TWI429484B - 管型連續式反應器以及應用於該反應器之波浪型反應器管 - Google Patents

管型連續式反應器以及應用於該反應器之波浪型反應器管 Download PDF

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Description

管型連續式反應器以及應用於該反應器之波浪型反應器管
本發明與管型連續反應器有關，特別是關於一種管型連續反應器以及應用於該反應器之波浪型反應器管，其不需使用攪拌裝置即能提供良好的紊流混合效果，對於液體/液體、液體/氣體、液體/固體相界面進行之化學反應，具有提高反應效率的優點。
管型連續反應器可應用於各種化學反應，尤其是液體/液體、液體/氣體、液體/固體相界面進行之化學反應，以及含有揮發性有機物質的反應更可利用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M384866號及中國新型專利201020117032.7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，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M384866號及中國新型專利201020117032.7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，設備製造及安裝相對複雜且使用時壓力損失較大。本發明則採用波浪型反應器管取代管內設置成組銳孔板的反應器管，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。對於液體/液體、液體/氣體、液體/固體相界面進行之化學反應均能適用。
本發明之主要發明目的在於提供一種管型連續反應器，其不需使用攪拌裝置即能提供良好的紊流混合效果。
本發明之另一發明目的在於提供一種使用於管型連續反應器的波浪型反應器管，流體通過該反應器管時能進行額外的混合作用。
為達成前述之發明目的，本發明所提供之管型連續反應器，包含有：一反應管組，具有一入口端以及一出口端，該反應管組是由若干波浪型反應器管串聯所組成，每一波浪型反應器管具有交替出現之直管部及縮頸部，其中縮頸部的內徑小於直管部的內徑；以及一加壓器，連接於該反應管組之入口端。該加壓器具有一往復式簡諧運動驅動機構。本發明之反應器不需攪拌設備即能使液體/液體、液體/氣體、液體/固體反應物在波浪型反應器管組內造成良好的紊流混合條件，對於液體/液體、液體/氣體、液體/固體相界面進行的化學反應，可以提高反應速率。
請參閱圖1與圖2所示，本發明一較佳實施例所提供之使用於管型連續反應器的波浪型反應器管1可以使用金屬管、塑膠管或玻璃管加工製作。該波浪型反應器管1上具有交替出現之直管部24及縮頸部16，而且縮頸部16的內徑小於直管部24的內徑。每一縮頸部16具有一內徑漸縮之收縮段14以及一內徑漸大之擴張段15。其中，收縮段14的管壁呈弧狀，使收縮段14與擴張段15交接處的內徑(Do)為最小，兩端漸大。收縮段14的管壁具有一曲率半徑(Rc)。擴張段15之的管壁具有一曲率半徑(Rd)。
為達到較佳的混合效果，本發明所提供之波浪型反應器管1具有下列之尺寸的設定：
1.兩個相鄰縮頸部16的間距(L)約為直管部24的內徑(Dp)的1~3倍。亦即，L/Dp=1～3。
2.縮頸部16的最小內徑(Do)為直管部24的內徑(Dp)的1/3至2/3倍。亦即，Do/Dp=1/3～2/3。
3.收縮段14之曲率半徑(Rc)為直管部24的內徑(Dp)的1/6至1/2倍，即Rc/Dp=1/6～1/2。
4.擴張段15之曲率半徑(Rd)為直管部24的內徑(Dp)的1/6至1/2倍，即Rd/Dp=1/6～1/2。
前述之波浪型反應器管1可應用於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3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4為二反應器模組及圖5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。
圖3顯示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×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焊接組合或利用法蘭組合。在波浪型反應器管組中的每一支波浪型反應器管1均有交替設置的縮頸部16與直管部24，而每一縮頸部16具有收縮段14及擴張段15，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上的相鄰兩個縮頸部16間距L約為直管部24內徑Dp的1至3倍，即L/Dp=1～3。且縮頸部16間距L尤其以直管部24內徑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的最小內徑Do為直管部24內徑Dp的1/3至2/3倍，即Do/Dp=1/3～2/3。且縮頸部16的最小內徑Do尤其以直管部24內徑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為直管部24內徑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為直管部24內徑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亦為直管部24內徑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為直管部24內徑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並與一加壓器8連接。如圖5所示，該加壓器8具有一往復式簡諧運動驅動機構，其是使用變頻馬達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，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。
如圖4所示，往復式簡諧運動驅動機構使用變頻馬達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，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。
加壓器8的往復式簡諧運動驅動機構設計時，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之直管部24時的雷諾數(Reynolds Number)Ren 可以用下列方程式表示：
其中
Dp=波浪型反應器管1之光直管部24的內徑
u=流體在波浪型反應器管1之直管部24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Reo 可以用下列方程式表示：
其中
Dp=波浪型反應器管1之直管部24的內徑
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Reo 為流體流經波浪型反應器管1之直管部24時的雷諾數Ren 之1.2至3倍時，在反應器中的流體混合強度可以達到充分紊流混合的效果。亦即
其中，尤其以流體混合強度最佳。
本發明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，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。對於液體/液體、液體/氣體、液體/固體相界面進行之化學反應均能適用。
圖5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焊接組合或利用法蘭結合。
在波浪型反應器管組中的每一支波浪型反應器管1均有交替設置的縮頸部16與直管部24，而每一縮頸部16具有收縮段14及擴張段15，使流經其間並作往復式簡諧運動之流體。該波浪型反應器管1之特徵與前述相同，在此容不贅述。
如圖5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連結。
圖6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×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與前述相同，在此容不贅述。
如圖6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連結。
本發明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對於異相反應，常有攪拌不均、耗能、具工業安全疑慮等諸多缺點，本發明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，利用波浪型反應器管1及往復式運動機構與活塞4的組合，使流經波浪型反應器管1的流體，除了做軸向運動外，並利用往復式運動機構與活塞的做動，使流體同時相對於軸向運動作往復式簡諧運動，流經波浪型反應器管1，並經由收縮段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。使得液體/液體、液體/氣體、液體/固體相界面進行之化學反應能因為紊流混合，而使得反應速率提升。
在含有揮發性液體/液體的反應系統，使用波浪型反應器管的往復式管型連續式反應器，反應流體能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。
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．．．加壓器
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．．．推動軸
22．．．固定軸承
23．．．減速齒輪機
24．．．直管部
圖1為本發明一較佳實施例所提供之波浪型反應器管之立體圖；
圖2為本發明一較佳實施例所提供之波浪型反應器管之剖視圖；
圖3為本發明一較佳實施例所提供之往復式管型連續式反應器單一反應器模組之立體圖；
圖4為本發明一較佳實施例所提供之往復式簡諧運動驅動機構之立體圖；
圖5為本發明一較佳實施例所提供之往復式管型連續式反應器雙反應器模組之立體圖；以及
圖6為本發明一較佳實施例所提供之往復式管型連續式反應器偶數反應器模組之立體圖。
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．．．加壓器
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
16．．．縮頸部
20．．．可調節固定架
21．．．推動軸
23．．．減速齒輪機
24．．．直管部

Claims (19)

  1. 一種管型連續反應器，包含有：一反應管組，具有一入口端以及一出口端，該反應管組是由若干波浪型反應器管串聯所組成，每一波浪型反應器管具有交替出現之縮頸部與直管部，其中縮頸部的內徑小於直管部的內徑；以及一加壓器，連接於該反應管組之入口端，將反應物加壓送入該反應管組中。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之管型連續反應器，其中波浪型反應器管的兩個相鄰縮頸部的間距為直管部的內徑的1~3倍。
  3. 依據申請專利範圍第1項所述之管型連續反應器，其中波浪型反應器管的縮頸部的最小內徑為直管部的內徑的1/3至2/3倍。
  4. 依據申請專利範圍第1項所述之管型連續反應器，其中波浪型反應器管的縮頸部具有一內徑漸縮之收縮段以及一內徑漸大之擴張段。
  5. 依據申請專利範圍第4項所述之管型連續反應器，其中波浪型反應器管的收縮段之曲率半徑為直管部的內徑的1/6至1/2倍。
  6. 依據申請專利範圍第4項所述之管型連續反應器，其中波浪型反應器管的擴張段之曲率半徑為直管部的內徑的1/6至1/2倍。
  7. 依據申請專利範圍第1項所述之管型連續反應器，其中該加壓器具有一往復式簡諧運動驅動機構，讓反應物作週期性的前進或後退運動。
  8. 依據申請專利範圍第7項所述之管型連續反應器，其中該反應管組之入口端連接一組活塞，而活塞與該往復式簡諧運動驅動機構連結。
  9. 依據申請專利範圍第1項所述之管型連續反應器，其中該加壓器具有二往復式簡諧運動驅動機構，其中一往復式簡諧運動驅動機構連接於該反應管組之入口端，另一往復式簡諧運動驅動機構連接於該反應管組之出口端。
  10. 依據申請專利範圍第9項所述之管型連續反應器，其中該反應管組之入口端與出口端分別與一組活塞連接，而活塞與該往復式簡諧運動驅動機構連結。
  11. 依據申請專利範圍第7項或第9項所述之管型連續反應器，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。
  12. 依據申請專利範圍第11項所述之管型連續反應器，其中該馬達驅動減速齒輪機藉由一滾珠鍊條與該鍊輪連結。
  13. 依據申請專利範圍第7項或第9項所述之管型連續反應器，其中該往復式簡諧運動驅動機構利用一軸向滾珠軸承沿著一直線運動導桿而作線性簡諧運動，該直線運動導桿則利用兩端可調節固定架固定於一支撐結構上。
  14. 依據申請專利範圍第1項所述之管型連續反應器，更包含有一兩端附有萬向接頭之推動軸，連接於該往復式簡諧運動驅動機構，用以帶動該往復式簡諧運動驅動機構帶動活塞作往復式簡諧運動。
  15. 一種使用於管型連續反應器的波浪型反應器管，具有交替出現之縮頸部與直管部，其中縮頸部的最小內徑為直管部的內徑的1/3至2/3倍。
  16. 依據申請專利範圍第15項所述之波浪型反應器管，其中兩個相鄰縮頸部的間距為直管部的內徑的1~3倍。
  17. 依據申請專利範圍第15項所述之波浪型反應器管，其中每一縮頸部具有一內徑漸縮之收縮段以及一內徑漸大之擴張段。
  18. 依據申請專利範圍第17項所述之波浪型反應器管，其中收縮段之曲率半徑為直管部的內徑的1/6至1/2倍。
  19. 依據申請專利範圍第17項所述之波浪型反應器管，其中擴張段之曲率半徑為直管部的內徑的1/6至1/2倍。
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