TWI413547B - 使用波浪型反應器管之往復式管型連續式反應器 - Google Patents

Description

使用波浪型反應器管之往復式管型連續式反應器

本創作是一種使用波浪型反應器管之往復式管型連續反應器。這種管型連續反應器是由多支波浪型反應器管、往復式簡諧運動驅動機構、活塞組及連結管件結合而成，不需使用攪拌裝置即能提供良好的混合效果，以利進行化學反應。

往復式管型連續反應器可應用於各種化學反應，尤其是含有揮發性有機物質的反應更可利用往復式管型連續反應器於加壓升溫條件下安全的進行化學反應，例如：生物柴油的生產。中華民國新型專利098217726號申請案，提出一種新穎的用於製造生質柴油之往復式管型連續式反應器，並於反應器管內放置成組的銳孔板，以創造紊流條件提供流體良好的混合。

但中華民國新型專利098217726號申請案所提出的用於製造生質柴油之往復式管型連續式反應器，因為在反應器管內設置有成組的銳孔板，安裝相對複雜且使用時壓力損失較大。本創作則採用波浪型反應器管取代管內設置成組的銳孔板，使得往復式管型連續式反應器之製作簡化，反應器管內更無混合死角，因此，能有效提升攪拌混合效率，更能降低操作運轉的能量消耗與壓力損失。

本創作是一種使用波浪型反應器管之往復式管型連續反應器，包含其構成組件、設備組裝及反應器使用之方式。

本創作是一種使用波浪型反應器管之往復式管型連續反應器，其中所使用的波浪型反應器管1如圖1所示；波浪型反應器管1具有成組的收縮段14及擴張段15組成之縮頸部16，可以使用金屬管、塑膠管或玻璃管製作。

本創作係有關於使用波浪型反應器管的往復式管型連續式反應器，其組成可以為單一反應器模組如圖2所示，或多組反應器模組聯結組合而成，並可依反應製程需要組合成多種組合類型之反應器，如圖3為二反應器模組及圖4為四反應器模組，且其組合變化包含波浪型反應器管組之管徑大小及波浪型反應器管的總長度與反應器數目組合結構。

本創作之使用波浪型反應器管的往復式管型連續式反應器，使用緩慢動作之往復式簡諧運動機械結構，如圖5所示，較傳統批次反應器能提供更有效率的攪拌、能在升壓升溫條件下操作以提高反應速率、能提升反應之轉化率與提升產品純度。

本創作之使用波浪型反應器管的往復式管型連續式反應器單一反應器模組如圖2所示，是由多支波浪型反應器管1藉著U型管件2及U型管件3串連結合，往復堆疊成一組波浪型反應器管組而成，且每一支波浪型反應器管1具有成組的收縮段14及擴張段15組成之縮頸部16如圖1所示，然後利用一組能提供往復式簡諧運動的機械結構如圖5所示，讓反應物能在波浪型反應器管1及U型管件2及U型管件3串連往復堆疊成的波浪型反應器管組內達到充份攪拌混合的效果，並在波浪型反應器管組內停留一定的滯留反應時間，完成化學反應。

本創作不只侷限於所述之範例，其範圍更加的廣泛包括可以將多組單一反應器模組連結成多種往復式管型連續式反應器，如圖2為單一反應器模組，圖3為兩組反應器模組並聯組合，圖4為四組反應器模組之組合；波浪型反應器管1之縮頸部16也可以搭配不同設計的收縮段14及擴張段15組合，改變收縮段14及擴張段15曲率半徑，縮頸部16之間距，搭配如圖5之往復式簡諧運動機械結構的轉速，以可變振幅轉盤5調節活塞4之前進後退行程，形成能達成最佳反應條件之各種尺寸長度變化之往復式管型連續式反應器組合。

本創作另一特點是當變頻馬達7及減速齒輪機23調整鍊輪6之轉速後，可藉由可變振幅轉盤5調節活塞之行進行程長短，對於不同尺寸之反應器設計，可變振幅轉盤5之設計可維持不變，使往復式簡諧運動機械結構之設計得以標準化。

由於傳統攪拌槽反應器具有攪拌不均、耗能、具工業安全疑慮等諸多缺點，本創作之使用波浪型反應器管之往復式管型連續式反應器即針對該缺點加以改善，以提升化學反應之反應速率及轉化率，並提高其操作安全性。在使用波浪型反應器管的往復式管型連續式反應器中，反應流體被限制在波浪型反應器管組內，可以藉著反應壓力及反應溫度調節，讓反應流體及產品雖在升溫條件下，但仍維持在液體狀態進行反應，以避免反應物或產物的揮發逸出，提升反應器之操作安全性。

本創作之使用波浪型反應器管的往復式管型連續式反應器具有以下主要組件：

(1)　波浪型反應器管：本創作之使用波浪型反應器管的往復式管型連續式反應器，其所使用的波浪型反應器管如圖1所示，在波浪型反應器管組中的每一支波浪型反應器管1，均有成組的收縮段14及擴張段15組成之縮頸部16。使流經其間並作往復式簡諧運動之流體，可以經由收縮段14及擴張段15之流動面積縮小與放大、前進及後退，造成紊流，達成充分混合之目的。

製作波浪型反應器管1時，每一縮頸部16間距L約為波浪型反應器管1直徑Dp的1至3倍，即L/Dp=1~3。 縮頸部16的最小直徑Do為波浪型反應器管1直徑Dp的1/3至2/3倍，即Do/Dp=1/3~2/3。

製作波浪型反應器管1時，收縮段14之曲率半徑Rc為波浪型反應器管1直徑Dp的1/6至1/2倍，即R/Dp=1/6~1/2。

製作波浪型反應器管1時，擴張段15之曲率半徑Rd為波浪型反應器管1直徑Dp的1/6至1/2倍，即Rd/Dp=1/6~1/2。

(2)波浪型反應器管組：依反應動力學計算反應流體在反應器內應有之滯留時間後，設計計算適當的波浪型反應器管組之管徑Dp及所需波浪型反應器管組總管長L，然後，如圖2所示，利用N x M支波浪型反應器管1、U型管件2及U型管件3等串連組合成波浪型反應器管組，其中N為水平方向的波浪型反應器管1之管數，可以為任何整數，M為垂直方向的波浪型反應器管1之管數，必須為偶數。

(3)往復式運動機構與活塞：在波浪型反應器管組的第一支波浪型反應器管1入口端9及最後一支波浪型反應器管1的出口端10，均使用異徑大小頭12與活塞4連接，活塞4並與反應器之往復式簡諧運動驅動機構8連結。如圖5所示，往復式簡諧運動驅動機構8使用變頻馬達7及減速齒輪機23，以滾珠鍊條13與鍊輪6連結，然後利用傳動軸17及固定軸承18及固定軸承22連結驅動可變振幅轉盤5，將轉動機械的圓周運動轉化為往復式活塞運動，利用兩端附有萬向接頭之推動軸21，帶動往復式簡諧運動驅動機構8，帶動活塞4作往復式簡諧運動，使反應流體在管型反應器之波浪型反應器管1中除了往前推進外，同時也受活塞4之前推及後送進行簡諧運動，然後一面前進一面作往復式簡諧運動通過波浪型反應器管1的收縮段14及擴張段15組成之縮頸部16結構，使流經其間並作往復式簡諧運動之流體，可以經由收縮段14及擴張段15組成之縮頸部16之流動面積縮小與放大、前進及後退，造成紊流達成充分混合之目的。往復式簡諧運動驅動機構8利用軸向滾珠軸承19沿著直線運動導桿11作線性往復式簡諧運動。直線運動導桿11則利用兩端可調節固定架20固定於支撐結構上。往復式簡諧運動驅動機構8設計上，如圖2所示，利用可變振幅轉盤5相位角設定，使鍊輪6轉動時，上下兩組活塞4會成180度的相位角運行，可讓流體輸送馬達不會受到逆流的壓力影響。當變頻馬達7及減速齒輪機23調整鍊輪6之轉速後，可藉由可變振幅轉盤5調節活塞之行進行程長短，對於不同尺寸之反應器設計，可變振幅轉盤5之設計可維持不變，使往復式簡諧運動機械結構之設計得以標準化。

往復式簡諧運動驅動機構8設計時，必需配合波浪型反應器管1之設計作最適化的往復式簡諧運動頻率及振幅選擇，才能使流體獲得最佳混合效果。經由實驗數據驗證，往復式簡諧運動頻率及振幅之設計計算，可以使用流體流經波浪型反應器管1之無因次參數雷諾數作為計算依據。

流體流經波浪型反應器管1之光滑管部分時的雷諾數(Reynolds Number)Re_n 可以用下列方程式表示：

其中

Dp=波浪型反應器管1之光滑管部分的直徑

u=流體在波浪型反應器管1之光滑管部分的流速

ρ=流體的密度

μ=流體的黏度

流體以往復式簡諧運動方式流經波浪型反應器管1時的往復式簡諧運動雷諾數Re_o 可以用下列方程式表示：

其中

Dp=波浪型反應器管1之光滑管部分的直徑

f=往復式簡諧運動頻率

δ=往復式簡諧運動振幅

ρ=流體的密度

μ=流體的黏度

當往復式簡諧運動雷諾數Re_o 為流體流經波浪型反應器管1之光滑管部分時的雷諾數Re_n 之1.2至3倍時，在反應器中的流體混合強度最佳。亦即

本創作係提供一種使用波浪型反應器管之往復式管型連續式反應器。這種使用波浪型反應器管之往復式管型連續式反應器可以為單一反應器模組、雙反應器模組或偶數的多反應器模組組合。

單一反應器模組

圖2為使用波浪型反應器管之往復式管型連續式反應器單一反應器模組之立體圖，該反應器設置有N x M支不銹鋼製波浪型反應器管1組成波浪型反應器管組，其中N可以為任何正整數，但M必須為偶數，在本實施例中N=4，M=6。

波浪型反應器管1串聯組合時，在反應物入出口端可使用U型管件2及U型管件3直接與波浪型反應器管1焊接組合。在波浪型反應器管組中的每一支波浪型反應器管1，均有成組的收縮段14及擴張段15組成之縮頸部16結構，使流經其間並作往復式簡諧運動之流體，可以經由收縮段14及擴張段15組成之縮頸部16之流動面積縮小與放大、前進及後退，造成紊流達成充分混合之目的。

每一支波浪型反應器管1上的縮頸部16間距L約為波浪型反應器管1直徑Dp的1至3倍，即L/Dp=1~3。且縮頸部16間距L尤其以波浪型反應器管1管徑Dp之1~2倍左右，在加工製作及混合效果上最為適合。

製作波浪型反應器管1時，縮頸部16的最小直徑Do為波浪型反應器管1直徑Dp的1/3至2/3倍，即Do/Dp=1/3~2/3。且縮頸部16的最小直徑Do尤其以波浪型反應器管1管徑Dp之1/2左右，在加工製作及混合效果上最為適合。

製作波浪型反應器管1時，收縮段14之曲率半徑Rc為波浪型反應器管1直徑Dp的1/5至1/2倍，即R/Dp=1/5~1/2。且收縮段14之曲率半徑Rc為波浪型反應器管1直徑Dp的1/4倍，在加工製作及混合效果上最為適合。

製作波浪型反應器管1時，擴張段15之曲率半徑Rd亦為波浪型反應器管1直徑Dp的1/5至1/2倍，即Rd/Dp=1/5~1/2。且擴張段15之曲率半徑Rd為波浪型反應器管1直徑Dp的1/4倍，在加工製作及混合效果上最為適合。

如圖2所示，在波浪型反應器管組的第一支波浪型反應器管入口端9及最後一支波浪型反應器管1的出口端10，均使用異徑大小頭12與活塞4連接，活塞4並與反應器之往復式簡諧運動驅動機構8連結。如圖5所示，往復式簡諧運動機械結構使用變頻馬達7驅動減速齒輪機23，以滾珠鍊條13與鍊輪6連結，然後利用傳動軸17及固定軸承18及固定軸承22連結驅動可變振幅轉盤5，將轉動機械的圓周運動轉化為往復式活塞運動，然後利用兩端附有萬向接頭之推動軸21，帶動往復式簡諧運動驅動機構8，帶動活塞4作往復簡諧運動，使反應流體在管式反應器之波浪型反應器管1中除了往前推進外，同時也受活塞4之前推及後送進行簡諧運動，然後一面前進一面作往復式簡諧運動通過波浪型反應器管1內收縮段14及擴張段15組成之縮頸部16結構，造成擾流來進行充分混合。

往復式簡諧運動驅動機構8利用軸向滾珠軸承19沿著直線運動導桿11作線性簡諧運動。直線運動導桿11則利用兩端可調節固定架20固定於往復式運動機械結構之支撐架上。往復式簡諧運動推進器設計上，如圖2所示，利用可變振幅轉盤5相位角設定，使鍊輪6轉動時，上下兩組活塞4會成180度的相位角運行，可讓流體輸送馬達不會受到逆流的壓力影響。當變頻馬達7及減速齒輪機23調整鍊輪6之轉速後，可藉由可變振幅轉盤5調節活塞之行進行程長短，對於不同尺寸之反應器設計，可變振幅轉盤5之設計可維持不變，使往復式簡諧運動機械結構之設計得以標準化。

雙反應器模組

圖3為使用波浪型反應器管之往復式管型連續式反應器之雙反應器模組之立體圖，該反應器的每一單一反應器模組設置有N x M支不銹鋼製波浪型反應器管1組成波浪型反應器管組，其中N可以為任何正整數，但M必須為偶數，在本實施例中N=4，M=6。波浪型反應器管1串聯組合時，在反應物入出口端可使用U型管件2及U型管件3直接與波浪型反應器管1焊接組合。

在波浪型反應器管組中的每一支波浪型反應器管1，均有成組收縮段14及擴張段15組成之縮頸部16，使流經其間並作往復式簡諧運動之流體，可以經由收縮段14及擴張段15之流動面積縮小與放大、前進及後退，造成紊流以達成充分混合之目的。

波浪型反應器管1之縮頸部16間距L約為波浪型反應器管1直徑Dp的1至3倍，即L/Dp=1~3。且縮頸部16間距L尤其以波浪型反應器管1管徑Dp之1~2倍左右，在加工製作及混合效果上最為適合。

波浪型反應器管1之縮頸部16的最小直徑Do為波浪型反應器管1直徑Dp的1/3至2/3倍，即Do/Dp=1/3~2/3。且縮頸部16的最小直徑Do尤其以波浪型反應器管1管徑Dp之1/2左右，在加工製作及混合效果上最為適合。

製作波浪型反應器管1時，收縮段14之曲率半徑Rc為波浪型反應器管1直徑Dp的1/5至1/2倍，即R/Dp=1/5~1/2。且收縮段14之曲率半徑Rc為波浪型反應器管1直徑Dp的1/4倍，在加工製作及混合效果上最為適合。

製作波浪型反應器管1時，擴張段15之曲率半徑Rd亦為波浪型反應器管1直徑Dp的1/5至1/2倍，即Rd/Dp=1/5~1/2。且擴張段15之曲率半徑Rd為波浪型反應器管1直徑Dp的1/4倍，在加工製作及混合效果上最為適合。

如圖3所示，在波浪型反應器管組的第一支波浪型反應器管1入口端9及最後一支波浪型反應器管1的出口端10，均使用異徑大小頭12與活塞4連接，活塞4並與反應器之往復式簡諧運動驅動機構8連結。

如圖5所示，往復式簡諧運動機械結構使用變頻馬達7驅動減速齒輪機23，以滾珠鍊條13與鍊輪6連結，然後利用傳動軸17及固定軸承18及固定軸承22連結驅動可變振幅轉盤5，將轉動機械的圓周運動轉化為往復式活塞運動，然後利用兩端附有萬向接頭之推動軸21，帶動往復式簡諧運動驅動機構8，帶動活塞4作往復簡諧運動，使反應流體在管式反應器的波浪型反應器管1中除了往前推進外，同時也受活塞4之前推及後送進行簡諧運動，然後一面前進一面作往復式簡諧運動通過波浪型反應器管1經成組收縮段14及擴張段15組成之縮頸部16結構，造成擾流來進行充分混合。

往復式簡諧運動驅動機構8利用軸向滾珠軸承19沿著直線運動導桿11作線性簡諧運動。直線運動導桿11則利用兩端可調節固定架20固定於往復式運動機械結構之支撐架上。往復式簡諧運動推進器設計上，如圖3所示，利用可變振幅轉盤5相位角設定，使鍊輪6轉動時，上下兩組活塞4會成180度的相位角運行，可讓流體輸送馬達不會受到逆流的壓力影響。當變頻馬達7及減速齒輪機23調整鍊輪6之轉速後，可藉由可變振幅轉盤5調節活塞之行進行程長短，對於不同尺寸之反應器設計，可變振幅轉盤5之設計可維持不變，使往復式簡諧運動機械結構之設計得以標準化。

偶數反應器模組

圖4為使用波浪型反應器管之往復式管型連續式反應器之四組反應器組合成一套偶數反應器模組之立體圖，反應器數目可以為2以上之任何偶數。該反應器的每一單一反應器模組設置有N x M支不銹鋼製波浪型反應器管1組成波浪型反應器管組，其中N可以為任何正整數，但M必須為偶數，在本實施例中N=4，M=6。波浪型反應器管1串聯組合時，在反應物入出口端可使用U型管件2及U型管件3直接與波浪型反應器管1焊接組合。在波浪型反應器管組中的每一支波浪型反應器管1，均有成組收縮段14及擴張段15組成之縮頸部16，使流經其間並作往復式簡諧運動之流體，可以經由收縮段14及擴張段15之流動面積縮小與放大、前進及後退，造成紊流，達成充分混合之目的。

波浪型反應器管1之縮頸部16間距L約為波浪型反應器管1直徑Dp的1至3倍，即L/Dp=1~3。且縮頸部16間距L尤其以波浪型反應器管1管徑Dp之1~2倍左右，在加工製作及混合效果上最為適合。

波浪型反應器管1之縮頸部16的最小直徑Do為波浪型反應器管1直徑Dp的1/3至2/3倍，即Do/Dp=1/3~2/3。且縮頸部16的最小直徑Do尤其以波浪型反應器管1管徑Dp之1/2左右，在加工製作及混合效果上最為適合。

製作波浪型反應器管1時，收縮段14之曲率半徑Rc為波浪型反應器管1直徑Dp的1/5至1/2倍，即R/Dp=1/5 ~1/2。且收縮段14之曲率半徑Rc為波浪型反應器管1直徑Dp的1/4倍，在加工製作及混合效果上最為適合。

製作波浪型反應器管1時，擴張段15之曲率半徑Rd亦為波浪型反應器管1直徑Dp的1/5至1/2倍，即Rd/Dp=1/5~1/2。且擴張段15之曲率半徑Rd為波浪型反應器管1直徑Dp的1/4倍，在加工製作及混合效果上最為適合。

如圖4所示，在波浪型反應器管組的第一支波浪型反應器管1入口端9及最後一支波浪型反應器管1的出口端10，均使用異徑大小頭12與活塞4連接，活塞4並與反應器之往復式簡諧運動驅動機構8連結。

如圖5所示，往復式簡諧運動機械結構使用變頻馬達7驅動減速齒輪機23，以滾珠鍊條13與鍊輪6連結，然後利用傳動軸17及固定軸承18及固定軸承22連結驅動可變振幅轉盤5，將轉動機械的圓周運動轉化為往復式活塞運動，然後利用兩端附有萬向接頭之推動軸21，帶動往復式簡諧運動驅動機構8，帶動活塞4作往復式簡諧運動，使反應流體在管式反應中除了往前推進外，同時也受活塞4之前推及後送進行簡諧運動，然後一面前進一面作往復式簡諧運動通過波浪型反應器管1的成組收縮段14及擴張段15組成之縮頸部16結構，造成擾流來進行充分混合。往復式簡諧運動驅動機構8利用軸向滾珠軸承19沿著直線運動導桿11作線性簡諧運動。直線運動導桿11則利用兩端可調節固定架20固定於往復式運動機械結構之支撐架上。

往復式簡諧運動推進器設計上，如圖5所示，利用可變振幅轉盤5相位角設定，使鍊輪6轉動時，上下兩組活塞4會成180度的相位角運行，可讓流體輸送馬達不會受到逆流的壓力影響。當變頻馬達7及減速齒輪機23調整鍊輪6之轉速後，可藉由可變振幅轉盤5調節活塞之行進行程長短，對於不同尺寸之反應器設計，可變振幅轉盤5之設計可維持不變，使往復式簡諧運動機械結構之設計得以標準化。

以上說明對本發明而言只是說明性的，而非限制性的，本領域普通技術人員理解，在不脫離申請專利範圍所限定的精神和範圍的情況下，可作出許多修改、變化或等效，但都將落入本發明的申請專利範圍可限定的範圍之內。

1．．．波浪型反應器管

2．．．U型管件

3．．．U型管件

4．．．活塞

5．．．可變振幅轉盤

6．．．鍊輪

7．．．變頻馬達

8．．．往復式簡諧運動驅動機構

9．．．入口端

10．．．出口端

11．．．直線運動導桿

12．．．異徑大小頭

13．．．滾珠鍊條

14．．．收縮段

15．．．擴張段

16．．．縮頸部

17．．．傳動軸

18．．．固定軸承

19．．．軸向滾珠軸承

20．．．可調節固定架

21．．．兩端附有萬向接頭之推動軸

22．．．固定軸承

23．．．減速齒輪機

圖1為本創作之波浪型反應器管的立體圖。

圖2為本創作之單一反應器模組的立體圖。

圖3為本創作之雙反應器模組之立體圖。

圖4為本創作之偶數反應器模組之立體圖。

圖5為本創作之往復式簡諧運動驅動設備示意圖。

1．．．波浪型反應器管

2．．．U型管件

3．．．U型管件

4．．．活塞

5．．．可變振幅轉盤

6．．．鍊輪

7．．．變頻馬達

8．．．往復式簡諧運動驅動機構

9．．．入口端

10．．．出口端

11．．．直線運動導桿

12．．．異徑大小頭

13．．．滾珠鍊條

17．．．傳動軸

20．．．可調節固定架

21．．．兩端附有萬向接頭之推動軸

23．．．減速齒輪機

Claims (6)

1. 一種使用波浪型反應器管之往復式管型連續式反應器，具有一波浪型反應器管組，一流體之入口端與一出口端，以及一往復式簡諧運動驅動機構用以控制流體於該波浪型反應器管組內週期性的作前進或後退以造成紊流。
2. 如申請專利範圍第1項所述之使用波浪型反應器管之往復式管型連續式反應器，其中該波浪型反應器管組是由複數支波浪型反應器管組成，該入口端設於第一支波浪型反應器管，該出口端設於最後一支波浪型反應器管，且，入口端與出口端分別與一組活塞連接，活塞並與該往復式簡諧運動驅動機構連結。
3. 如申請專利範圍第2項所述之使用波浪型反應器管之往復式管型連續式反應器，其中該波浪型反應器管具有成組的收縮段及擴張段構成之縮頸部。
4. 如申請專利範圍第3項所述之使用波浪型反應器管之往復式管型連續式反應器，其中該波浪型反應器管之縮頸部的最小直徑為波浪型反應器管徑之1/3至2/3倍。
5. 如申請專利範圍第3項所述之使用波浪型反應器管之往復式管型連續式反應器，其中該波浪型反應器管之相鄰縮頸部之間距為波浪型反應器管徑之1倍至3倍。
6. 如申請專利範圍第3項所述之使用波浪型反應器管之往復式管型連續式反應器，其中該往復式簡諧運動驅動機構具有一馬達驅動減速齒輪機與一鍊輪連結，且利用一傳動軸及一固定軸承連結並驅動一可變振幅轉盤，藉以將轉動機械的圓周運動轉化為往復式活塞運動。