CN211436155U

CN211436155U - 一种微反应器

Info

Publication number: CN211436155U
Application number: CN201922029419.0U
Authority: CN
Inventors: 王农跃; 沙艳松; 赵全忠; 李斌; 杨文学; 许坚
Original assignee: Jiangsu Fangyuan Aramid Research Institute Co ltd
Current assignee: Jiangsu Fangyuan Aramid Research Institute Co ltd
Priority date: 2019-11-22
Filing date: 2019-11-22
Publication date: 2020-09-08
Anticipated expiration: 2029-11-22

Abstract

本申请公开了一种微反应器，包括套管式反应器主体，具体包括内套管、中间套管和外套管，内套管和中间套管设有内螺纹和外螺纹，外套管设有内螺纹，将内套管的外壁和中间套管的内壁之间形成的螺旋状流通路径作为反应通道，内套管自身、以及中间套管外壁和外套管形成的流通路径作为换热媒介通道。本申请的微反应器，持液量小，安全系数高；改善了换热过程中液膜对传热系数的影响，传热系数高达10000～25000W/(m²·K)以上；内外换热媒介流通路径采用螺旋状通道，提高了单位体积的传热面积，达到传统微反应器的5倍左右；物料在螺纹流道内流动，不断混合、分离、再混合，反复剪切、错流，传质效果更好，进一步改善了化学反应的效率。

Description

一种微反应器

技术领域

本申请涉及化工设备技术领域，具体涉及一种微反应器。

背景技术

微反应器(Micro reactor)又称为微通道反应器(Micro-channel reactor)，是微型反应器、微型混合器、微型换热器、微型控制器等微通道化工设备的通称。微反应器从本质上讲是一种连续流动型的管道式反应器，现有微反应器主要是通过蚀刻、光刻等方法在玻璃片、硅片、聚甲基丙烯酸甲酯和聚二甲基硅氧烷等材料上加工而得。

众所周知，在精细化工行业中，最危险的地方是反应单元，造成危险的主要原因是换热面积不足，不能将反应热及时移走。

为了提高换热效率，CN107073583A公开了一种微反应器，该微反应器的特征在于被包裹在导热基体材料内的耐蚀微通道网络，在该基体材料内可以限定出一个或多个中空的热交换通道；CN107433174A公开了一种微反应器，其包括外壳和内芯，所述外壳具有中空内腔，所述内芯设置于所述外壳的所述中空内腔中、并在所述内芯外壁与所述外壳的内壁之间形成用于进行微反应的反应通道，其中所述反应通道为螺旋形状的螺旋通道。并通过在中空管结构的所述内芯的内表面也设置内螺纹结构的方式，增大换热介质与内心内壁之间的接触面积，提升其与内芯管外介质的换热面积，从而有效地提高微反应器的换热效率。

根据精细化工行业的性质，有必要开发一款换热效率高的微反应器。

发明内容

根据精细化工行业的性质，发明人研发出了一种传热、传质系数高的微反应器，采用如下技术方案：

一种微反应器，包括套管式反应器主体，所述套管式反应器主体包括内套管、中间套管和外套管，所述内套管和中间套管均设有内螺纹和外螺纹，所述外套管设有内螺纹，所述内套管的外壁和中间套管的内壁之间形成的螺旋状流通路径作为反应通道，所述内套管自身的螺旋状流通路径作为换热媒介通道Ⅰ，所述中间套管的外壁和外套管的内壁之间形成的螺旋状流通路径作为换热媒介通道Ⅱ。

优选的，所述内套管的外螺纹和中间套管的内螺纹方向相反，从微反应器的一端观察，一个螺纹的方向为顺时针旋转，另一个螺纹的方向为逆时针旋转。

进一步优选的，所述内套管的外螺纹和中间套管的内螺纹的螺距相等。

优选的，所述中间套管的外螺纹和外套管的内螺纹方向相反，从微反应器的一端观察，一个螺纹的方向为顺时针旋转，另一个螺纹的方向为逆时针旋转。

优选的，所述内套管外螺纹的最大半径与中间套管内螺纹的最小半径之差为1μm～3000μm，优选500～1000μm。

优选的，所述中间套管外螺纹的最大半径与外套管内螺纹的最小半径之差为1000μm～3000μm。

优选的，所述反应通道和换热媒介通道Ⅰ中流体的流动方向相反，所述反应通道和换热媒介通道Ⅱ中流体的流动方向相反，反应通道中流体与内外二个换热媒介通道中流体均为逆流状态。

本领域技术人员能够理解所述微反应器包括反应物料进口、反应物料出口、换热媒介进口以及换热媒介出口。

优选的，所述反应物料进口、反应物料出口、换热媒介进口以及换热媒介出口数量为一个以上。

在本申请的一种优选实施方式中，所述内套管内部设有一根具有外螺纹且外径小于内套管的管道。

进一步优选的，所述管道外螺纹的最大半径与内套管内螺纹的最小半径之差为1000μm～3000μm；所述管道外螺纹的方向与内套管内螺纹方向相反，所述管道与内套管形成的螺旋状流通路径依然作为换热媒介通道。所述管道自身的流通路径也可以继续作为换热媒介通道。

优选的，所述内螺纹和外螺纹为梯形螺纹。

优选的，所述梯形螺纹牙高为1.5～10.5mm，进一步优选为3.5～4.5mm。

优选的，所述梯形螺纹螺距为2～20mm，进一步优选为8mm。

优选的，所述内套管、中间套管和外套管的轴中心线重叠，内套管、中间套管和外套管通过压紧螺杆进行固定。

进一步地，所述内套管、中间套管和外套管的两端分别设置有盖板，并通过“O”型圈进行密封。

与现有技术相比，本申请微反应器具有以下有益效果：

(1)本申请的微反应器，在螺旋状反应通道的内外均设置有螺旋状的换热媒介通道，换热效果更好；

(2)组成反应通道的内套管的外螺纹和中间套管的内螺纹，从微反应器的一端观察，一个螺纹方向为顺时针旋转，另一个螺纹方向为逆时针旋转，进一步增加了反应流体与器壁垂直碰撞概率与碰撞强度(动量)，提高了微反应器的传热系数；

(3)在反应物料螺旋式流动过程中，内外二侧的换热介质同时不断地冲刷换热媒介流道的表面，改善了换热过程中液膜对传热系数的影响，传热系数可达10000～25000W/(m²·K)以上；

(4)物料在本申请设计的螺旋流道内流动，与物料流道外壁和内壁不断的碰撞，并在离心力的作用力下，形成物料不断混合、分离、再混合的过程，反复剪切、错流，传质效果好，提高了反应动力系数；

(5)反应通道的内、外的换热媒介采用螺旋状流通路径，提高了单位体积的传热面积，是传统微反应器的5倍左右，能够达到10000～25000m²/m³；

(6)本申请的微反应器中，反应物料通过的反应通道为内套管和中间套管之间形成的间隙层，持液量少，极大的降低了某些反应的危险系数，例如硝化反应，可以解决局部过热所产生的副产物，甚至一些易爆副产物，有效控制产率和选择性，反应的安全系数明显提高。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本申请实施例1微反应器的剖面图；

图2为套管式反应器主体的分解示意图；

图3为图1A处的放大示意图；

图4为本申请实施例1微反应器的径向截面示意图；

图5为本申请实施例1微反应器内反应物料流动、碰撞示意图；

附图标记：1-内套管，2-中间套管，3-外套管，4-换热媒介流通路径Ⅰ，5-反应流通路径，6换热媒介流通路径Ⅱ，7-压紧螺杆，8-换热媒介流通路径Ⅰ出口，9-反应物料进口，10-换热媒介流通路径Ⅱ出口，11-换热媒介流通路径Ⅰ进口，12-反应物料出口，13-换热媒介流通路径Ⅱ进口，14-凸起部，15-凹陷部，16-盖板。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本申请进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本申请，但不以任何形式限制本申请。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本申请的保护范围。

如图1和2所示，一种微反应器，包括套管式反应器主体，所述套管式反应器主体包括内套管1、中间套管2和外套管3，所述内套管1和中间套管2均设有内螺纹和外螺纹，所述外套管3设有内螺纹，所述内套管1的外壁和中间套管2的内壁之间形成的螺旋状流通路径作为反应通道5，所述内套管1自身作为换热媒介通道Ⅰ4，所述中间套管2的外壁和外套管的内壁之间形成的螺旋状流通路径作为换热媒介通道Ⅱ6。

所述内套管的外螺纹和中间套管的内螺纹方向相反，从微反应器的一端观察，一个螺纹的方向为顺时针旋转，另一个螺纹的方向为逆时针旋转；所述内套管的外螺纹和中间套管的内螺纹的螺距相等。所述中间套管的外螺纹和外套管的内螺纹方向相反，从微反应器的一端观察，一个螺纹的方向为顺时针旋转，另一个螺纹的方向为逆时针旋转。

如图3所示，本实施例中，所述内螺纹和外螺纹为梯形螺纹，所述梯形螺纹牙高h为4mm，所述梯形螺纹凹陷部上底边(较短的底边)长度L1为3.5mm、下底边(较长的底边)长度L2为4.5mm；所述梯形螺纹凸起部14的上底边a的长度与梯形螺纹凹陷部15上底边的长度L1相同，所述梯形螺纹凸起部14的下底边b与梯形螺纹凹陷部15下底边的长度L2相同；所述螺距p为8mm；内套管外螺纹的最大半径与中间套管内螺纹的最小孔半径之差H为1000μm。

本领域技术人员能够理解所述微反应器包括反应物料进口9、反应物料出口12、换热媒介流通路径Ⅰ进口11、换热媒介流通路径Ⅰ出口8、换热媒介流通路径Ⅱ进口13以及换热媒介流通路径Ⅱ出口10。如图4所示，在套管式反应器主体的一端设置有反应物料进口、换热媒介流通路径Ⅰ出口和换热媒介流通路径Ⅱ出口，在套管式反应器主体的另一端设置有反应物料出口、换热媒介流通路径Ⅰ进口和换热媒介流通路径Ⅱ进口。本实施例中微反应器包括四个反应物料进口9、四个反应物料出口图中未显示、四个换热媒介流通路径Ⅰ出口8、四个换热媒介流通路径Ⅰ进口图中未显示、四个换热媒介流通路径Ⅱ出口10和四个换热媒介流通路径Ⅱ进口图中未显示，均布于径向方向截面上。特别是对于反应物料的进/出口，由于反应流道缝隙小，采用多个反应物料进/出口，可以根据需要调整反应物料量。所述内套管、中间套管和外套管的轴中心线重叠，并通过压紧螺杆7进行固定，本实施例中采用4根双头螺杆；所述内套管、中间套管和外套管的两端分别通过盖板16和“O”型圈进行密封。所述反应物料进口/出口、换热媒介流通路径Ⅰ进口/出口和换热媒介流通路径Ⅱ进口/出口，穿透盖板16。

如图5所示，所述反应通道和换热媒介通道Ⅰ中流体的流动方向(见图中箭头方向)相反，所述反应通道和换热媒介通道Ⅱ中流体的流动方向相反，反应通道中流体与内外二个换热媒介通道中流体均为逆流状态。

本申请微反应器占地面积小，且易于加工，只需要在所需的管道的内周面和外周面上切削出螺纹即可，设备成本低。优选的，所述内套管、外套管和中间套管的管壁厚度为10～30mm，可以根据反应压力、温度的不同进行选择。

还可以根据需要，在内套管内部设一根具有外螺纹且外径小于内套管的管道，所述管道外螺纹的最大半径与内套管内螺纹的最小半径之差为1000μm～3000μm；所述管道外螺纹的方向与内套管内螺纹方向相反，所述管道与内套管形成的螺旋状流通路径依然作为换热媒介通道。所述管道自身的流通路径也可以继续作为换热媒介通道，进一步提高传热系数。

以上对本申请的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本申请并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本申请的实质内容。

Claims

1.一种微反应器，其特征在于，包括套管式反应器主体，所述套管式反应器主体包括内套管、中间套管和外套管，所述内套管和中间套管均设有内螺纹和外螺纹，所述外套管设有内螺纹，所述内套管的外壁和中间套管的内壁之间形成的螺旋状流通路径作为反应通道，所述内套管自身的螺旋状流通路径作为换热媒介通道Ⅰ，所述中间套管的外壁和外套管的内壁之间形成的螺旋状流通路径作为换热媒介通道Ⅱ。

2.根据权利要求1所述微反应器，其特征在于，所述内套管的外螺纹和中间套管的内螺纹方向相反，从微反应器的一端观察，一个螺纹的方向为顺时针旋转，另一个螺纹的方向为逆时针旋转。

3.根据权利要求2所述微反应器，其特征在于，所述内套管的外螺纹和中间套管的内螺纹的螺距相等。

4.根据权利要求1所述微反应器，其特征在于，所述中间套管的外螺纹和外套管的内螺纹方向相反，从微反应器的一端观察，一个螺纹的方向为顺时针旋转，另一个螺纹的方向为逆时针旋转。

5.根据权利要求1所述微反应器，其特征在于，所述内套管外螺纹的最大半径与中间套管内螺纹的最小半径之差为1μm～3000μm。

6.根据权利要求1所述微反应器，其特征在于，所述内套管外螺纹的最大半径与中间套管内螺纹的最小半径之差为500～1000μm。

7.根据权利要求1所述微反应器，其特征在于，所述中间套管外螺纹的最大半径与外套管内螺纹的最小半径之差为1000μm～3000μm。

8.根据权利要求1所述微反应器，其特征在于，所述反应通道和换热媒介通道Ⅰ中流体的流动方向相反，所述反应通道和换热媒介通道Ⅱ中流体的流动方向相反。

9.根据权利要求1所述微反应器，其特征在于，所述微反应器包括反应物料进口、反应物料出口、换热媒介进口以及换热媒介出口，所述反应物料进口、反应物料出口、换热媒介进口以及换热媒介出口数量为一个以上。

10.根据权利要求1～8任一项所述微反应器，其特征在于，所述内套管内部设有一根具有外螺纹且外径小于内套管的管道。

11.根据权利要求10所述微反应器，其特征在于，所述管道外螺纹的最大半径与内套管内螺纹的最小半径之差为1000μm～3000μm。

12.根据权利要求1所述微反应器，其特征在于，所述内螺纹和外螺纹为梯形螺纹，所述梯形螺纹牙高为1.5～10.5mm；所述梯形螺纹螺距为2～20mm。

13.根据权利要求12所述微反应器，其特征在于，所述梯形螺纹牙高为3.5～4.5mm；所述梯形螺纹螺距为8mm。