[發明專利]微孔渦流套管反應器及其應用

有效

• 申請號: 201810270281.0
• 申請日: 2018-03-29
• 公開（公告）號: CN108325483B
• 公開（公告）日: 2023-05-30
• 發明（設計）人: 劉翠芳;鄧菊蓮
• 申請（專利權）人: 睦化(上海)流體工程有限公司
• 主分類號: B01J19/00
• 分類號: B01J19/00
• 代理公司: 上海政濟知識產權代理事務所(普通合伙) 31479
• 代理人: 輦甲武

本發明提供一種微孔渦流套管反應器及其應用，微孔渦流套管反應器包括：基本組合單元，包括一根外管和一根內管，內管設有連續相進口和出口，外管一端為分散相進口另一端為封閉端，內管兩端之間沿管壁周向和軸向兩個維度設計分布有或連續的一組微孔陣列或間斷的多組微孔陣列，當分散相通過內管壁的微孔后在內管中形成渦流。本發明可以使分散相通過內管壁微孔后在內管中形成渦流強化工藝流體的混合，尤其對于反應時間較長的工藝可以延緩相分離過程。同時可以將分散相與連續相的傳質換熱過程有效分解為若干不同片段，從而可以在工藝放大過程中有效緩解劇烈熱交換過程。

技術領域

本發明涉及一種微孔渦流套管反應器，本發明還涉及微孔渦流套管反應器的應用，屬于化工領域。

背景技術

關于氣液混合、氣體吸收和液液混合，尤其是水油兩相混合或者液液混合產生固體沉淀小顆粒的反應，文獻或工業上有設計流體分布器，如使用流體分布器和混合微通道技術的結合，降膜反應器或使用殼管式設計，套管式的設計緊湊工藝簡單、操作方便制造容易(適用于大、中、小型的各種裝置；可以單獨使用也可以集成使用組合形成列管)，而且其比表面積/體積的比值和換熱系數都比較高。

20世紀90年代以來，自然科學與工程技術發展的一個重要趨勢是向微型化邁進，尤其是納米材料的發展，引起了研究者對小尺度和快速過程的極大興趣。微反應器一般是指通過微加工和精密加工技術制造的小型反應系統，微反應器內流體的微通道尺寸在亞微米到亞毫米量級。對于液相或氣相混合過程來說，分子擴散是混合過程的最后步驟。由Fick定律可知，t～d2/D，其中D為擴散系數，d為擴散特征尺度，t為混合時間。由此可知，混合與擴散系數D和擴散距離d有關，除了高分子的聚合物以外，液體或可溶性固體的擴散系數相差不大。因此，為了減小混合時間，可通過減小擴散距離d來實現。微通道反應器正是基于這一原理提出來的。微反應器具有與大反應器完全不同的幾何特性：狹窄規整的微通道、非常小的反應空間和非常大的比表面積。其幾何特性決定了微反應器內流體的傳遞特性和宏觀流動特性，并進而導致它具有溫度控制好、反應器體積小、轉化率和收率高及安全性能好等一系列超越傳統反應器的獨特的優越性，在化學合成、化學動力學研究和工藝開發等領域具有廣闊的應用前景。套管微通道混合器/反應器一般采用由一根外管和一根內管構成套管，在內、外管之間形成環形微通道，外管上設有作為流動相的流體進口和出口，內管上一端設有分散相的流體進口而另一端為實心封閉端；在內管兩端之間利用不同材料形成的有孔管壁可以使分散相分散到流動相中實現混合和換熱。目前文獻報道或市售的套管微通道反應器基本有兩大類：1)一類膜分散式反應器使用傳統燒結金屬或金屬絲網微孔過濾膜使流體分散成微小的氣泡或液滴，從而強化微觀傳質換熱過程，但是常規燒結材料的孔徑和分布均為無序隨機形成，一般只能在管壁周向一定范圍內隨機或均布形成噴射流，可以適用于氣液兩相混合或液液混合為乳液或液液形成固體沉淀反應合成微納米顆粒。但是不能對于微孔的尺寸和分布以及微孔相對于管壁的噴射方向進行系統設計而形成渦流，也沒有特定設計可以將分散相與連續相的傳質換熱過程有效分解為若干不同片段有效緩解劇烈的熱交換過程。2)另一類使用Teflon微孔材料(如AF-2400)對于多種氣體透過性好但是對于液體密閉性好的特性制成的聚合物內管后再設計為套管反應器(“tube-in-tube?reactor”)，但是受限于聚合物材料的特性(大尺寸時的耐溫耐壓問題等)該tube-in-tube?reactor采用的Teflon管管徑小(如外徑僅有1毫米)目前僅有實驗室級別設備開發成功，僅適用于氣液兩相混合換熱，同時需要較長的管道以提高通量和提升混合效果；這一類聚合物套管的內管上微孔尺寸和微孔分布以及相對于管壁的噴射方向同樣無法實現系統設計而形成渦流。