一种高流量比快速混合器及利用上述混合器的环形反应系统技术方案

本发明专利技术公开了一种高流量比快速混合器，包括反应筒体，所述反应筒体包括同心设置的外筒体和内筒体，内外筒体之间形成环形通道；所述反应筒体上连有大流量流体进液管和大流量流体出液管，大流量流体进液管和大流量流体出液管均与环形通道连通；内筒体沿纵向依次设有第一换热区、缓冲室和第二换热区，缓冲室连有小流量流体进液管，缓冲室的侧壁上设有多个通孔，缓冲室通过通孔与环形通道连通；第一换热区和第二换热区分别设有与其对应的换热介质入口和换热介质出口，换热区内还设有挡板，换热介质从挡板一侧的换热介质入口进入换热区，换热介质穿过挡板与换热区之间的缝隙后从挡板另一侧的换热介质出口排出换热区。本发明专利技术还公开了利用上述混合器进行胺基连续硝化反应的环形反应系统。的环形反应系统。的环形反应系统。

【技术实现步骤摘要】
一种高流量比快速混合器及利用上述混合器的环形反应系统


[0001]本专利技术涉及一种高流量比快速混合器，还涉及利用上述混合器进行胺基连续硝化反应的环形反应系统。

技术介绍

[0002]化学工业反应中，各类放热反应(如硝化、磺化和加氧等)占了很大的比例，其工艺过程复杂多变，因此不安全因素较多。有统计表明此类放热反应的化工事故常常是由于反应温度失控所导致的，如果能合理控制反应过程的升温程度，就可以确保反应工艺的安全性，进而避免许多事故的发生。据Barton对英国间歇式化工过程中发生的反应失控事故进行的统计分析结果表明：化学工艺条件问题引发的事故所占比例为29％，21％的事故是由于加料出现问题，19％的事故是因为温度控制出现问题，10％是由搅拌引发的。因此，如何将强放热、快反应的工艺体系中多股流体间进行高效混合反应，合理控制反应过程温度在安全范围之内，对于化工安全生产具有重要的意义。
[0003]常规釜式反应器通过机械搅拌进行传质，其单位体积的传热面积有限，尤其在反应釜尺寸较大时，换热面积远不能满足换热需求，导致反应放出的热量不能及时移除。同时，釜式反应器内容易产生局部热点，尤其对于硝化反应等危险工艺，容易导致爆炸事故的发生。为了消除安全隐患，在搅拌釜反应器内进行此类反应时，大多需要将反应物料缓慢滴加入反应器内，以控制反应过程的温升，此种方法虽然大大降低了反应危险性，但是生产效率低下、副反应多、产品纯度降低以及产品性质不稳定。此外许多研究者提出利用环形管式反应器进行硝化反应，该工艺主要由循环泵、反应管道以及冷却器三个部分组成一个封闭循环系统，将反应物料在管式反应器内进行循环，利用较大流量的循环物料稀释连续加入的新鲜物料，控制反应速率、及时移除反应热。如瑞典国际化工有限公司在20世纪80年代开发并实现了循环泵式硝化工艺的工业化，将反应过程的温升控制在15℃以内。河南开普化工股份有限公司在硝基苯硝化中采用环形硝化工艺，在环形硝化器的右上端保留搅拌桨，以强化新鲜氯苯和混酸之间的混合效果，同时将搅拌桨设计为轴流推进式，推动液体向下运动进入换热器，通过两台管壳式换热器将反应热及时移除，与传统釜式硝化工艺相比，环形硝化反应器的传热效率提高10倍以上。但目前环形硝化工艺主要针对硝化反应速率较慢的情况，当反应速率较快时，无法实现新鲜加入的物料与循环物料之间的快速混合，并且在几何结构放大的过程中存在较大的放大效应。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术针对现有技术中当反应速率较快时，环形硝化反应器存在的无法快速混合新加入物料与循环物料以及几何结构放大效应较大的问题，提供一种高流量比快速混合器，还提供了利用上述混合器进行快速硝化或者硝酸酯化的环形反应系统；本专利技术混合器能够在反应速率较快时，实现新加入物料与循环物料的快速混合，并且通过形成多个分散的反应热点实现对温升的控制。
[0005]技术方案：本专利技术所述的高流量比快速混合器，包括反应筒体，所述反应筒体包括同心设置的外筒体和内筒体，内外筒体之间形成环形通道；所述反应筒体上连有大流量流体进液管和大流量流体出液管，大流量流体进液管和大流量流体出液管均与环形通道连通；内筒体沿纵向依次设有第一换热区、缓冲室和第二换热区，缓冲室连有小流量流体进液管；缓冲室的侧壁上设有多个射流小孔，缓冲室通过射流小孔与环形通道连通；第一换热区和第二换热区分别设有与其对应的换热介质入口和换热介质出口，换热区内还设有挡板，换热介质从挡板一侧的换热介质入口进入换热区，换热介质穿过挡板与换热区之间的缝隙后从挡板另一侧的换热介质出口排出换热区。
[0006]其中，所述大流量流体进液管的中心线与外筒体连接处的法线的夹角β呈大于0
°
设置，且中心线与外筒体连接处的法线和中心线处于同一横截面上。
[0007]其中，5
°
≤β≤45
°
。
[0008]其中，所述缓冲室的侧壁上沿轴向均匀分布有n个射流小孔，射流小孔的个数n由缓冲室侧壁的外圆周长C以及射流小孔的直径d确定，n为整数且满足0.2C/d≤n≤0.8C/d。通过均匀分布多个射流小孔能够实现热点的均匀分散，从而协同循环比(流量比)控制反应温升。
[0009]利用上述高流量比快速混合器进行胺基的连续硝化反应或者羟基的连续硝酸酯化反应的环形反应系统，所述环形反应系统包括两个依次串联的高流量比快速混合器、缓冲罐和循环泵，两个依次串联的高流量比快速混合器分别为高流量比快速混合器I和高流量比快速混合器II；系统内的反应液循环操作，循环量为FR，流量为F1的硝化剂通过高流量比快速混合器I的小流量流体进液管进入混合器I内，并与循环的反应液快速混合，流量为F2的硝化底物从高流量比快速混合器II的小流量流体进液管进入混合器II内，并与循环的反应液快速混合、反应，所述缓冲罐上部设有溢流口，当缓冲罐内液位达到溢流口位置时，反应液从溢流口连续出料，达到稳定操作时，连续出料量为F1+F2。
[0010]其中，环形通道内流体流速u1、环形通道的水力学直径(通道宽度)d1、流体的密度ρ1、流体的黏度μ1满足d1·
u1·
ρ1/μ1≥2000。
[0011]其中，射流小孔内小流量流体的流速u2、射流小孔的孔径d2、小流量流体的密度ρ2、小流量流体的黏度μ2满足d2·
u2·
ρ2/μ2≥2000。
[0012]其中，射流小孔内小流量流体的流速u2与环形通道内流体流速u1比为1～6。
[0013]本专利技术通过调控环形通道的宽度，以及将大流量流体在环形通道内设计为旋流流动，小流量流体通过多个均匀分布的射流小孔喷射进入旋流流动的大流量流体，且射流速度与环形通道内流体流动速度的比例(u2/u1)为1
‑
6，从而实现两股高流量比液体在短时间内快速、高效混合，达到95％均匀混合的时间在10毫秒以内；当混合器放大时，通过保持环形通道的宽度不变，而将围成环形通道的内外筒体的直径放大，如内外筒直径同时放大10倍时，调整射流小孔的个数以及射流小孔的孔径，保持射流流体与环形通道内流体流动速度比不变时，达到95％均匀混合的时间基本不变，在10毫秒之内，从而实现混合器放大效应小的特点。
[0014]其中，所述缓冲罐内配有搅拌桨，搅拌桨为轴流式的推进式搅拌桨、径向流动的多叶片涡轮搅拌桨或斜叶片搅拌桨中的一种。
[0015]其中，反应液的循环量FR与两股小流量进料量F1和F2的流量比为50≤FR/(F1+F2)
≤200，当流量比在50～200之间时，反应热对循环液温度升高的幅度为5℃以内。小流量进料在反应器内反应产生的热被大流量循环物料迅速均匀地稀释降温，因此循环物料的温升可通过循环比来控制。
[0016]有益效果：本专利技术混合器通过将大流量流体进液管的中心线与外筒体连接处的法线的夹角β呈大于0
°
设置，使大流量流体在环形通道内旋流流动，小流量流体通过缓冲室上的射流小孔高速射流进入旋流流动的大流量流体内，快速高效混合；再利用具有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高流量比快速混合器，其特征在于：包括反应筒体，所述反应筒体包括同心设置的外筒体和内筒体，内外筒体之间形成环形通道；所述反应筒体上连有大流量流体进液管和大流量流体出液管，大流量流体进液管和大流量流体出液管均与环形通道连通；内筒体沿纵向依次设有第一换热区、缓冲室和第二换热区，缓冲室连有小流量流体进液管；缓冲室的侧壁上设有多个射流小孔，缓冲室通过射流小孔与环形通道连通；第一换热区和第二换热区分别设有与其对应的换热介质入口和换热介质出口，换热区内还设有挡板，换热介质从挡板一侧的换热介质入口进入换热区，换热介质穿过挡板与换热区之间的缝隙后从挡板另一侧的换热介质出口排出换热区。2.根据权利要求1所述的高流量比快速混合器，其特征在于：所述大流量流体进液管的中心线与外筒体连接处的法线间的夹角β呈大于0
°
设置，且中心线与外筒体连接处的法线和中心线处于同一横截面上。3.根据权利要求2所述的高流量比快速混合器，其特征在于：5
°
≤β≤45
°
。4.根据权利要求1所述的高流量比快速混合器，其特征在于：所述缓冲室的侧壁上沿轴向均匀分布有n个射流小孔，射流小孔的个数n由缓冲室侧壁的外圆周长C以及射流小孔的直径d确定，n为整数且满足0.2C/d≤n≤0.8C/d。5.利用权利要求1所述的高流量比快速混合器进行胺基连续硝化反应的环形反应系统，其特征在于：所述环形反应系统包括两个依次串联的高流量比快速混合器、缓冲罐和循环泵，两个依次串联的高流量比快...

【专利技术属性】
技术研发人员：骆培成，张梦雪，李春慧，武永军，姚瀚植，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：