CN101224405B - 一种带有微筛孔结构的反应器或混合器 - Google Patents
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Abstract
一种带有微筛孔结构的反应器或混合器，涉及流体微分散技术和设备。本发明含有微筛孔结构、混合通道和流体分配室，利用微筛孔将一种流体以微米级的液滴或气泡的形式分散到另一种流体中，在混合通道内利用高分散性、高比表面积的液滴和气泡快速完成混合与反应过程，是一种利用微筛孔结构实现均相、非均相流体高效反应或混合的新型微结构反应器或混合器。本发明具有加工简单、操作简便、单位体积处理量大等特点，可广泛应用于化学、化工、石化、医药、食品等众多技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种反应器或混合器，具体涉及流体微分散技术和设备，并将其用于不同流体间的混合或反应过程，属于化学化工设备技术领域。
背景技术
传统的化学反应器或混合器，主要采用搅拌的方式混合，这种混合方式虽然原理简单，但因为设备内的混合尺度在毫米级甚至更大的尺度，所以存在混合效率低下，混合过程能耗大的问题。传统意义上的塔式、管式等反应器或混合器，虽然相对全混釜来说具有各自的特点，但因为它们也处于毫米级混合尺度的范围，所以同样具有混合效率低下的问题。此外，因为这些设备采用经验放大的方式，所以存在放大周期长、过程复杂等问题。而反应器的作用归根结底就是要提供良好的混合环境，对于混合器来说则更是需要做到使物料快速、高效的混合。混合问题解决不好、或者混合效率低下就会导致反应周期长，单位体积反应器处理量低，反应器不易控制。对于伴有副反应的反应过程，混合效果不好更会导致反应器的选择性低下。
随着科学技术的发展，化工设备正在不断向着高效、节能的方向发展，在此基础上化工设备的微结构化成为了一个重要的趋势。近几年来在微加工、微测试技术的不断促进下，关于微尺度下混合、换热等方面的技术和科学发展极为迅速。众多的带有微结构的化工器件相继出现，这一出现彻底改变了传统的搅拌式的混合模式。在微结构的作用下，带有微结构的化工设备把设备内的混合尺度降到了微米尺度，取代了传统反应器和混合器内的毫米级以上的混合尺度，利用微米尺度下的更短传递距离，更大的传质面积有效地强化了传热、传质过程，因此微结构化工设备的混合效率要远高于传统化工设备。同时，微结构化工设备采用数目放大的思想，只需将众多小型的反应器或混合室并联就可以实现放大过程，因此微结构设备具有放大过程简单，放大效应小和放大周期短的特点。总之，微结构设备改变了传统反应器或混合器的混合方式，强化了设备内的传热、传质性能，更增加了反应器放大过程的安全性和有效性，因此开发新型的微结构反应器或混合器是十分必要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种带有微筛孔结构的反应器或混合器，可以使均相或非均相的两种流体快速混合，形成微分散体系，从而进一步提高混合效率，强化反应器内的传热、传质性能。
本发明的技术方案如下：
一种带有微筛孔结构的反应器或混合器，其特征在于：该反应器或混合器由本体、微筛孔结构、第一种流体入口管、第一种流体分配室、第二种流体入口管、第二种流体分配室、混合通道、产物收集室和出口管组成；所述的第一种流体入口管和第二种流体入口管分别与第一种流体分配室和第二种流体分配室相连，所述的产物收集室和出口管相连，所述的混合通道分别与第一种流体分配室和产物收集室连接，第二种流体分配室与混合通道通过微筛孔结构连接。
本发明的技术特征还在于：微筛孔结构的孔中心线垂直于混合通道的轴线；微筛孔结构的开孔率为1％～25％，微筛孔的水力学直径在10～1000μm之间，孔间距在0.3～3mm之间。所述的混合通道采用单通道或采用由并排的多个单通道组成的多通道结构，所述单通道的宽度在1mm～100mm之间，高度在0.2mm～20mm之间。所述第一流体分配室的体积为混合通道总体积的9～100倍，第二流体分配室的体积为混合通道总体积的0.4～5倍，所述混合或反应产物收集室的体积为混合通道总体积的1～10倍。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：本发明提供的带有微筛孔结构的反应器或混合器，在第一种流体错流剪切作用下以微米级的液滴或气泡的形式均匀分散到第一种流体中，形成微分散体系。利用微米级的高分散性、高比表面积的液滴和气泡所体现出的传质距离短、传质面积大的特点强化传质过程，研究表明，该设备内传质速度可以达到传统搅拌设备的5到20倍，待混合的两种流体在设备内停留时间小于1秒的情况下，即可实现95％以上的传质效率。该设备单位体积的处理量大，并可以利用多通道并联数目放大方法轻松实现放大。本发明可应用于化学、化工、石化、医药和食品等众多领域，特别是化学化工的反应与分离过程。
附图说明
图1为本发明提供的带有微筛孔结构的反应器或混合器结构示意图。
图2为微筛孔结构示意图。
图中：1-第一种流体入口管；2-第一种流体分配室；3-混合通道；4-产物收集室；5-出口管；6-微筛孔结构；7-第二种流体入口管；8-第二种流体分配室；9-反应器或混合器本体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的原理、结构作进一步的说明。
图1为本发明提供的带有微筛孔结构的反应器或混合器结构示意图。该反应器或混合器由本体9，微筛孔结构6，的第一种流体入口管1，第一种流体分配室2，混合通道3，产物收集室4，与该产物收集室相连的出口管5，以及第二种流体入口管7和第二种流体分配室8组成；所述的第一种流体入口管1和第二种流体入口管7分别与第一种流体分配室2和第二种流体分配室8相连，所述的产物收集室4和出口管5相连，所述的混合通道3分别与第一种流体分配室2和产物收集室4连接，第二种流体分配室8与混合通道3通过微筛孔结构6连接。
本发明所述的微筛孔结构如图2所示，微筛孔结构6的孔中心线垂直于混合通道的轴线，该微筛孔结构的开孔率一般在1％～25％之间，微筛孔的水力学直径在10～1000μm之间，孔间距在0.3～3mm之间为宜。混合通道可以采用单通道或多通道结构，多通道由并排的多个单通道组成。单通道的宽度一般在1mm～100mm之间，高度在0.2mm～20mm之间；第一流体分配室的体积为混合通道总体积的9～100倍，第二流体分配室的体积为混合通道总体积的0.4～5倍，而收集室的体积为混合通道总体积的1～10倍。
使用时，将待反应或混合的两种流体分别从第一种流体入口管1和第二种流体入口管7直接通入，第二种流体在压力作用下通过微筛孔结构6，再在第一种流体错流剪切作用下，于混合通道3内形成具有大比表面积的微米级液滴或气泡，使第二种流体均匀的分散在第一种流体中，从而使两种流体得以高效的混合或反应。
实施例1
利用单通道的带有微筛孔结构的微反应器，进行纳米硫酸钡颗粒制备反应。其中，微筛孔水力学直径为15μm，开孔率为5％，孔间距为0.3mm。混合通道宽1mm，高0.2mm。硫酸钠溶液作为第一种流体，其分配室体积是混合通道总体积的9倍，氯化钡作为第二种流体，其分配室体积为混合通道总体积的0.4倍，产物收集室的体积是混合通道总体积的1倍。反应产物纳米硫酸钡的平均粒径为42nm。
实施例2
利用20通道的带有微筛孔结构的微反应器，进行酰胺化预混合反应。其中，微筛孔水力学直径为10μm，开孔率为25％，孔间距为1mm。混合通道宽8mm，高15mm。CCA正己烷溶液作为第一种流体，其分配室体积是混合通道总体积的20倍，发烟硫酸作为第二种流体穿过为筛孔进入混合通道，其分配室体积为混合通道总体积的2.5倍，产物收集室的体积是混合通道总体积的2倍。反应选择性为95％。
实施例3
利用1000通道的带有微筛孔结构的微反应器，进行纳米碳酸钙制备反应。其中，微筛孔水力学直径为1000μm，开孔率为1％，孔间距为3mm。混合通道宽100mm，高20mm。Ca(0H)2水溶液作为第一种流体，其分配室体积是混合通道总体积的100倍，CO2-N2混合气作为第二种流体穿过为筛孔进入混合通道，其分配室体积为混合通道总体积的5倍，产物收集室的体积是混合通道总体积的10倍。反应产物为平均粒径61nm、单分散性好的碳酸钙颗粒。
Claims (3)
1.一种带有微筛孔结构的反应器或混合器，其特征在于：该反应器或混合器由本体(9)、微筛孔结构(6)、第一种流体入口管(1)、第一种流体分配室(2)、第二种流体入口管(7)、第二种流体分配室(8)、混合通道(3)、产物收集室(4)和出口管(5)组成；所述的第一种流体入口管和第二种流体入口管分别与第一种流体分配室和第二种流体分配室相连，所述的产物收集室和出口管相连，所述的混合通道分别与第一种流体分配室和产物收集室连接，第二种流体分配室与混合通道通过微筛孔结构连接；微筛孔结构的孔中心线垂直于混合通道的轴线；微筛孔结构的开孔率为1％～25％，微筛孔的水力学直径在10～1000μm之间，孔间距在0.3～3mm之间。
2.根据权利要求1所述的带有微筛孔结构的反应器或混合器，其特征在于：所述的混合通道采用单通道或采用由并排的多个单通道组成的多通道结构，所述单通道的宽度在1mm～100mm之间，高度在0.2mm～20mm之间。
3.根据权利要求1所述的带有微筛孔结构的反应器或混合器，其特征在于：所述第一流体分配室的体积为混合通道总体积的9～100倍，第二流体分配室的体积为混合通道总体积的0.4～5倍，所述产物收集室的体积为混合通道总体积的1～10倍。
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