一種超重力微管道反應(yīng)器的制造方法
【專利摘要】一種超重力微管道反應(yīng)器，包括：一兩端開口中空的中心軸，上端設(shè)置有中心齒輪；一反應(yīng)器的殼體，殼體軸向貫穿設(shè)有與中心軸平行的下端開口的中空的行星軸，行星軸上端設(shè)有與中心齒輪相嚙合的行星齒輪，使反應(yīng)器通過行星齒輪與中心齒輪的配合繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)繞自身的行星軸作相同方向、相同角度的自轉(zhuǎn)；殼體外周設(shè)有冷卻的夾套，夾套內(nèi)繞有至少一根螺旋微管道和冷卻水管道，螺旋微管道的總進(jìn)口管和總出口管以及冷卻水管道的進(jìn)水管和出水管均穿過夾套穿置在行星軸內(nèi)，并從行星軸的底部穿出、再從中心軸的底部穿入后從中心軸頂端引出。本發(fā)明適用于強(qiáng)放熱和相間傳質(zhì)控制的液液兩相強(qiáng)放熱反應(yīng)，可以提高反應(yīng)過程的安全性、選擇性和產(chǎn)率。
【專利說明】—種超重力微管道反應(yīng)器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于流體混合反應(yīng)設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種微管道反應(yīng)器，尤其涉及一種用于液液兩相強(qiáng)放熱反應(yīng)的超重力微管道反應(yīng)器。

【背景技術(shù)】
[0002]硝化、磺化、鹵化等強(qiáng)放熱反應(yīng)是工業(yè)生產(chǎn)中常見的反應(yīng)過程，廣泛應(yīng)用于藥物中間體、含能化合物、染料、殺蟲劑等的制備和生產(chǎn)中(Albright L F, Carr R VC，Schmitt R J.Nitrat1n:Recent laboratory and industrial developments [M].Washington:American Chemical Society, 1996.)。強(qiáng)放熱反應(yīng)的特點(diǎn)是反應(yīng)速率快、放熱量大，一旦溫度控制不好，就會(huì)在短時(shí)間內(nèi)釋放大量的熱，導(dǎo)致反應(yīng)失控，引起冒料等一系列嚴(yán)重后果(Chen C Y, Wu C ff.Thermal hazard assessment and macrokinetics analysisof toluene mononitrat1n in a batch reactor[J].Journal of Loss Prevent1nin the Process Industries, 1996，9 (5): 309-316.)。在強(qiáng)放熱反應(yīng)中，有相當(dāng)部分是涉及液液兩相的反應(yīng)(如用混酸硝化單芳烴的反應(yīng))，由于反應(yīng)速率快，相間傳質(zhì)往往成為控制步驟，兩相的混合和傳質(zhì)情況對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量有著決定性的影響(SchofieIdK.Aromatic Nitrat1n [Μ].Cambridge: Cambridge University Press, 1980.X 針對(duì)液液兩相強(qiáng)放熱反應(yīng)具有強(qiáng)放熱和相間傳質(zhì)控制的特點(diǎn)，開發(fā)能強(qiáng)化傳熱和相間傳質(zhì)的新型反應(yīng)器，對(duì)于提高對(duì)反應(yīng)過程的安全性、選擇性和產(chǎn)率具有重要意義。
[0003]微通道反應(yīng)器(microchannel reactor)也稱為微管道反應(yīng)器(microtubereactor),是一種流動(dòng)通道的特征尺度在數(shù)百微米內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)器(Kobayashi J, MorY,Kobayashi S.Multiphase organic synthesis in microchannel reactors[J].Chemistry-An Asian Journal, 2006，I (1&2): 22-35.)。它的主要特點(diǎn)是特征尺寸小、比表面積大、擴(kuò)散距離小，從而強(qiáng)化傳熱和傳質(zhì)過程，因此適用于強(qiáng)放熱和傳質(zhì)控制的液液兩相硝化反應(yīng)(宋紅燕，王鵬，孟文君，韓駿奇，孟子暉，周智明.微反應(yīng)器在強(qiáng)放熱反應(yīng)中的應(yīng)用[J].含能材料，2008，16(6):762-765.)。微通道內(nèi)液液兩相的流型主要有以下三種形式(駱廣生，徐建鴻，李少偉，王玉軍，汪家鼎.微結(jié)構(gòu)設(shè)備內(nèi)液-液兩相流行為研究及其進(jìn)展[J].現(xiàn)代化工，2006, 26(3): 19-23.):1、液液無相分散微接觸流動(dòng)和混合，即平行流(parallel flow) ;2、液柱分散流動(dòng)和混合，即柱狀流(slug flow) ;3、液滴分散流動(dòng)和混合，即滴狀流(droplet flow)。微通道中液液兩相流流型的形成:在設(shè)備上，取決于進(jìn)口混合器、管徑、管材，不同類型的進(jìn)口混合器適用的管徑范圍不同，且加工精度要求高；在操作條件上，主要受兩相流速(切應(yīng)力)的影響；在體系物性上，主要受界面力和黏度的影響，而密度差所起的作用較小。在傳統(tǒng)液液兩相混合設(shè)備(如填料萃取塔)中密度差對(duì)混合所起作用較大，因此強(qiáng)化密度差的作用或許是進(jìn)一步提高微通道中液液兩相混合和傳質(zhì)的有效方法。超重力(high gravity)是強(qiáng)化密度差作用的常用方法。
[0004]超重力技術(shù)的基本原理是利用超重力條件下多相流的密度差，強(qiáng)化相與相之間的相對(duì)速度和相互接觸，從而實(shí)現(xiàn)高效的傳質(zhì)和傳熱(陳建峰.超重力技術(shù)及應(yīng)用-新一代反應(yīng)與分離技術(shù)[Μ].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003.)。超重力技術(shù)自上個(gè)世紀(jì)問世以來，由于它的廣泛適用性以及在環(huán)保、材料、生物、化工等工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用前景，受到國內(nèi)外研究者的重視。獲取超重力的方式是通過轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備整體或部件形成離心力場，主要設(shè)備是超重力旋轉(zhuǎn)填料床，該設(shè)備適用于氣液、液固和氣液固體系。在色譜領(lǐng)域，一種被稱為高速逆流色譜(high-speed counter-current chromatography, HSCCC)的新型液液分配色譜被廣泛用于天然產(chǎn)物和合成藥物的分離(曹學(xué)麗.高速逆流色譜分離技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.)。高速逆流色譜具有兩個(gè)特殊的效果:1、分離管不斷解繞，不會(huì)被扭斷；2、在分離管上產(chǎn)生不斷變化且各向異性的特殊離心力場(超重力場)。高速逆流色譜轉(zhuǎn)速可達(dá)每分鐘數(shù)百至上千轉(zhuǎn)，所產(chǎn)生的離心力可達(dá)重力的數(shù)十至上百倍，因此高速逆流色譜可以看作是一種特殊的超重力設(shè)備。高速逆流色譜作為一種特殊的超重力設(shè)備，開展其作為反應(yīng)器的研究能夠拓展超重力技術(shù)的理論和應(yīng)用范圍。
[0005]利用高速逆流色譜的結(jié)構(gòu)和工作原理將常規(guī)尺寸的螺旋管改為微管道，就可以設(shè)計(jì)出一種在特殊超重力作用下的微管道反應(yīng)器，這種反應(yīng)器可命名為超重力微管道反應(yīng)器。超重力微管道反應(yīng)器用于液液兩相強(qiáng)放熱反應(yīng)可能具有以下有益的效果:1、通過調(diào)節(jié)超重力因子(離心力與重力的比值，R?2/g)改變微管道內(nèi)液液兩相流的流型；2、強(qiáng)化混合:兩相流不斷地被拉扯、變形，增加相的分散和聚并，提高兩相的宏觀混合效果；強(qiáng)化柱狀流(或者滴狀流)的內(nèi)環(huán)流，提高微觀混合(micromixing)效果；3、強(qiáng)化傳質(zhì):兩相流不斷地被拉扯、變形，增加相間接觸面積、加快相界面的更新速率，從而提高相間傳質(zhì)效率；4、強(qiáng)化傳熱:在微管道高效傳熱的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化管內(nèi)兩相與管壁的剪切作用使管內(nèi)液體傳熱邊界層變薄，進(jìn)一步提高換熱效率。
[0006]本發(fā)明針對(duì)液液兩相強(qiáng)放熱反應(yīng)具有強(qiáng)放熱和相間傳質(zhì)控制的特點(diǎn)，將高速逆流色譜技術(shù)與微管道反應(yīng)器技術(shù)結(jié)合，開發(fā)一種特殊超重力強(qiáng)化的微管道反應(yīng)器——超重力微管道反應(yīng)器。將該反應(yīng)器用于液液兩相強(qiáng)放熱反應(yīng)，可以提高反應(yīng)過程的安全性、選擇性和產(chǎn)率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種超重力微管道反應(yīng)器，將高速逆流色譜技術(shù)與微管道反應(yīng)器技術(shù)結(jié)合，適用于液液兩相強(qiáng)放熱反應(yīng)，可以提高反應(yīng)過程的安全性、選擇性和產(chǎn)率。
[0008]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:一種超重力微管道反應(yīng)器，其特征在于包括:
[0009]一中空的中心軸，其兩端開口，上端設(shè)置有一中心齒輪；
[0010]一反應(yīng)器的殼體，殼體的中心位置軸向貫穿設(shè)有一與中心軸平行的下端開口的中空的行星軸，所述行星軸的上端設(shè)有與中心齒輪相嚙合進(jìn)而帶動(dòng)殼體沿中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的行星齒輪，所述行星齒輪與中心齒輪的形狀和尺寸一致，所述殼體通過行星齒輪與中心齒輪的嚙合，使反應(yīng)器繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)繞自身的行星軸作相同方向、相同角度的自轉(zhuǎn)；
[0011]殼體的外周設(shè)有用于冷卻的夾套，夾套內(nèi)繞有至少一根螺旋微管道和冷卻水管道，所述螺旋微管道的總進(jìn)口管和總出口管以及冷卻水管道的進(jìn)水管和出水管均穿過夾套穿置在所述行星軸內(nèi)，并通過管套從所述行星軸的底部開口穿出、再從所述中心軸的底部芽入后從中心軸的頂端引出。
[0012]作為改進(jìn)，所述中心軸和行星軸均為垂直設(shè)置，所述殼體為圓柱形，殼體的外周依次間隔設(shè)有用于形成所述夾套的外圈與內(nèi)圈，所述螺旋微管道纏繞在內(nèi)圈上，所述冷卻水管道的進(jìn)水管和出水管分別呈軸向設(shè)置在所述夾套的兩側(cè)。
[0013]作為改進(jìn)，所述管套為便于所述螺旋微管道的總進(jìn)口管和總出口管以及冷卻水管道的進(jìn)水管和出水管穿置的四芯軟管套，管套的一端固定在所述行星軸內(nèi)，另一端穿出行星軸的底部固定在所述中心軸內(nèi)。
[0014]再改進(jìn)，所述螺旋微管道為I?100根，所有螺旋微管進(jìn)口管道通過多通接頭合并后進(jìn)入所述總進(jìn)口管中，而所有螺旋微管出口管道通過多通接頭合并后進(jìn)入所述總出口管中。
[0015]再改進(jìn)，所述總進(jìn)口管位于內(nèi)圈的下部，所述總出口管內(nèi)圈的上部，或者所述總進(jìn)口管位于內(nèi)圈的上部，所述總出口管內(nèi)圈的下部。
[0016]進(jìn)一步改進(jìn)，所述螺旋微管道的管徑為0.05-1.0毫米。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:針對(duì)液液兩相強(qiáng)放熱反應(yīng)具有強(qiáng)放熱和相間傳質(zhì)控制的特點(diǎn)，將高速逆流色譜技術(shù)與微管道反應(yīng)器技術(shù)結(jié)合，通過調(diào)節(jié)超重力因子(離心力與重力的比值，R?2/g)改變微管道內(nèi)液液兩相流的流型；同時(shí)強(qiáng)化混合:兩相流不斷地被拉扯、變形，增加相的分散和聚并，提高兩相的宏觀混合效果；強(qiáng)化柱狀流(或者滴狀流)的內(nèi)環(huán)流，提高微觀混合(micromixing)效果；強(qiáng)化傳質(zhì):兩相流不斷地被拉扯、變形，增加相間接觸面積、加快相界面的更新速率，從而提高相間傳質(zhì)效率；強(qiáng)化傳熱:在微管道高效傳熱的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化管內(nèi)兩相與管壁的剪切作用使管內(nèi)液體傳熱邊界層變薄，進(jìn)一步提高換熱效率；與普通的高速逆流色譜相的結(jié)構(gòu)相比，在反應(yīng)器的殼體中設(shè)計(jì)了換熱夾套解決了微管道與空氣換熱能力不足、無法高溫操作的問題；利用高速逆流色譜解繞管線，將冷卻水進(jìn)出管設(shè)置在行星軸和中心軸內(nèi)解繞冷卻水進(jìn)出管，避免了旋轉(zhuǎn)接頭的使用。
[0018]本發(fā)明適用于強(qiáng)放熱和相間傳質(zhì)控制的液液兩相強(qiáng)放熱反應(yīng)，可以提高反應(yīng)過程的安全性、選擇性和產(chǎn)率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明的超重力微管道反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0020]以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0021]如圖1所示，本實(shí)施例的超重力微管道反應(yīng)器，包括一中空的中心軸I和反應(yīng)器的殼體5,中心軸I為垂直設(shè)置，其兩端開口，中心軸I上端設(shè)置有一中心齒輪2 ;殼體5為圓柱形，殼體5的中心位置軸向貫穿設(shè)有一與中心軸I平行的下端開口的中空的行星軸3，行星軸3的上端設(shè)有與中心齒輪2相嚙合進(jìn)而帶動(dòng)殼體5沿中心軸I轉(zhuǎn)動(dòng)的行星齒輪4，行星齒輪4與中心齒輪2的形狀和尺寸一致，這樣殼體5就可以通過行星齒輪4與中心齒輪2的配合繞中心軸I公轉(zhuǎn)的同時(shí)，也繞自身的行星軸3作相同方向、相同角度的自轉(zhuǎn)，8卩“同步行星運(yùn)動(dòng)”;殼體5的外周依次設(shè)有外圈12與內(nèi)圈6，外圈12與內(nèi)圈6之間有一定的空隙，形成用于冷卻的夾套，在內(nèi)圈6上繞有二根螺旋微管道8，螺旋微管道8的管徑為0.05毫米，二個(gè)螺旋微管進(jìn)口管道通過三通接頭合并后進(jìn)入螺旋微管道的總進(jìn)口管9中，而二個(gè)螺旋微管出口管道通過三通接頭合并后進(jìn)入螺旋微管道的總出口管7中，總進(jìn)口管9位于內(nèi)圈6的下部，總出口管7位于內(nèi)圈6的上部；進(jìn)入殼體5的夾套的總進(jìn)口管9和出殼體5的夾套的總出口管7穿過內(nèi)圈6進(jìn)入并固定在行星軸3內(nèi)，而進(jìn)殼體5的冷卻水管道的進(jìn)水管13和出殼體5的冷卻水管道的出水管10也進(jìn)入并固定在行星軸3內(nèi)，行星軸3內(nèi)的四個(gè)管路合并進(jìn)入一管套中，管套為四芯軟套管11，四芯軟套管11的一端固定在行星軸3內(nèi)，另一端穿出行星軸3的底部固定在中心軸I內(nèi)，這樣四個(gè)管道均并通過四芯軟套管11從行星軸3的底部開口穿出、再從中心軸I的底部穿入后從中心軸I的頂端引出，在這樣的安排下，反應(yīng)器在進(jìn)行“同步行星運(yùn)動(dòng)”時(shí)可以將四芯軟套管11解繞，而不會(huì)被扭斷。
[0022]螺旋微管道8可以為I?100根，螺旋微管道8的總進(jìn)口管9與總出口管7的位置可以互換。
【權(quán)利要求】
1.一種超重力微管道反應(yīng)器，其特征在于包括: 一中空的中心軸，其兩端開口，上端設(shè)置有一中心齒輪； 一反應(yīng)器的殼體，殼體的中心位置軸向貫穿設(shè)有一與中心軸平行的下端開口的中空的行星軸，所述行星軸的上端設(shè)有與中心齒輪相嚙合進(jìn)而帶動(dòng)殼體沿中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的行星齒輪，所述行星齒輪與中心齒輪的形狀和尺寸一致，所述殼體通過行星齒輪與中心齒輪的嚙合，使反應(yīng)器在繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)繞自身的行星軸作相同方向、相同角度的自轉(zhuǎn)； 殼體的外周設(shè)有用于冷卻的夾套，夾套內(nèi)繞有至少一根螺旋微管道和冷卻水管道，所述螺旋微管道的總進(jìn)口管和總出口管以及冷卻水管道的進(jìn)水管和出水管均穿過夾套穿置在所述行星軸內(nèi)，并通過管套從所述行星軸的底部開口穿出、再從所述中心軸的底部穿入后從中心軸的頂端引出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超重力微管道反應(yīng)器，其特征在于:所述中心軸和行星軸均為垂直設(shè)置，所述殼體為圓柱形，所述殼體的外周依次間隔設(shè)有用于形成所述夾套的外圈與內(nèi)圈，所述螺旋微管道纏繞在內(nèi)圈上，所述冷卻水管道的進(jìn)水管和出水管分別呈軸向設(shè)置在所述夾套的兩側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超重力微管道反應(yīng)器，其特征在于:所述管套為便于所述螺旋微管道的總進(jìn)口管、總出口管以及冷卻水管道的進(jìn)水管和出水管穿置的四芯軟管套，管套的一端固定在所述行星軸內(nèi)，另一端穿出行星軸的底部固定在所述中心軸內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超重力微管道反應(yīng)器，其特征在于:所述螺旋微管道為I?100根，所有螺旋微管進(jìn)口管道通過多通接頭合并后進(jìn)入所述總進(jìn)口管中，而所有螺旋微管出口管道通過多通接頭合并后進(jìn)入所述總出口管中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一權(quán)利要求所述的超重力微管道反應(yīng)器，其特征在于:所述總進(jìn)口管位于內(nèi)圈的下部，所述總出口管內(nèi)圈的上部，或者所述總進(jìn)口管位于內(nèi)圈的上部，所述總出口管內(nèi)圈的下部。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一權(quán)利要求所述的超重力微管道反應(yīng)器，其特征在于:所述螺旋微管道的管徑為0.05-1.0暈米。
【文檔編號(hào)】B01J14/00GK104226217SQ201310237964
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2013年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月13日
【發(fā)明者】沈劍, 王家榮, 張皓薦 申請(qǐng)人:寧波工程學(xué)院