一種具有螺旋通道的管式混合器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于化工過程傳質(zhì)強(qiáng)化技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種具有螺旋通道的管式混合 器。
【背景技術(shù)】
[0002] 在化學(xué)、化工、醫(yī)藥和食品等眾多領(lǐng)域，流體混合是一項(xiàng)基本單元操作，設(shè)備的混 合性能對于諸多化學(xué)轉(zhuǎn)化和產(chǎn)品制造過程至關(guān)重要。例如，對于硫酸鋇等無機(jī)納米顆粒的 沉淀法生產(chǎn)過程，反應(yīng)物料必須快速混合才能滿足所需的高過飽和度條件；對于二氯丙醇 與氫氧化鈉間的環(huán)化反應(yīng)過程，只有在快速混合條件下才能抑制氫氧化鈉造成的產(chǎn)物水 解。為此，高效混合設(shè)備的開發(fā)一直是推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步的重要推動力。同時，一系 列包含相對慢速的平行副反應(yīng)的反應(yīng)體系也被用來評價設(shè)備的混合性能，比較典型的如 Villermaux/Dushman反應(yīng)，即包含瞬時的酸堿中和反應(yīng)（主反應(yīng)）和快速的碘離子還原反 應(yīng)（副反應(yīng)），混合時副反應(yīng)實(shí)際發(fā)生的幾率（分隔因子X s)越低，則混合性能越好。
[0003] 目前，工業(yè)上常用的混合設(shè)備有攪拌混合釜、靜態(tài)混合器和環(huán)流混合器等，但是這 些混合器往往不能有效強(qiáng)化和控制微觀混合，無法實(shí)現(xiàn)快速的均勻混合，限制了工藝方案 和條件的選擇，已成為化工過程強(qiáng)化的主要瓶頸。近年來，隨著微器件加工技術(shù)的不斷發(fā) 展，出現(xiàn)了許多以強(qiáng)化微觀混合為目標(biāo)的新型混合設(shè)備，比較典型的如在超重力場下工作 的旋轉(zhuǎn)填料床，微通道混合設(shè)備等。相對于前者，微通道混合設(shè)備中沒有動部件，具有裝配 簡單，運(yùn)行過程節(jié)能、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)流體在微通道中接觸方式的不同，微通道混合設(shè)備 可分T型微混合器、Y型微混合器、撞擊流微混合器、指狀交叉微混合器等多種，但它們在結(jié) 構(gòu)上有一個共同點(diǎn)，即將混合通道布置在一個二維平面上，而且一般是直通道。這種布置方 式在一定程度上限制了混合通道內(nèi)的混合性能，而計(jì)算流體力學(xué)摸擬的研宄已經(jīng)表明，在 直的混合通道內(nèi)，流體開始接觸至實(shí)現(xiàn)充分混合并不是一個可以瞬間完成的過程，混合通 道內(nèi)的混合強(qiáng)化仍很重要。
[0004] 綜上所述，微通道混合器作為一種高性能混合器，其混合通道的設(shè)計(jì)是現(xiàn)有研發(fā) 工作的短板，突破現(xiàn)有微通道混合器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想的約束，開發(fā)可以強(qiáng)化混合通道內(nèi)混合 過程的新型混合設(shè)備是化工過程強(qiáng)化領(lǐng)域具有重要意義的一項(xiàng)工作，新型混合器同時應(yīng)當(dāng) 保持易于設(shè)計(jì)、加工、和放大的特點(diǎn)，以適應(yīng)化工生產(chǎn)的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于，克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于實(shí)現(xiàn)流體間連續(xù)快 速混合、傳質(zhì)與反應(yīng)的具有螺旋通道的管式混合器。
[0006] 通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
[0007] -種具有螺旋通道的管式混合器，由進(jìn)口端板、管殼、外管、內(nèi)管和出口端板組成； 所述管殼、外管和內(nèi)管的長度相同，且由外向內(nèi)順次嵌套相連，進(jìn)口端板和出口端板分別與 管殼兩端相連，實(shí)現(xiàn)對管殼、外管和內(nèi)管的端面密封，進(jìn)口端板上焊接流體A進(jìn)口管，管殼 壁上焊接流體B進(jìn)口管，出口端板上焊接混合流體M出口管；內(nèi)管兩端分別設(shè)置流體A分配 室和混合流體M收集室，流體A分配室與流體A進(jìn)口管連通，混合流體M收集室與混合流體 M出口管連通；所述內(nèi)管外壁上設(shè)置螺旋槽，螺旋槽與外管內(nèi)壁連接構(gòu)成螺旋通道；所述外 管管壁在對應(yīng)螺旋通道的起點(diǎn)或與起點(diǎn)軸向距離為整數(shù)倍螺距的位置，設(shè)置貫通管壁的流 體B導(dǎo)入孔，用于將流體B導(dǎo)入到螺旋通道中；內(nèi)管管壁在對應(yīng)螺旋通道的起點(diǎn)位置，設(shè)置 貫通管壁的流體A導(dǎo)入孔，用于將流體A導(dǎo)入到螺旋通道中，在對應(yīng)螺旋通道的終點(diǎn)位置， 設(shè)置貫通管壁的混合流體M導(dǎo)出孔，用于將混合流體M從螺旋通道導(dǎo)出到混合流體M收集 室中。
[0008] 所述內(nèi)管外壁上螺旋槽的數(shù)量為1~6個，每個螺旋槽的寬度為0. 6mm~4. 0mm， 深度為〇. 4mm~4. 0mm，螺距為螺旋槽寬度的2~50倍。
[0009] 所述外管和內(nèi)管是一組以套管的方式置于管殼內(nèi)，或多組以列管的方式置于管殼 內(nèi)。
[0010] 本發(fā)明一個螺旋通道內(nèi)可以有多個流體B導(dǎo)入孔，一組外管/內(nèi)管可以加工多個 螺旋通道，多組外管/內(nèi)管可以方便地置入管殼內(nèi)，綜合采用這些方式使提高處理能力和 操作彈性變得非常容易；混合器整體為管道式，可以實(shí)現(xiàn)與上下游管線的無縫連接，在化 工、醫(yī)藥和食品等領(lǐng)域具有廣泛的適用性。
[0011] 本發(fā)明的有益效果：
[0012] 本發(fā)明管式混合器具有結(jié)構(gòu)緊湊，混合性能優(yōu)異，易于制造、放大和與管道連接等 特點(diǎn)；與直線型的通道混合器相比，該混合器可以在短的軸向距離內(nèi)提供長的混合長度，在 同樣的混合時間內(nèi)提供更好的混合效果，有望成為一類新型高效混合設(shè)備的原型；混合通 道為螺旋線，混合流體在其中流動時會因二次流效應(yīng)而產(chǎn)生徑向渦流，顯著地強(qiáng)化混合效 果；混合通道由相互嵌套的同軸圓管拼合而成，使用常規(guī)的機(jī)加工技術(shù)即可方便地制造。
【附圖說明】
[0013] 圖1為具有螺旋通道的管式混合器的正向剖面圖。
[0014] 圖2為具有螺旋通道的管式混合器的裝配圖。
[0015] 圖3為內(nèi)管結(jié)構(gòu)圖。
[0016] 圖4為外管結(jié)構(gòu)圖。
[0017] 圖中標(biāo)號：1_進(jìn)口端板；10-流體A進(jìn)口管；2-管殼；20-流體B進(jìn)口管；3-外管； 31-流體B導(dǎo)入孔；4-內(nèi)管；41-流體A分配室；42-混合流體M收集室；43-螺旋槽；44-流 體A導(dǎo)入孔；45-混合流體M導(dǎo)出孔；5-出口端板；50-混合流體M出口管。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0019] 一種具有螺旋通道的管式混合器如圖1-2所示，由進(jìn)口端板1、管殼2、外管3、內(nèi)管 4和出口端板5組成；所述管殼2、外管3和內(nèi)管4的長度相同，且由外向內(nèi)順次嵌套相連， 進(jìn)口端板1和出口端板5分別與管殼2兩端相連，實(shí)現(xiàn)對管殼2、外管3和內(nèi)管4的端面密 封，進(jìn)口端板1上焊接流體A進(jìn)口管10，管殼2壁上焊接流體B進(jìn)口管20，出口端板5上焊 接混合流體M出口管50 ;內(nèi)管4兩端分別設(shè)置流體A分配室41和混合流體M收集室42,流 體A分配室41與流體A進(jìn)口管10連通，混合流體M收集室42與混合流體M出口管20連 通；內(nèi)管和外管的結(jié)構(gòu)圖分別如圖3、圖4所示，所述內(nèi)管4外壁上設(shè)置螺旋槽43,螺旋槽43 與外管3內(nèi)壁連接構(gòu)成螺旋通道；所述外管3管壁在對應(yīng)螺旋通道的起點(diǎn)或與起點(diǎn)軸向距 離為整數(shù)倍螺距的位置，設(shè)置貫通管壁的流體B導(dǎo)入孔31，用于將流體B導(dǎo)入到螺旋通道 中；內(nèi)管4管壁在對應(yīng)螺旋通道的起點(diǎn)位置，設(shè)置貫通管壁的流體A導(dǎo)入孔44,用于將流體 A導(dǎo)入到螺旋通道中，在對應(yīng)螺旋通道的終點(diǎn)位置，設(shè)置貫通管壁的混合流體M導(dǎo)出孔45， 用于將混合流體M從螺旋通道導(dǎo)出到混合流體M收集室中。
[0020] 上述具有螺旋通道的管式混合器用于流體A和流體B的混合，其混合過程為：流體 A由進(jìn)口端板1上的流體A進(jìn)口管10進(jìn)入內(nèi)管4的流體A分配室41，然后由流體A導(dǎo)入孔 44導(dǎo)入螺旋通道；流體B依次經(jīng)管殼2上的流體B進(jìn)口管20和流體B導(dǎo)入孔31導(dǎo)入螺旋 通道；流體A和流體B在螺旋通道中混合成為混合流體M，并由混合流體M導(dǎo)出孔45導(dǎo)出 到混合流體M收集室42,最后由出口端板5上的混合流體M出口管50流出。
[0021] 下述實(shí)施例1-7中使用的管式混合器，管殼外徑為40mm，內(nèi)徑為36mm ;外管外徑為 28mm，內(nèi)徑為24mm ;內(nèi)管外徑為24mm，內(nèi)徑為16mm ;螺旋通道為單通道，螺旋寬度為2mm，深 度為2. 5mm，螺距10mm，螺旋繞軸向旋轉(zhuǎn)角度為1440°，流體A、流體B的入口以及混合流體 M的出口均為一個；管殼、外管和內(nèi)管的長度均為50_，與進(jìn)口端板和出口端板之間采用聚 四氟乙稀密封墊在螺栓緊固力作用下實(shí)現(xiàn)密封。采用的流體Α:[Γ] =0.03mol/L，[IO3M =0· 006mol/L，[H2BO3M = 0· 09mol/L ;流體 B : [H+] = 0· 01mol/L。流體 A 和流體 B 分別用 平流泵輸送，以恒定流量進(jìn)入混合器完成混合，混合器出口與在線紫外檢測器連接，測定混 合流體M在280nm下的吸光度，計(jì)算分隔因子X s，Xs越小，表明混合性能越好。
[0022] 實(shí)施例1-7的操作條件和混合表征結(jié)果如表1所示。
[0023] 表1.實(shí)施例操作條件及表征結(jié)果
[0024]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種具有螺旋通道的管式混合器，其特征在于，由進(jìn)口端板（I)、管殼（2)、外管（3)、 內(nèi)管⑷和出口端板（5)組成；所述管殼（2)、外管⑶和內(nèi)管⑷的長度相同，且由外向 內(nèi)順次嵌套相連，進(jìn)口端板（1)和出口端板（5)分別與管殼（2)兩端相連，進(jìn)口端板（1)上 焊接流體A進(jìn)口管（10)，管殼（2)壁上焊接流體B進(jìn)口管（20)，出口端板（5)上焊接混合 流體M出口管（50);內(nèi)管（4)兩端分別設(shè)置流體A分配室（41)和混合流體M收集室（42)， 流體A分配室（41)與流體A進(jìn)口管（10)連通，混合流體M收集室（42)與混合流體M出口 管（20)連通；所述內(nèi)管（4)外壁上設(shè)置螺旋槽（43)，螺旋槽（43)與外管（3)內(nèi)壁連接構(gòu) 成螺旋通道；所述外管（3)管壁在對應(yīng)螺旋通道的起點(diǎn)或與起點(diǎn)軸向距離為整數(shù)倍螺距的 位置，設(shè)置貫通管壁的流體B導(dǎo)入孔（31);內(nèi)管（4)管壁在對應(yīng)螺旋通道的起點(diǎn)位置，設(shè)置 貫通管壁的流體A導(dǎo)入孔（44)，在對應(yīng)螺旋通道的終點(diǎn)位置，設(shè)置貫通管壁的混合流體M導(dǎo) 出孔（45)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有螺旋通道的管式混合器，其特征在于，所述內(nèi)管外壁上 螺旋槽的數(shù)量為1~6個，每個螺旋槽的寬度為0. 6mm~4. 0mm，深度為0. 4mm~4. 0mm，螺 距為螺旋槽寬度的2~50倍。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有螺旋通道的管式混合器，其特征在于，所述外管和內(nèi)管 是一組以套管的方式置于管殼內(nèi)，或多組以列管的方式置于管殼內(nèi)。
【專利摘要】一種具有螺旋通道的管式混合器，由進(jìn)口端板、管殼、外管、內(nèi)管和出口端板組成；內(nèi)管兩端分別設(shè)置流體A分配室和混合流體M收集室，流體A分配室與流體A進(jìn)口管連通，混合流體M收集室與混合流體M出口管連通；所述內(nèi)管外壁上設(shè)置螺旋槽，螺旋槽與外管內(nèi)壁連接構(gòu)成螺旋通道；所述外管管壁上設(shè)置流體B導(dǎo)入孔，內(nèi)管管壁上設(shè)置流體A導(dǎo)入孔和混合流體M導(dǎo)出孔。本發(fā)明管式混合器具有結(jié)構(gòu)緊湊，混合性能優(yōu)異，易于制造、放大和與管道連接等特點(diǎn)；與直線型的通道混合器相比，該混合器可以在短的軸向距離內(nèi)提供長的混合長度，在同樣的混合時間內(nèi)提供更好的混合效果。
【IPC分類】B01F5-06
【公開號】CN104801214
【申請?zhí)枴緾N201510185307
【發(fā)明人】呂陽成, 朱珊, 駱廣生, 王凱
【申請人】清華大學(xué)
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年4月17日