四号法兰管板（20），筒体（1）的一端焊接在一号法兰管板上（14）上，筒体（1）的另一端焊接在四号法兰管板（20）上，筒体（1）内带有折流板（15），筒体（1）上设有换热介质进口和换热介质出口，列管（2）套装在筒体（1）内，列管（2）的一端焊接在一号法兰管板（14）上，列管（2）的另一端焊接在四号法兰管板（20）上，隔离套管（3）的一端支撑在支撑花板（18）上，隔离套管（3）的另一端套装在列管（2）内且与一号法兰管板（14）平齐，中套管（4）的一端焊接在二号法兰管板（12）上，中套管（4）的另一端盲死并套装在隔离套管（3）内，中套管（4）端口与四号法兰管板（20）平齐，在中套管（4）盲端和中套管（4）与一号法兰管板（14）相交处的两个位置外壁上分别焊接定距圆钢（16），内套管（5）套装在中套管（4）内，内套管（5）的一端焊接在三号法兰管板（7）上，内套管（5）的另一端悬空且与中套管（4）盲端保留一定的间隙，一号管箱（13）的一端通过一号法兰（6）与一号法兰管板（14）相连接，一号管箱（13）的另一端焊接在二号法兰管板（12）上，一号管箱（13）上设有反应液出口，二号管箱（10）的一端通过二号法兰（11）与二号法兰管板（12）相连接，二号管箱（10）的另一端焊接在三号法兰管板（7）上，二号管箱（10）上设有换热介质出口，一号封头（9）通过三号法兰（8）与三号法兰管板（7）相连接，一号封头（9）上设有换热介质进口，支撑花板（18）焊接在二号封头（17）内，二号封头（17）通过四号法兰（19）与四号法兰管板（20）相连接，二号封头（17）上设有物料进口，整体构成列管式双环形通道双面换热大通量微通道反应器。
2.根据权利要求1所述的列管式双环形通道双面换热大通量微通道反应器，其特征是：隔离套管（3）套装在列管（2）内，中套管（4）又套装在隔离套管（3）内，隔离套管（3）分别与列管（2）和中套管（4）之间形成两个环形间隙微通道，环形间隙间距为0.05～5mm。
3.根据权利要求2所述的列管式双环形通道双面换热大通量微通道反应器，其特征是：环形间隙间距为0.2～1mm。
4.根据权利要求1所述的列管式双环形通道双面换热大通量微通道反应器，其特征是：列管（2）的数量为2～10000根，列管的直径d1为5～108mm，列管的长度L为500～12000mm。
5.根据权利要求4所述的列管式双环形通道双面换热大通量微通道反应器，其特征是：列管（2）的数量为100～1000根，列管的直径d1为18～57mm，列管的长度L为1000～3000mm。
6.根据权利要求1所述的列管式双环形通道双面换热大通量微通道反应器，其特征是：内套管（5）套装在中套管（4）内，中套管（4）的一端封闭为盲端，内套管（5）悬空的一端与中套管（4）盲端之间保留一定的间隙，形成一个环形间隙回路，换热介质从一号封头（9）上换热介质进口进入内套管（5），流经环形间隙回路，与微通道内的反应液进行热交换，最终从二号管箱（10）上换热介质出口流出。
7.根据权利要求1所述的列管式双环形通道双面换热大通量微通道反应器，其特征是：支撑花板（18）的孔径d3小于隔离套管（3）的直径d2，支撑花板（18）支撑隔离套管（3）。
8.根据权利要求1所述的列管式双环形通道双面换热大通量微通道反应器，其特征是：去掉隔离套管（3），列管（2）与中套管（4）之间形成单环形微通道。
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