CN104226217B - 一种超重力微管道反应器 - Google Patents
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Abstract
一种超重力微管道反应器，包括：一两端开口中空的中心轴，上端设置有中心齿轮；一反应器的壳体，壳体轴向贯穿设有与中心轴平行的下端开口的中空的行星轴，行星轴上端设有与中心齿轮相啮合的行星齿轮，使反应器通过行星齿轮与中心齿轮的配合绕中心轴转动的同时绕自身的行星轴作相同方向、相同角度的自转；壳体外周设有冷却的夹套，夹套内绕有至少一根螺旋微管道和冷却水管道，螺旋微管道的总进口管和总出口管以及冷却水管道的进水管和出水管均穿过夹套穿置在行星轴内，并从行星轴的底部穿出、再从中心轴的底部穿入后从中心轴顶端引出。本发明适用于强放热和相间传质控制的液液两相强放热反应，可以提高反应过程的安全性、选择性和产率。
Description
技术领域
本发明属于流体混合反应设备技术领域，涉及一种微管道反应器，尤其涉及一种用于液液两相强放热反应的超重力微管道反应器。
背景技术
硝化、磺化、卤化等强放热反应是工业生产中常见的反应过程，广泛应用于药物中间体、含能化合物、染料、杀虫剂等的制备和生产中（AlbrightLF,CarrRVC,SchmittRJ.Nitration:Recentlaboratoryandindustrialdevelopments[M].Washington:AmericanChemicalSociety,1996.）。强放热反应的特点是反应速率快、放热量大，一旦温度控制不好，就会在短时间内释放大量的热，导致反应失控，引起冒料等一系列严重后果（ChenCY,WuCW.Thermalhazardassessmentandmacrokineticsanalysisoftoluenemononitrationinabatchreactor[J].JournalofLossPreventionintheProcessIndustries,1996,9(5):309-316.）。在强放热反应中，有相当部分是涉及液液两相的反应（如用混酸硝化单芳烃的反应），由于反应速率快，相间传质往往成为控制步骤，两相的混合和传质情况对产品的产量和质量有着决定性的影响（SchofieldK.AromaticNitration[M].Cambridge:CambridgeUniversityPress,1980.）。针对液液两相强放热反应具有强放热和相间传质控制的特点，开发能强化传热和相间传质的新型反应器，对于提高对反应过程的安全性、选择性和产率具有重要意义。
微通道反应器（microchannelreactor）也称为微管道反应器（microtubereactor），是一种流动通道的特征尺度在数百微米内的化学反应器（KobayashiJ,MorY,KobayashiS.Multiphaseorganicsynthesisinmicrochannelreactors[J].Chemistry-AnAsianJournal,2006,1(1&2):22-35.）。它的主要特点是特征尺寸小、比表面积大、扩散距离小，从而强化传热和传质过程，因此适用于强放热和传质控制的液液两相硝化反应（宋红燕,王鹏,孟文君,韩骏奇,孟子晖,周智明.微反应器在强放热反应中的应用[J].含能材料,2008,16(6):762-765.）。微通道内液液两相的流型主要有以下三种形式（骆广生,徐建鸿,李少伟,王玉军,汪家鼎.微结构设备内液-液两相流行为研究及其进展[J].现代化工,2006,26(3):19-23.）：1、液液无相分散微接触流动和混合，即平行流（parallelflow）；2、液柱分散流动和混合，即柱状流（slugflow）；3、液滴分散流动和混合，即滴状流（dropletflow）。微通道中液液两相流流型的形成：在设备上，取决于进口混合器、管径、管材，不同类型的进口混合器适用的管径范围不同，且加工精度要求高；在操作条件上，主要受两相流速（切应力）的影响；在体系物性上，主要受界面力和黏度的影响，而密度差所起的作用较小。在传统液液两相混合设备（如填料萃取塔）中密度差对混合所起作用较大，因此强化密度差的作用或许是进一步提高微通道中液液两相混合和传质的有效方法。超重力（highgravity）是强化密度差作用的常用方法。
超重力技术的基本原理是利用超重力条件下多相流的密度差，强化相与相之间的相对速度和相互接触，从而实现高效的传质和传热（陈建峰.超重力技术及应用-新一代反应与分离技术[M].北京:化学工业出版社,2003.）。超重力技术自上个世纪问世以来，由于它的广泛适用性以及在环保、材料、生物、化工等工业领域中的应用前景，受到国内外研究者的重视。获取超重力的方式是通过转动设备整体或部件形成离心力场，主要设备是超重力旋转填料床，该设备适用于气液、液固和气液固体系。在色谱领域，一种被称为高速逆流色谱（high-speedcounter-currentchromatography,HSCCC）的新型液液分配色谱被广泛用于天然产物和合成药物的分离（曹学丽.高速逆流色谱分离技术及应用[M].北京:化学工业出版社,2005.）。高速逆流色谱具有两个特殊的效果：1、分离管不断解绕，不会被扭断；2、在分离管上产生不断变化且各向异性的特殊离心力场（超重力场）。高速逆流色谱转速可达每分钟数百至上千转，所产生的离心力可达重力的数十至上百倍，因此高速逆流色谱可以看作是一种特殊的超重力设备。高速逆流色谱作为一种特殊的超重力设备，开展其作为反应器的研究能够拓展超重力技术的理论和应用范围。
利用高速逆流色谱的结构和工作原理将常规尺寸的螺旋管改为微管道，就可以设计出一种在特殊超重力作用下的微管道反应器，这种反应器可命名为超重力微管道反应器。超重力微管道反应器用于液液两相强放热反应可能具有以下有益的效果：1、通过调节超重力因子（离心力与重力的比值，Rω2/g）改变微管道内液液两相流的流型；2、强化混合：两相流不断地被拉扯、变形，增加相的分散和聚并，提高两相的宏观混合效果；强化柱状流（或者滴状流）的内环流，提高微观混合（micromixing）效果；3、强化传质：两相流不断地被拉扯、变形，增加相间接触面积、加快相界面的更新速率，从而提高相间传质效率；4、强化传热：在微管道高效传热的基础上，强化管内两相与管壁的剪切作用使管内液体传热边界层变薄，进一步提高换热效率。
本发明针对液液两相强放热反应具有强放热和相间传质控制的特点，将高速逆流色谱技术与微管道反应器技术结合，开发一种特殊超重力强化的微管道反应器——超重力微管道反应器。将该反应器用于液液两相强放热反应，可以提高反应过程的安全性、选择性和产率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种超重力微管道反应器，将高速逆流色谱技术与微管道反应器技术结合，适用于液液两相强放热反应，可以提高反应过程的安全性、选择性和产率。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种超重力微管道反应器，其特征在于包括：
一中空的中心轴，其两端开口，上端设置有一中心齿轮；
一反应器的壳体，壳体的中心位置轴向贯穿设有一与中心轴平行的下端开口的中空的行星轴，所述行星轴的上端设有与中心齿轮相啮合进而带动壳体沿中心轴转动的行星齿轮，所述行星齿轮与中心齿轮的形状和尺寸一致，所述壳体通过行星齿轮与中心齿轮的啮合，使反应器绕中心轴转动的同时绕自身的行星轴作相同方向、相同角度的自转；
壳体的外周设有用于冷却的夹套，夹套内绕有至少一根螺旋微管道和冷却水管道，所述螺旋微管道的总进口管和总出口管以及冷却水管道的进水管和出水管均穿过夹套穿置在所述行星轴内，并通过管套从所述行星轴的底部开口穿出、再从所述中心轴的底部穿入后从中心轴的顶端引出。
作为改进，所述中心轴和行星轴均为垂直设置，所述壳体为圆柱形，壳体的外周依次间隔设有用于形成所述夹套的外圈与内圈，所述螺旋微管道缠绕在内圈上，所述冷却水管道的进水管和出水管分别呈轴向设置在所述夹套的两侧。
作为改进，所述管套为便于所述螺旋微管道的总进口管和总出口管以及冷却水管道的进水管和出水管穿置的四芯软管套，管套的一端固定在所述行星轴内，另一端穿出行星轴的底部固定在所述中心轴内。
再改进，所述螺旋微管道为1～100根，所有螺旋微管进口管道通过多通接头合并后进入所述总进口管中，而所有螺旋微管出口管道通过多通接头合并后进入所述总出口管中。
再改进，所述总进口管位于内圈的下部，所述总出口管内圈的上部，或者所述总进口管位于内圈的上部，所述总出口管内圈的下部。
进一步改进，所述螺旋微管道的管径为0.05-1.0毫米。
与现有技术相比，本发明的优点在于：针对液液两相强放热反应具有强放热和相间传质控制的特点，将高速逆流色谱技术与微管道反应器技术结合，通过调节超重力因子（离心力与重力的比值，Rω2/g）改变微管道内液液两相流的流型；同时强化混合：两相流不断地被拉扯、变形，增加相的分散和聚并，提高两相的宏观混合效果；强化柱状流（或者滴状流）的内环流，提高微观混合（micromixing）效果；强化传质：两相流不断地被拉扯、变形，增加相间接触面积、加快相界面的更新速率，从而提高相间传质效率；强化传热：在微管道高效传热的基础上，强化管内两相与管壁的剪切作用使管内液体传热边界层变薄，进一步提高换热效率；与普通的高速逆流色谱相的结构相比，在反应器的壳体中设计了换热夹套解决了微管道与空气换热能力不足、无法高温操作的问题；利用高速逆流色谱解绕管线，将冷却水进出管设置在行星轴和中心轴内解绕冷却水进出管，避免了旋转接头的使用。
本发明适用于强放热和相间传质控制的液液两相强放热反应，可以提高反应过程的安全性、选择性和产率。
附图说明
图1是本发明的超重力微管道反应器的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，本实施例的超重力微管道反应器，包括一中空的中心轴1和反应器的壳体5，中心轴1为垂直设置，其两端开口，中心轴1上端设置有一中心齿轮2；壳体5为圆柱形，壳体5的中心位置轴向贯穿设有一与中心轴1平行的下端开口的中空的行星轴3，行星轴3的上端设有与中心齿轮2相啮合进而带动壳体5沿中心轴1转动的行星齿轮4，行星齿轮4与中心齿轮2的形状和尺寸一致，这样壳体5就可以通过行星齿轮4与中心齿轮2的配合绕中心轴1公转的同时，也绕自身的行星轴3作相同方向、相同角度的自转，即“同步行星运动”；壳体5的外周依次设有外圈12与内圈6，外圈12与内圈6之间有一定的空隙，形成用于冷却的夹套，在内圈6上绕有二根螺旋微管道8，螺旋微管道8的管径为0.05毫米，二个螺旋微管进口管道通过三通接头合并后进入螺旋微管道的总进口管9中，而二个螺旋微管出口管道通过三通接头合并后进入螺旋微管道的总出口管7中，总进口管9位于内圈6的下部，总出口管7位于内圈6的上部；进入壳体5的夹套的总进口管9和出壳体5的夹套的总出口管7穿过内圈6进入并固定在行星轴3内，而进壳体5的冷却水管道的进水管13和出壳体5的冷却水管道的出水管10也进入并固定在行星轴3内，行星轴3内的四个管路合并进入一管套中，管套为四芯软套管11，四芯软套管11的一端固定在行星轴3内，另一端穿出行星轴3的底部固定在中心轴1内，这样四个管道均并通过四芯软套管11从行星轴3的底部开口穿出、再从中心轴1的底部穿入后从中心轴1的顶端引出，在这样的安排下，反应器在进行“同步行星运动”时可以将四芯软套管11解绕，而不会被扭断。
螺旋微管道8可以为1～100根，螺旋微管道8的总进口管9与总出口管7的位置可以互换。
Claims (6)
1.一种超重力微管道反应器，其特征在于包括：
一中空的中心轴，其两端开口，上端设置有一中心齿轮；
一反应器的壳体，壳体的中心位置轴向贯穿设有一与中心轴平行的下端开口的中空的行星轴，所述行星轴的上端设有与中心齿轮相啮合进而带动壳体沿中心轴转动的行星齿轮，所述行星齿轮与中心齿轮的形状和尺寸一致，所述壳体通过行星齿轮与中心齿轮的啮合，使反应器在绕中心轴转动的同时绕自身的行星轴作相同方向、相同角度的自转；
壳体的外周设有用于冷却的夹套，夹套内绕有至少一根螺旋微管道和冷却水管道，所述螺旋微管道的总进口管和总出口管以及冷却水管道的进水管和出水管均穿过夹套穿置在所述行星轴内，并通过管套从所述行星轴的底部开口穿出、再从所述中心轴的底部穿入后从中心轴的顶端引出。
2.根据权利要求1所述的超重力微管道反应器，其特征在于：所述中心轴和行星轴均为垂直设置，所述壳体为圆柱形，所述壳体的外周依次间隔设有用于形成所述夹套的外圈与内圈，所述螺旋微管道缠绕在内圈上，所述冷却水管道的进水管和出水管分别呈轴向设置在所述夹套的两侧。
3.根据权利要求1所述的超重力微管道反应器，其特征在于：所述管套为便于所述螺旋微管道的总进口管、总出口管以及冷却水管道的进水管和出水管穿置的四芯软管套，管套的一端固定在所述行星轴内，另一端穿出行星轴的底部固定在所述中心轴内。
4.根据权利要求1所述的超重力微管道反应器，其特征在于：所述螺旋微管道为1～100根，所有螺旋微管进口管道通过多通接头合并后进入所述总进口管中，而所有螺旋微管出口管道通过多通接头合并后进入所述总出口管中。
5.根据权利要求1至4任一权利要求所述的超重力微管道反应器，其特征在于：所述总进口管位于内圈的下部，所述总出口管内圈的上部，或者所述总进口管位于内圈的上部，所述总出口管内圈的下部。
6.根据权利要求1至4任一权利要求所述的超重力微管道反应器，其特征在于：所述螺旋微管道的管径为0.05-1.0毫米。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160601 Termination date: 20210613 |