專利名稱：一種液膜撞擊式噴射反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種實(shí)現(xiàn)液體間快速混合、快速反應(yīng)的噴射反應(yīng)器，更具體地說(shuō)，是一種液膜撞擊式液體快速混合噴射反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
在一些化工生產(chǎn)過(guò)程中，在液相間發(fā)生復(fù)雜的快速平行競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)或者快速串連競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物或中間產(chǎn)物與原料某組分可能會(huì)進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)；這些反應(yīng)進(jìn)行的程度與各種物料的濃度分布狀況有直接的關(guān)系。所以，液體物料之間的初始混合效果會(huì)極大地影響最終的產(chǎn)物分布、目的產(chǎn)品的收率和質(zhì)量，并同時(shí)影響全生產(chǎn)過(guò)程的設(shè)計(jì)和能耗等指標(biāo)。例如采用光氣化方法生產(chǎn)異氰酸酯(MDI或者TDI)時(shí)，該反應(yīng)過(guò)程主要包括冷光氣化階段和熱光氣化階段。在冷光氣化階段，將多胺和光氣分別溶解在惰性溶劑中，例如氯苯、二氯苯、甲苯、氯化萘、1，2，4-三氯苯等，并使它們?cè)?～70℃的低溫下進(jìn)行反應(yīng)。在此階段，主要生成酰胺和多胺的鹽酸鹽，以及少量的脲類化合物。主要反應(yīng)如下(1)(2)(3)(4)在冷反應(yīng)階段，多胺首先與光氣發(fā)生反應(yīng)(1)，生成氨基甲酰氯，這是一個(gè)快速放熱反應(yīng)，反應(yīng)在瞬間完成；同時(shí)，反應(yīng)(1)產(chǎn)生的HCl與多胺發(fā)生快速反應(yīng)(2)，生成多胺鹽酸鹽。氨基甲酰氯和多胺鹽酸鹽都是不溶于反應(yīng)體系的固體物質(zhì)。當(dāng)光氣與多胺局部混合效果較差時(shí)，溶液中局部過(guò)量的多胺將與氨基甲酰氯或者異氰酸酯發(fā)生反應(yīng)(3)和(4)，生成副產(chǎn)物脲，脲為不溶解于反應(yīng)體系的粘稠狀物質(zhì)。該過(guò)程為復(fù)雜的多步串聯(lián)競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)。主反應(yīng)為瞬間反應(yīng)，其反應(yīng)的時(shí)間尺度在毫秒級(jí)或者以下；生成的產(chǎn)物進(jìn)一步與原料發(fā)生快速反應(yīng)，生成不溶解于體系的副產(chǎn)物。因此，兩種原料的初始混合效果將直接影響主產(chǎn)物的收率和選擇性。成功地設(shè)計(jì)快速液體混合反應(yīng)器，提高兩股原料物流的初始混合效果，對(duì)于增加主產(chǎn)物的收率和選擇性，減小副產(chǎn)粘稠狀物質(zhì)的生成具有重要的意義。
將兩股(或多股)液體以一定的方式進(jìn)行快速撞擊是實(shí)現(xiàn)液體間快速混合的一種重要方法。通過(guò)將快速流動(dòng)的液體瞬間激烈撞擊，實(shí)現(xiàn)能量的快速耗散；同時(shí)，可以通過(guò)降低流體接觸前的空間尺度，在較小的空間尺度上迅速降低流體之間的離析程度，達(dá)到快速混合的目的。
英國(guó)專利GB 1238669公開(kāi)了一種用于生產(chǎn)異氰酸酯的反應(yīng)器(如圖1)，其中兩股流體通過(guò)兩個(gè)狹窄的流道后形成的薄液層以一定的角度相互快速撞擊，借此實(shí)現(xiàn)物料之間的快速混合。
美國(guó)專利US 3507626公開(kāi)了一種用于生產(chǎn)異氰酸酯的文丘里反應(yīng)器，將流道設(shè)計(jì)成文丘里管形式，利用縮徑增加兩股流體的流動(dòng)速度。該混合器由兩個(gè)同軸的文丘里管組成(如圖2所示)，其中第一股流體在內(nèi)外文丘里管形成的縫隙之間流動(dòng)，第二股流體從里面的文丘里管流動(dòng)，在內(nèi)部的文丘里管縮徑處，第二股流體經(jīng)狹縫或者均勻分布的小孔流出后與第一股流體碰撞混合，實(shí)現(xiàn)物料之間的快速混合。
美國(guó)專利US 4735359所描述的反應(yīng)器將混合前的流體空間尺度進(jìn)一步減小，將兩股流體通過(guò)兩個(gè)高壓液體噴嘴后形成厚度為100微米左右的片狀液膜，在混合區(qū)內(nèi)兩片液膜相互撞擊、混合。
通過(guò)以上的分析可以看出，通過(guò)使液膜或薄液層相互撞擊，在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)液體物料之間的快速混合。但是，由于快速競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)體系一般要求物料之間的混合時(shí)間尺度達(dá)到毫秒級(jí)甚至更低，因此，需要開(kāi)發(fā)更為有效的快速混合設(shè)備，以盡量保證主反應(yīng)、抑制副反應(yīng)的進(jìn)行。與此同時(shí)，還需要為后續(xù)的反應(yīng)過(guò)程創(chuàng)造適宜的條件，盡可能減少混合液膜的返混程度，并使其以類似平推流的形式流動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種新型的液膜撞擊式噴射反應(yīng)器，以強(qiáng)化主反應(yīng)、抑制副反應(yīng)，提高目的產(chǎn)物的收率和質(zhì)量。
本發(fā)明所提供的反應(yīng)器是基于以下的設(shè)計(jì)構(gòu)思使兩股或兩股以上的物料分別通過(guò)厚度為幾毫米的環(huán)形縫隙、形成的液膜在第一混合反應(yīng)區(qū)內(nèi)相互撞擊、快速混合、反應(yīng)；在第一混合反應(yīng)區(qū)未完成的混合、反應(yīng)過(guò)程在第二混合反應(yīng)區(qū)繼續(xù)進(jìn)行；第二混合反應(yīng)區(qū)為一逐漸擴(kuò)展的混合頭表面，通過(guò)將混合頭設(shè)計(jì)成漸擴(kuò)的弧面形式，例如截頭圓錐形、凸側(cè)面弧面錐形、凹側(cè)面弧面錐形或側(cè)面為凸凹結(jié)合的弧面錐形的形式，使來(lái)自第一混合反應(yīng)區(qū)的混合液膜在沿著混合頭貼壁運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，混合液膜的厚度迅速減薄，同時(shí)液膜內(nèi)的湍動(dòng)程度加劇，進(jìn)一步強(qiáng)化了液膜的混合過(guò)程，物料的混合時(shí)間尺度可以達(dá)到毫秒級(jí)水平；提供第二混合反應(yīng)區(qū)還可使完全混合后的物料在貼壁運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，以平推流的形式繼續(xù)進(jìn)行反應(yīng)，并根據(jù)反應(yīng)的時(shí)間尺度要求設(shè)計(jì)第二混合反應(yīng)區(qū)(混合頭)的長(zhǎng)短。
本發(fā)明所提供的噴射反應(yīng)器的基本結(jié)構(gòu)包括以下構(gòu)件進(jìn)料口1a和1b、中心軸2、內(nèi)環(huán)管3、中環(huán)管4以及混合頭8；其中，進(jìn)料口1a、1b分別與內(nèi)環(huán)管3和中環(huán)管4連通，所述中心軸2、內(nèi)環(huán)管3和中環(huán)管4自內(nèi)而外地同軸設(shè)置；所述的內(nèi)環(huán)管下端與中心軸之間形成內(nèi)環(huán)縫隙，而中環(huán)管下端與內(nèi)環(huán)管下端之間形成中環(huán)縫隙；兩個(gè)環(huán)狀縫隙的下末端出口處于基本相同的水平位置，至少在中環(huán)管的下末端有一個(gè)向中心軸2逐漸收口的部分，使內(nèi)環(huán)縫隙與中環(huán)縫隙之間形成一個(gè)夾角a，使兩個(gè)環(huán)狀縫隙的下末端出口處形成第一混合反應(yīng)區(qū)7；所述混合頭8與中心軸2的下端平滑相連，在混合頭8的表面形成第二混合反應(yīng)區(qū)。在第一混合反應(yīng)區(qū)7，從中環(huán)縫隙出口中流出的環(huán)狀液膜狀物料與從內(nèi)環(huán)縫隙出口流出的環(huán)狀液膜狀物料進(jìn)行撞擊式混合和反應(yīng)后，進(jìn)入第二混合反應(yīng)區(qū)繼續(xù)完成混合和反應(yīng)。
除了上述雙液膜的反應(yīng)器外，本發(fā)明所提供的反應(yīng)器還可以根據(jù)反應(yīng)過(guò)程的具體要求設(shè)計(jì)為三液膜、四液膜或具有更多層液膜的反應(yīng)器。例如，當(dāng)本發(fā)明所述反應(yīng)器設(shè)計(jì)為三液膜反應(yīng)器時(shí)，該反應(yīng)器還進(jìn)一步包括進(jìn)料口1c和與進(jìn)料口1c連通的外環(huán)管5；所述中心軸2、內(nèi)環(huán)管3、中環(huán)管4和外環(huán)管5自內(nèi)而外地同軸設(shè)置；所述的外環(huán)管下端與中環(huán)管下端之間形成外環(huán)縫隙；三個(gè)環(huán)狀縫隙的下末端出口處于基本相同的水平位置，在外環(huán)管的下末端有一個(gè)向中心軸2逐漸收口的部分，使外環(huán)縫隙與中環(huán)縫隙之間形成一個(gè)夾角b，使三個(gè)環(huán)狀縫隙的下末端出口處形成第一混合反應(yīng)區(qū)7。所述混合頭8與中心軸2的下端平滑相連，在混合頭8的表面形成第二混合反應(yīng)區(qū)。在第一混合反應(yīng)區(qū)7，從外環(huán)縫隙、中環(huán)縫隙出口中流出的環(huán)狀液膜狀物料與從內(nèi)環(huán)縫隙出口流出的環(huán)狀液膜狀物料進(jìn)行撞擊式混合和反應(yīng)后，進(jìn)入第二混合反應(yīng)區(qū)繼續(xù)完成混合和反應(yīng)。
四液膜或具有更多層液膜反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)與三液膜反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)類似，在外環(huán)管5的外側(cè)增設(shè)相應(yīng)的環(huán)狀進(jìn)料管和進(jìn)料口，從而使所構(gòu)成的環(huán)形縫隙的數(shù)量增加即可。
在本發(fā)明所提供的反應(yīng)器中，所述內(nèi)環(huán)管3的下部最好設(shè)計(jì)為縮徑結(jié)構(gòu)，例如，可以通過(guò)增大中心軸的直徑和/或增大內(nèi)環(huán)管下部的管壁厚度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)環(huán)管環(huán)形縫隙厚度的調(diào)節(jié)。
在本發(fā)明所提供的反應(yīng)器中，最好在中心軸的下部設(shè)置多片高度相等的翅片6，以保證中心軸2與內(nèi)環(huán)管3之間所形成的內(nèi)環(huán)縫隙厚度的均一性。所述翅片的結(jié)構(gòu)、數(shù)量、材質(zhì)等可由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)具體的反應(yīng)要求、并結(jié)合本領(lǐng)域的常識(shí)確定，例如，翅片6的數(shù)量N≥3片，且翅片的尺寸相同，其厚度略小于內(nèi)環(huán)縫隙的厚度，將其徑向均勻地固定在中心軸上。
在本發(fā)明所提供的反應(yīng)器中，所述中心軸2的下端設(shè)有混合頭8，且所述中心軸與混合頭之間平滑過(guò)渡。所述混合頭8可以設(shè)計(jì)為截頭圓錐形、凸側(cè)面弧面錐形、凹側(cè)面弧面錐形或側(cè)面為凸凹結(jié)合的弧面錐形等。這里所述的弧面錐形既可以是具有凹面形外側(cè)面的弧面錐形，也可以是具有凸面形外側(cè)面的弧面錐形，還可以是凸凹面結(jié)合的弧面錐形?；旌项^還可以根據(jù)物料的流量、其物化性質(zhì)等設(shè)計(jì)為不同曲面的組合，例如，上凸形或凹凸結(jié)合的曲面，但曲面的上部與中心軸2的下部均需采用連續(xù)的弧面連接，以保證流體沿著混合頭呈膜狀連續(xù)流動(dòng)。當(dāng)混合頭設(shè)計(jì)為具有凹面形外側(cè)面的弧面錐形時(shí)，其弧面的半徑R大小為R＝1.1-2.0h，h為混合頭8的高度；混合頭8的下部直徑12為混合頭8上部直徑11的2-5倍。當(dāng)混合頭設(shè)計(jì)為錐形時(shí)，其錐形的上部與中心軸2的下部采用連續(xù)的弧面連接。
當(dāng)反應(yīng)器采用雙液膜設(shè)計(jì)時(shí)，其內(nèi)環(huán)縫隙與外環(huán)縫隙之間的夾角a設(shè)計(jì)為20-90度。同時(shí)將內(nèi)環(huán)縫隙的厚度(d1)設(shè)計(jì)為0.5-5mm，中環(huán)縫隙的厚度(d2)設(shè)計(jì)為0.5-3mm。兩個(gè)環(huán)形縫隙厚度的確定原則為經(jīng)過(guò)中環(huán)縫隙和內(nèi)環(huán)縫隙的液體物料的動(dòng)量比值(QBVB∶QCVC)為3∶1-20∶1，優(yōu)選為4∶1-10∶1。
當(dāng)反應(yīng)器采用三液膜設(shè)計(jì)時(shí)，其內(nèi)環(huán)縫隙與中環(huán)縫隙之間的夾角a設(shè)計(jì)為20-60度，中環(huán)縫隙與外環(huán)縫隙之間的夾角b設(shè)計(jì)為10-60度，內(nèi)環(huán)縫隙與外環(huán)縫隙之間的總的夾角(a+b)在30-90度之間。同時(shí)將內(nèi)環(huán)縫隙的厚度(d1)設(shè)計(jì)為0.5-5mm，中環(huán)縫隙的厚度(d2)設(shè)計(jì)為0.5-3mm，外環(huán)縫隙的厚度(d3)設(shè)計(jì)為0.5-3mm。三個(gè)環(huán)形縫隙厚度大小的設(shè)計(jì)原則為經(jīng)過(guò)中環(huán)縫隙和內(nèi)環(huán)縫隙的液體物料的動(dòng)量比值(QBVB∶QCVC)為3∶1-20∶1，優(yōu)選為4∶1-10∶1；經(jīng)過(guò)外環(huán)縫隙和中環(huán)縫隙的液體物料的動(dòng)量比值(QAVA∶QBVB)為1∶4-4∶1，優(yōu)選為1∶1-4∶1。
在本發(fā)明所提供的反應(yīng)器中，各環(huán)形縫隙所形成的物料出口處為第一混合反應(yīng)區(qū)7，而與中心軸下端相連的混合頭8的外側(cè)壁為第二混合反應(yīng)區(qū)。本發(fā)明所述的反應(yīng)器可以使來(lái)自第一混合反應(yīng)區(qū)7的混合液膜在第二混合反應(yīng)區(qū)繼續(xù)進(jìn)行混合、反應(yīng)。
在本發(fā)明所提供的反應(yīng)器中，還可以將內(nèi)環(huán)縫隙設(shè)計(jì)成帶有旋流結(jié)構(gòu)的通道，以強(qiáng)化混合過(guò)程。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所提供的液膜撞擊式噴射反應(yīng)器具有以下有益效果(1)兩股或兩股以上的原料通過(guò)幾毫米厚的環(huán)形縫隙、形成的液膜在第一反應(yīng)區(qū)相互強(qiáng)烈撞擊，撞擊混合區(qū)的空間尺度在幾毫米左右，通過(guò)降低的空間尺度和強(qiáng)烈的液膜撞擊，實(shí)現(xiàn)物料之間第一次高效混合、反應(yīng)，混合的時(shí)間尺度在毫秒級(jí)；(2)在第二反應(yīng)區(qū)，通過(guò)設(shè)計(jì)成漸擴(kuò)的混合頭，混合液膜在沿著混合頭表面貼壁運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，液膜的厚度迅速減薄，且液膜內(nèi)的湍動(dòng)程度增加，進(jìn)一步強(qiáng)化了混合過(guò)程；(3)在混合液膜沿著混合頭貼壁運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，混合液膜的返混程度最小，接近于理想的“平推流”形式；(4)通過(guò)約束第一混合反應(yīng)區(qū)的出口形狀，可以滿足不同的混合要求，如要求混合的時(shí)間尺度比較小時(shí)，可以采取較強(qiáng)的出口約束，對(duì)于混合的時(shí)間尺度比較大時(shí)，可以采用較弱的出口約束；(5)對(duì)于不同的反應(yīng)時(shí)間尺度要求，可以通過(guò)改變混合頭的長(zhǎng)短來(lái)適應(yīng)不同的反應(yīng)時(shí)間尺度要求；(6)對(duì)于有氣體副產(chǎn)物產(chǎn)生的過(guò)程，混合液膜在沿著漸擴(kuò)的混合頭表面貼壁運(yùn)動(dòng)中，有利于氣體副產(chǎn)物的迅速逸出。


圖1是GB1238669所披露的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是USP3507626所披露的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明所提供的噴射反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖(雙液膜)；圖4是本發(fā)明所提供的噴射反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖(三液膜)；圖5至8是本發(fā)明所提供的噴射反應(yīng)器的環(huán)形縫隙剖面圖；圖9至11是本發(fā)明所提供的噴射反應(yīng)器的混合頭結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面列舉幾種具體的實(shí)施方式，以進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明所提供的噴射反應(yīng)器，但本發(fā)明并不因此而受到任何限制。
實(shí)施方式A如圖3所示，該反應(yīng)器包括進(jìn)料口1a和1b、中心軸2、內(nèi)環(huán)管3、中環(huán)管4以及混合頭8；所述中心軸2、內(nèi)環(huán)管3和中環(huán)管4自內(nèi)而外地同軸設(shè)置；所述混合頭8與中心軸2的下端相連；所述的內(nèi)環(huán)管下端與中心軸之間形成內(nèi)環(huán)縫隙，而中環(huán)管下端與內(nèi)環(huán)管下端之間形成中環(huán)縫隙。
圖3所示的反應(yīng)器按照如下方式工作兩股原料C和B分別經(jīng)進(jìn)料口1a和1b注入該反應(yīng)器的內(nèi)環(huán)管3和中環(huán)管4，并沿內(nèi)環(huán)管和中環(huán)管向下流動(dòng)。原料C和B分別通過(guò)幾毫米厚的內(nèi)環(huán)縫隙和中環(huán)縫隙，它們所形成的液膜在第一混合反應(yīng)區(qū)7相互撞擊。第一混合反應(yīng)區(qū)的空間尺度在幾毫米左右，通過(guò)降低的空間尺度和強(qiáng)烈的液膜撞擊，實(shí)現(xiàn)物料之間第一次高效混合、反應(yīng)，混合的時(shí)間尺度為毫秒級(jí)。離開(kāi)第一混合反應(yīng)區(qū)的物流向下流動(dòng)進(jìn)入第二反應(yīng)區(qū)。通過(guò)逐漸延伸的混合頭，混合液膜在沿著混合頭表面貼壁運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，液膜的厚度迅速減薄，且液膜內(nèi)的湍動(dòng)程度增加，進(jìn)一步強(qiáng)化了混合過(guò)程。在混合液膜沿著混合頭貼壁運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，混合液膜的返混程度最小，接近于理想的“平推流”形式。自混合頭的末端收集反應(yīng)產(chǎn)物，經(jīng)分離后即可得到最終目的產(chǎn)物。
實(shí)施方式B如圖4所示，該反應(yīng)器包括進(jìn)料口1a、1b和1c、中心軸2、內(nèi)環(huán)管3、中環(huán)管4、外環(huán)管5以及混合頭8；所述中心軸2、內(nèi)環(huán)管3、中環(huán)管4和外環(huán)管5自內(nèi)而外地同軸設(shè)置；所述混合頭8與中心軸2的下端相連；所述的內(nèi)環(huán)管下端與中心軸之間形成內(nèi)環(huán)縫隙，中環(huán)管下端與內(nèi)環(huán)管下端之間形成中環(huán)縫隙，而外環(huán)管下端與中環(huán)管下端之間形成外環(huán)縫隙。
圖4所示的反應(yīng)器按照如下方式工作三股原料C、B和A分別經(jīng)進(jìn)料口1a、1b和1c注入該反應(yīng)器的內(nèi)環(huán)管3、中環(huán)管4和外環(huán)管5，并沿內(nèi)環(huán)管、中環(huán)管和外環(huán)管向下流動(dòng)。原料C、B和A分別通過(guò)幾毫米厚的內(nèi)環(huán)縫隙、中環(huán)縫隙和外環(huán)縫隙，它們所形成的液膜在第一混合反應(yīng)區(qū)7相互撞擊、混合。第一混合反應(yīng)區(qū)的空間尺度在幾毫米左右，通過(guò)降低的空間尺度和強(qiáng)烈的液膜撞擊，實(shí)現(xiàn)物料之間第一次高效混合、反應(yīng)，混合的時(shí)間尺度為毫秒級(jí)。離開(kāi)第一混合反應(yīng)區(qū)的物流向下流動(dòng)進(jìn)入第二反應(yīng)區(qū)。通過(guò)逐漸延伸的混合頭，混合液膜在沿著混合頭表面貼壁運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，液膜的厚度迅速減薄，且液膜內(nèi)的湍動(dòng)程度增加，進(jìn)一步強(qiáng)化了混合過(guò)程。在混合液膜沿著混合頭貼壁運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，混合液膜的返混程度最小，接近于理想的“平推流”形式。自混合頭的末端收集反應(yīng)產(chǎn)物，經(jīng)分離后即可得到最終目的產(chǎn)物。
實(shí)施方式C反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)如圖4所示。與實(shí)施方式B的區(qū)別在于，該實(shí)施方式僅處理兩股原料，其中，原料C由進(jìn)料口1a和1c分別注入內(nèi)環(huán)管3和外環(huán)管5中，而原料B經(jīng)進(jìn)料口1b注入中環(huán)管4中。其余的反應(yīng)過(guò)程與實(shí)施方式B相同。這樣的物流安排能使兩股液體物流實(shí)現(xiàn)更充分的混合和反應(yīng)。
實(shí)施方式D采用本發(fā)明所述的具有四層液膜的噴射反應(yīng)器。該實(shí)施方式僅處理兩種原料，即A和B，使它們分別通過(guò)兩個(gè)進(jìn)料口注入兩個(gè)進(jìn)料管中，并使原料A和B所形成的液膜相互間隔。其余的反應(yīng)過(guò)程與實(shí)施方式B相同。這樣的物流安排也能使兩股液體物流實(shí)現(xiàn)更充分的混合和反應(yīng)。該實(shí)施方式中第一混合反應(yīng)區(qū)的結(jié)構(gòu)示意圖參見(jiàn)圖8。
下面的實(shí)施例將對(duì)本發(fā)明所提供的噴射反應(yīng)器予以進(jìn)一步的說(shuō)明，但本發(fā)明并不因此而受到任何限制。
激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)是評(píng)價(jià)液體混合效果的一種先進(jìn)的定量評(píng)價(jià)方法，其主要原理是，利用一些熒光物質(zhì)(如羅丹明B或者羅丹明6G)在激光誘導(dǎo)激發(fā)下產(chǎn)生一定波長(zhǎng)的可見(jiàn)光波，再用高速數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行連續(xù)拍攝流場(chǎng)的圖片。當(dāng)溶液中羅丹明的濃度在一定的值以下時(shí)，羅丹明溶液的濃度與對(duì)應(yīng)的圖片象素的灰度值成線性關(guān)系，因此可以通過(guò)對(duì)所拍攝的流場(chǎng)的圖片進(jìn)行分析，得出流場(chǎng)內(nèi)熒光物質(zhì)的濃度分布，進(jìn)而分析流體之間的混合情況。用該評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)了本發(fā)明所述的液膜撞擊式液體快速混合噴射反應(yīng)器的混合效果。實(shí)驗(yàn)所用激光器采用Dantec公司生產(chǎn)的型號(hào)為PIV-100的固體激光器，產(chǎn)生的激光強(qiáng)度為100mJ；數(shù)碼相機(jī)的型號(hào)為Hisense PIV/PLIF C4742-53-12NRB數(shù)碼相機(jī)，其分辨率為1280×1024象素；采用的熒光物質(zhì)為羅丹明B。在所述的實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)溶液中羅丹明B的濃度在0-140微克/升時(shí)，羅丹明B的濃度與對(duì)應(yīng)的圖片象素灰度值大小成線性關(guān)系。
實(shí)施例1采用圖4所示的本發(fā)明液膜撞擊式液體快速混合噴射反應(yīng)器，其中心軸下部的直徑為50mm，內(nèi)環(huán)縫隙的大小為3mm，中環(huán)縫隙的大小為1.5mm，外環(huán)縫隙的大小為1.5mm，內(nèi)環(huán)縫隙與中環(huán)縫隙之間的夾角a設(shè)計(jì)為40度，中環(huán)縫隙與外環(huán)縫隙之間的夾角b設(shè)計(jì)為30度，內(nèi)環(huán)縫隙采用無(wú)旋流的形式。第一混合區(qū)出口處采用如圖6所示的較強(qiáng)的約束，混合頭采用如圖9所示的漸擴(kuò)的弧面設(shè)計(jì)，其高度h為100mm，弧面的半徑R為130mm。示蹤劑羅丹明B從連接進(jìn)料口1c和進(jìn)料口1a的液體輸送管(液體輸送管足夠長(zhǎng)，以保證在示蹤劑進(jìn)入進(jìn)料口前充分、均勻地混合在水流中)上部連續(xù)注入，其濃度為100微克/升，進(jìn)口處水的壓力為3.5kg/cm2，進(jìn)料口1c處含有示蹤劑的水的流量為5m3/hr，進(jìn)料口1a處含有示蹤劑的水的流量為5m3/hr。進(jìn)料口1b以恒定的速度進(jìn)自來(lái)水，進(jìn)口處水的壓力為3.5kg/cm2，水量大小為10m3/hr。用激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)評(píng)價(jià)帶有示蹤劑羅丹明B的水溶液與自來(lái)水之間的混合效果，在第一混合區(qū)出口處，三股流體形成的混合液膜的離析度(用IOS表示，即當(dāng)多股流體達(dá)到完全混合時(shí)，IOS值為0；當(dāng)流體完全未混合時(shí)，離析度值為1)為56％，兩股流體達(dá)到95％的混合效果(此時(shí)離析度IOS值為5％，圖像上混合區(qū)95％的灰度值一致)所需經(jīng)過(guò)的時(shí)間(從開(kāi)始撞擊算起)約為2.2毫秒。如果不設(shè)漸擴(kuò)的混合頭，而采用圓柱狀的混合頭作為第二混合、反應(yīng)區(qū)(圓柱直徑與中心軸下部直徑相同)，其它結(jié)構(gòu)與設(shè)施例1中所述的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)相同，兩股流體達(dá)到95％的混合效果需要經(jīng)過(guò)的時(shí)間約為8.5毫秒。
實(shí)施例2采用圖4所示的本發(fā)明液膜撞擊式液體快速混合噴射反應(yīng)器，其中心軸下部的直徑為100mm，內(nèi)環(huán)縫隙的大小為2.5mm，中環(huán)縫隙的大小為1mm，外環(huán)縫隙的大小為1.5mm，內(nèi)環(huán)縫隙與中環(huán)縫隙之間的夾角a設(shè)計(jì)為50度，中環(huán)縫隙與外環(huán)縫隙之間的夾角b設(shè)計(jì)為25度，內(nèi)環(huán)縫隙采用旋流設(shè)計(jì)(旋流方向與中心軸徑向方向的夾角為20度)。第一混合區(qū)出口處采用如圖7所示的較弱的約束，混合頭采用如圖9所示漸擴(kuò)的弧面設(shè)計(jì)形式，其高度h為100mm，弧面的半徑R為150mm。示蹤劑羅丹明B從連接進(jìn)料口1c和進(jìn)料口1a的液體輸送管(液體輸送管足夠長(zhǎng)，以保證在示蹤劑進(jìn)入進(jìn)料口前充分、均勻地混合在水流中)上部連續(xù)注入，其濃度為120微克/升，進(jìn)口處水的壓力為3.5kg/cm2，進(jìn)料口1c處含有示蹤劑的水的流量為8m3/hr，進(jìn)料口1a處含有示蹤劑的水的流量為10m3/hr。進(jìn)料口1b以恒定的速度進(jìn)自來(lái)水，進(jìn)口處水的壓力為3.5kg/cm2，水量大小為10m3/hr。用激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)評(píng)價(jià)帶有示蹤劑羅丹明B的水溶液與自來(lái)水之間的混合效果，在第一混合區(qū)的出口處，三股流體形成的混合液膜的IOS值為42％，三股流體達(dá)到95％的混合效果所需經(jīng)過(guò)的時(shí)間約為1.0毫秒。如果不設(shè)漸擴(kuò)的混合頭，而采用圓柱狀的混合頭作為第二混合、反應(yīng)區(qū)(圓柱直徑與中心軸下部直徑相同)，其它結(jié)構(gòu)與設(shè)施例2中所述的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)相同，三股流體達(dá)到95％的混合效果需要經(jīng)過(guò)的時(shí)間約為6.3毫秒。
實(shí)施例3采用圖3所示的本發(fā)明液膜撞擊式液體快速混合噴射反應(yīng)器，其中心軸下部的直徑為80mm，內(nèi)環(huán)縫隙的大小為4mm，中環(huán)縫隙的大小為2mm，無(wú)外環(huán)縫隙(如圖3所示)；內(nèi)環(huán)縫隙與中環(huán)縫隙之間的夾角a設(shè)計(jì)為45度，內(nèi)環(huán)縫隙采用無(wú)旋流設(shè)計(jì)的形式?；旌项^采用如圖10所示的錐形設(shè)計(jì)，其高度h為100mm，錐形的底面直徑12為200mm。示蹤劑羅丹明B從連接進(jìn)料口1b的液體輸送管(液體輸送管足夠長(zhǎng)，以保證在示蹤劑進(jìn)入進(jìn)料口前充分、均勻地混合在水流中)上部連續(xù)注入，其濃度為120微克/升，進(jìn)口處水的壓力為3.5kg/cm2，進(jìn)料口1b處含有示蹤劑的水的流量為20m3/hr。進(jìn)料口1a以恒定的速度進(jìn)自來(lái)水，進(jìn)口處水的壓力為3.5kg/cm2，水量大小為10m3/hr。用激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)評(píng)價(jià)帶有示蹤劑羅丹明B的水溶液與自來(lái)水之間的混合效果，在第一混合區(qū)的出口處，兩股流體形成的混合液膜的IOS值為63％，兩股流體達(dá)到95％的混合效果所需經(jīng)過(guò)的時(shí)間約為3.5毫秒。如果不設(shè)漸擴(kuò)的混合頭，而采用圓柱狀的混合頭作為第二混合、反應(yīng)區(qū)(圓柱直徑與中心軸下部直徑相同)，其它結(jié)構(gòu)與設(shè)施例3中所述的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)相同，兩股流體達(dá)到95％的混合效果需要經(jīng)過(guò)的時(shí)間約為12.8毫秒。
權(quán)利要求
1.一種液膜撞擊式噴射反應(yīng)器，包括以下構(gòu)件進(jìn)料口(1a和1b)、中心軸(2)、內(nèi)環(huán)管(3)、中環(huán)管(4)以及混合頭(8)；其中，進(jìn)料口(1a)、進(jìn)料口(1b)分別與內(nèi)環(huán)管(3)和中環(huán)管(4)連通，所述中心軸(2)、內(nèi)環(huán)管(3)和中環(huán)管(4)自內(nèi)而外地同軸設(shè)置；所述內(nèi)環(huán)管下端與中心軸之間形成內(nèi)環(huán)縫隙，而中環(huán)管下端與內(nèi)環(huán)管下端之間形成中環(huán)縫隙；兩個(gè)環(huán)狀縫隙的下末端出口處于基本相同的水平位置，至少在中環(huán)管的下末端有一個(gè)向中心軸(2)逐漸收口的部分，使內(nèi)環(huán)縫隙與中環(huán)縫隙之間形成一個(gè)夾角a，使兩個(gè)環(huán)狀縫隙的下末端出口處形成第一混合反應(yīng)區(qū)(7)；所述混合頭(8)與中心軸(2)的下端平滑相連，在混合頭(8)的表面形成第二混合反應(yīng)區(qū)。
2.按照權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述混合頭(8)為截頭圓錐形、凸側(cè)面弧面錐形、凹側(cè)面弧面錐形或側(cè)面為凸凹結(jié)合的弧面錐形。
3.按照權(quán)利要求2所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述混合頭為凹側(cè)面弧面錐形時(shí)，其凹側(cè)面弧面的半徑R＝1.1-2.0h，混合頭的下部直徑l2為混合頭上部直徑l1的2-5倍；h為混合頭的垂直高度。
4.按照權(quán)利要求3所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述中心軸的下部設(shè)置有翅片(6)，且翅片的厚度略小于內(nèi)環(huán)縫隙的厚度，翅片的數(shù)量N≥3片。
5.按照權(quán)利要求4所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述內(nèi)環(huán)管(3)的下部通過(guò)增大中心軸的直徑和/或增大內(nèi)環(huán)管下部的管壁厚度形成縮徑結(jié)構(gòu)。
6.按照權(quán)利要求5所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述內(nèi)環(huán)縫隙與中環(huán)縫隙之間的夾角a為20-90度；內(nèi)環(huán)縫隙的厚度d1為0.5-5mm，中環(huán)縫隙的厚度d2為0.5-3mm。
7.按照權(quán)利要求1-6之一的所述反應(yīng)器，其特征在于，所述的內(nèi)環(huán)縫隙可以設(shè)計(jì)成帶有旋流結(jié)構(gòu)的通道，也可以設(shè)計(jì)為不帶旋流結(jié)構(gòu)的通道。
8.按照權(quán)利要求1-6之一所述的反應(yīng)器，其特征在于，該反應(yīng)器還包括進(jìn)料口(1c)和與進(jìn)料口(1c)連通的外環(huán)管(5)，所述中心軸(2)、內(nèi)環(huán)管(3)、中環(huán)管(4)和外環(huán)管(5)自內(nèi)而外地同軸設(shè)置；所述的外環(huán)管下端與中環(huán)管下端之間形成外環(huán)縫隙；三個(gè)環(huán)狀縫隙的下末端出口處于基本相同的水平位置，在外環(huán)管的下末端有一個(gè)向中心軸(2)逐漸收口的部分，使外環(huán)縫隙與中環(huán)縫隙之間形成一個(gè)夾角b，使三個(gè)環(huán)狀縫隙的下末端出口處形成第一混合反應(yīng)區(qū)(7)。
9.按照權(quán)利要求8所述的反應(yīng)器，其特征在于，該反應(yīng)器的中環(huán)縫隙與外環(huán)縫隙之間的夾角b為10-60度，內(nèi)環(huán)縫隙與外環(huán)縫隙之間的總的夾角(a+b)為30-90度；其外環(huán)縫隙的厚度d3為0.5-3mm。
10.按照權(quán)利要求8的所述反應(yīng)器，其特征在于，所述的內(nèi)環(huán)縫隙可以設(shè)計(jì)成帶有旋流結(jié)構(gòu)的通道，也可以設(shè)計(jì)為不帶旋流結(jié)構(gòu)的通道。
11.按照權(quán)利要求9的所述反應(yīng)器，其特征在于，所述的內(nèi)環(huán)縫隙可以設(shè)計(jì)成帶有旋流結(jié)構(gòu)的通道，也可以設(shè)計(jì)為不帶旋流結(jié)構(gòu)的通道。
12.按照權(quán)利要求8-11所述的反應(yīng)器，其特征在于，該反應(yīng)器還包括一層或多層設(shè)置于外環(huán)管(5)外側(cè)的、與外環(huán)管(5)有類似結(jié)構(gòu)的環(huán)狀進(jìn)料管以及與該環(huán)狀進(jìn)料管分別連通的進(jìn)料口。
全文摘要
一種液膜撞擊式噴射反應(yīng)器，包括以下構(gòu)件進(jìn)料口(1a和1b)、中心軸(2)、內(nèi)環(huán)管(3)、中環(huán)管(4)以及混合頭(8)；其中，所述中心軸(2)、內(nèi)環(huán)管(3)和中環(huán)管(4)自內(nèi)而外地同軸設(shè)置；所述混合頭(8)與中心軸(2)的下端相連；所述的內(nèi)環(huán)管下端與中心軸之間形成內(nèi)環(huán)縫隙，而中環(huán)管下端與內(nèi)環(huán)管下端之間形成中環(huán)縫隙。該反應(yīng)器可實(shí)現(xiàn)液體間快速混合、快速反應(yīng)，提高目的產(chǎn)物的收率和質(zhì)量。
文檔編號(hào)B01F5/04GK1830540SQ20061000723
公開(kāi)日2006年9月13日 申請(qǐng)日期2006年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月15日
發(fā)明者丁建生, 程易, 駱培成, 王勇, 于天杰, 李洪波 申請(qǐng)人:煙臺(tái)萬(wàn)華聚氨酯股份有限公司