微孔涡流套管反应器及其应用制造技术

本发明专利技术提供一种微孔涡流套管反应器及其应用，微孔涡流套管反应器包括：基本组合单元，包括一根外管和一根内管，内管设有连续相进口和出口，外管一端为分散相进口另一端为封闭端，内管两端之间沿管壁周向和轴向两个维度设计分布有或连续的一组微孔阵列或间断的多组微孔阵列，当分散相通过内管壁的微孔后在内管中形成涡流。本发明专利技术可以使分散相通过内管壁微孔后在内管中形成涡流强化工艺流体的混合，尤其对于反应时间较长的工艺可以延缓相分离过程。同时可以将分散相与连续相的传质换热过程有效分解为若干不同片段，从而可以在工艺放大过程中有效缓解剧烈热交换过程。

Microporous eddy current casing reactor and its application

The invention provides a microporous eddy current casing reactor and its application. The microporous eddy current casing reactor consists of a basic combination unit, including an outer tube and an inner tube. The inner tube has continuous phase inlet and outlet, one end of the outer tube is a closed end at the other end of the dispersed phase, and two ends between the two ends of the inner tube along the circumferential and axial direction of the tube wall. Dimensions are designed to distribute a continuous array of microporous arrays or discontinuous arrays of micropores. When the dispersed phase passes through the inner wall of the tube, vortex is formed in the inner tube. The invention can make the dispersed phase through the inner tube wall micropores in the inner tube to form the mixing of the eddy current strengthening process fluid, especially for the longer reaction time process can delay the phase separation process. At the same time, the mass transfer heat transfer process of the dispersed phase and the continuous phase can be effectively decomposed into several different segments, thus the process of intense heat exchange can be effectively relieved during the process magnification process.

【技术实现步骤摘要】
微孔涡流套管反应器及其应用
本专利技术涉及一种微孔涡流套管反应器，本专利技术还涉及微孔涡流套管反应器的应用，属于化工领域。
技术介绍
关于气液混合、气体吸收和液液混合，尤其是水油两相混合或者液液混合产生固体沉淀小颗粒的反应，文献或工业上有设计流体分布器，如使用流体分布器和混合微通道技术的结合，降膜反应器或使用壳管式设计，套管式的设计紧凑工艺简单、操作方便制造容易(适用于大、中、小型的各种装置；可以单独使用也可以集成使用组合形成列管)，而且其比表面积/体积的比值和换热系数都比较高。20世纪90年代以来，自然科学与工程技术发展的一个重要趋势是向微型化迈进，尤其是纳米材料的发展，引起了研究者对小尺度和快速过程的极大兴趣。微反应器一般是指通过微加工和精密加工技术制造的小型反应系统，微反应器内流体的微通道尺寸在亚微米到亚毫米量级。对于液相或气相混合过程来说，分子扩散是混合过程的最后步骤。由Fick定律可知，t～d2/D，其中D为扩散系数，d为扩散特征尺度，t为混合时间。由此可知，混合与扩散系数D和扩散距离d有关，除了高分子的聚合物以外，液体或可溶性固体的扩散系数相差不大。因此，为了减小混合时间，可通过减小扩散距离d来实现。微通道反应器正是基于这一原理提出来的。微反应器具有与大反应器完全不同的几何特性：狭窄规整的微通道、非常小的反应空间和非常大的比表面积。其几何特性决定了微反应器内流体的传递特性和宏观流动特性，并进而导致它具有温度控制好、反应器体积小、转化率和收率高及安全性能好等一系列超越传统反应器的独特的优越性，在化学合成、化学动力学研究和工艺开发等领域具有广阔的应用前景。套管微通道混合器/反应器一般采用由一根外管和一根内管构成套管，在内、外管之间形成环形微通道，外管上设有作为流动相的流体进口和出口，内管上一端设有分散相的流体进口而另一端为实心封闭端；在内管两端之间利用不同材料形成的有孔管壁可以使分散相分散到流动相中实现混合和换热。目前文献报道或市售的套管微通道反应器基本有两大类：1)一类膜分散式反应器使用传统烧结金属或金属丝网微孔过滤膜使流体分散成微小的气泡或液滴，从而强化微观传质换热过程，但是常规烧结材料的孔径和分布均为无序随机形成，一般只能在管壁周向一定范围内随机或均布形成喷射流，可以适用于气液两相混合或液液混合为乳液或液液形成固体沉淀反应合成微纳米颗粒。但是不能对于微孔的尺寸和分布以及微孔相对于管壁的喷射方向进行系统设计而形成涡流，也没有特定设计可以将分散相与连续相的传质换热过程有效分解为若干不同片段有效缓解剧烈的热交换过程。2)另一类使用Teflon微孔材料(如AF-2400)对于多种气体透过性好但是对于液体密闭性好的特性制成的聚合物内管后再设计为套管反应器(“tube-in-tubereactor”)，但是受限于聚合物材料的特性(大尺寸时的耐温耐压问题等)该tube-in-tubereactor采用的Teflon管管径小(如外径仅有1毫米)目前仅有实验室级别设备开发成功，仅适用于气液两相混合换热，同时需要较长的管道以提高通量和提升混合效果；这一类聚合物套管的内管上微孔尺寸和微孔分布以及相对于管壁的喷射方向同样无法实现系统设计而形成涡流。中国专利001057790公开了一种膜分散式萃取器，该萃取器在一个柱形筒中置有膜管或平板膜，膜上有0.01-60微米的微孔，将液体分散成微小的液滴，增大传质面积提高萃取效果，但该萃取器以萃取为目的，缺少对流体接触后的微尺寸限制，不太适宜应用在快速反应合成纳米颗粒的过程。如CN1318429A(CN01115332.6)一种膜分散制备超细颗粒的方法，即采用用该类型反应器，制备硫酸钡颗粒，将硫酸-正丁醇溶液通过微孔膜分散成微小的液滴，再与氯化钡溶液反应制备出硫酸钡颗粒，该专利仅利用微孔膜对液滴的初始粒径进行了限制，但流体接触后的混合特性(如流速、流体层的厚度等)没有得到较好的控制，因此制得的颗粒粒径偏大(平均粒径为1微米)。综上，目前文献中报道或市售的的套管式微通道混合器或反应器不论采用烧结金属或金属丝网微孔过滤膜还是使用特殊聚合物微孔管一般只能在管壁周向一定范围内均布或随机无序形成喷射流，对于微孔的尺寸和分布以及微孔相对于管壁的喷射方向都难以进行系统设计而形成涡流和湍流。聚合物微孔管制成的套管式微混和器仅适用于气液混合工艺而且放大受到限制；烧结金属或金属丝网制成的套管式微混和器虽然也能用于液液乳化或液液形成固体沉淀合成微纳米颗粒，但是在环形通道没有额外的混合手段对于反应时间偏长的反应工艺有可能出现相分离，对于强放热过程在工艺放大过程仍然可能出现瞬时热点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种微孔涡流套管反应器及其应用，以解决上述问题。本专利技术采用了如下技术方案：一种微孔涡流套管反应器，其特征在于，包括：基本组合单元，包括一根外管和一根内管，内管设有连续相进口和出口，外管一端为分散相进口另一端为封闭端，内管两端之间沿管壁周向和轴向两个维度设计分布有或连续的一组微孔阵列或间断的多组微孔阵列，当分散相通过内管壁的微孔后在内管中形成涡流。进一步，本专利技术的微孔涡流套管反应器，还具有这样的特征：内管壁微孔分布是不连续的多组微孔阵列，包括平行于横截面在管壁的多组弧线，这些弧线延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋；或者包括平行于轴向方向的多组直线段，这些直线段延径向和轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋；或者包括既不平行于横截面也不平行于周向方向的多组弧线，同样这些弧线延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋，或者是顺时针和逆时针螺旋按预定次序的组合；或者包括不同弧线或直线段按预定次序和长度比例组合。进一步，本专利技术的微孔涡流套管反应器，还具有这样的特征：内管壁微孔分布是连续的一组微孔阵列，包括平行于横截面在管壁的多组弧线和平行于轴向方向的多组直线段，这些弧线和直线段组合延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋；或者包括平行于轴向方向的多组直线段和不平行于横截面在管壁的多组弧线，这些直线段和弧线延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋；或者包括平行于横截面在管壁的多组弧线和不平行于轴向方向的多组弧线段连接组成，这些不同弧线段组合延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋；或者包括既不平行于横截面也不平行于轴向方向的多组弧线，这些弧线组合延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋，或者是顺时针和逆时针螺旋按预定次序的组合；或者包括以上的各种不同弧线和直线段按预定次序和长度比例组合连接。进一步，本专利技术的微孔涡流套管反应器，还具有这样的特征：微孔弧线段相互间在轴向方向没有重叠或有部分重叠，相邻弧线段在横截面上投射后与圆心形成的扇形角度为5-320°，优选10-240°，更优选15-180°，最优选30-120°；微孔直线段相互间在横切径向方向没有重叠或有部分重叠，相邻直线段与圆心所形成的二面角的角度为5-180°，优选10-120°，更优选15-90°，最优选30-75°。进一步，本专利技术的微孔涡流套管反应器，还具有这样的特征：内管壁的微孔分布是连续的一组微孔阵列由既不平行于横截面也不平行于轴向方向的多组弧线组成，多组弧线，沿内管的圆柱螺旋线分布，多本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微孔涡流套管反应器，其特征在于：基本组合单元，包括一根外管和一根内管，内管设有连续相进口和出口，外管一端为分散相进口另一端为封闭端，内管两端之间沿管壁周向和轴向两个维度设计分布有或连续的一组微孔阵列或间断的多组微孔阵列，当分散相通过内管壁的微孔后在内管中形成涡流。

【技术特征摘要】
1.一种微孔涡流套管反应器，其特征在于：基本组合单元，包括一根外管和一根内管，内管设有连续相进口和出口，外管一端为分散相进口另一端为封闭端，内管两端之间沿管壁周向和轴向两个维度设计分布有或连续的一组微孔阵列或间断的多组微孔阵列，当分散相通过内管壁的微孔后在内管中形成涡流。2.如权利要求1所述的微孔涡流套管反应器，其特征在于：内管壁微孔分布是不连续的多组微孔阵列，包括平行于横截面在管壁的多组弧线，这些弧线延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋；或者包括平行于轴向方向的多组直线段，这些直线段延径向和轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋；或者包括既不平行于横截面也不平行于周向方向的多组弧线，同样这些弧线延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋，或者是顺时针和逆时针螺旋按预定次序的组合；或者包括不同弧线或直线段按预定次序和长度比例组合。3.如权利要求1所述的微孔涡流套管反应器，其特征在于：内管壁微孔分布是连续的一组微孔阵列，包括平行于横截面在管壁的多组弧线和平行于轴向方向的多组直线段，这些弧线和直线段组合延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋；或者包括平行于轴向方向的多组直线段和不平行于横截面在管壁的多组弧线，这些直线段和弧线延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋；或者包括平行于横截面在管壁的多组弧线和不平行于轴向方向的多组弧线段连接组成，这些不同弧线段组合延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋；或者包括既不平行于横截面也不平行于轴向方向的多组弧线，这些弧线组合延轴向依次递进在管壁周向呈现顺时针或逆时针螺旋，或者是顺时针和逆时针螺旋按预定次序的组合；或者包括以上所述的各种不同弧线和直线段按预定次序和长度比例组合连接。4.根据权利要求2或3所述的微孔涡流套管反应器，其特征在于：所述微孔弧线段相互间在轴向方向没有重叠或有部分重叠，相邻弧线段在横截面上投射后与圆心形成的扇形角度为5-320°，优选10-240°，更优选15-180°，最优选30-120°；所述微孔直线段相互间...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘翠芳，邓菊莲，
申请(专利权)人：睦化上海流体工程有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31