[發明專利]一種管道超聲反應器

在審

• 申請號: 202011185116.9
• 申請日: 2020-10-29
• 公開（公告）號: CN112403417A
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 黃穎;張軍科;范曉梅;張琳
• 申請（專利權）人: 黃穎;張軍科;范曉梅;張琳
• 主分類號: B01J19/10
• 分類號: B01J19/10;B01J19/00
• 代理公司: 廣州三環專利商標代理有限公司 44202
• 代理人: 顏希文;宋亞楠

本發明涉及超聲反應設備技術領域，公開了一種管道超聲反應器，包括流體管道和超聲發生機構，超聲發生機構布置在流體管道的外部，流體管道的內壁上布置有用于吸附氣泡核的粗糙面，粗糙面的粗糙度Ra為1－200um，超聲發生機構產生的超聲頻率f為10－1000kHz，粗糙面的粗糙度與超聲發生機構產生的超聲頻率的乘積為0.01－100mm·kHz。在流體管道的內壁上布置有粗糙面，粗糙面的粗糙度Ra為1－200um，該粗糙度下的粗糙面極易吸附、束縛大量微小的氣泡核，氣泡核在超聲作用下形成大量的空化氣泡，從而增強了超聲的混合效果，同時摩擦面成型在流體管道的內壁上，避免在流體管道的內部放置填充物，不會增加流體管道內部結構的復雜性而導致壓降，避免流體在流體管道內發生堵塞。

技術領域

本發明涉及超聲反應設備技術領域，特別是涉及一種管道超聲反應器。

背景技術

基于微小管道的連續式反應器由于傳熱傳質速度快、多相流行可控、過程安全、設備成本低、操作簡單、快速放大等優點，在精細化學品和醫藥材料合成領域正在得到了廣泛應用，然而這些管式反應器也存在對流混合弱、容易被固體堵塞等問題，特別是在流速比較低、流動狀態未達到湍流的情況下。

為了增強管道內流體的混合，常見的做法是在管道內設置一些混合結構，如將管道彎折、變形，或者在管道內布置靜態混合構件、擋板等，這些混合結構在流體經過時能切割流體或產生局部渦流，達到增強流體混合的效果。這種混合方法通常稱作被動式混合，但是該方法有幾個缺點，首先，微小管道本身就很容易被固體顆粒物堵塞，設置這些混合結構會進一步增加管道堵塞的風險；其次，這種混合方法極度依賴流體的流速，只有在流速較大時才有較好的混合效果，導致其操作彈性差、操作窗口窄，不利于流體停留時間較長的過程。

主動式混合器通過外場來強化管道內的流體混合，混合效果主要由外場強度決定，不依賴于流體流速，因此流體混合效果和停留時間可以分開調節，操作區間大、彈性好，同時適合低流速或高流速操作。在多種主動式混合器中，基于超聲的管式混合器最有前景，因為超聲是一種機械波，安全可靠；同時超聲清洗機等設備已經在工業界大規模實用，產生超聲的設備技術成熟、成本低。目前已有多個專利公開了不同結構的超聲管式反應器設備，如中國專利201410103187.8，世界專利WO2011023761、WO2017144720A1，德國專利DE10243837A1，這些設備已被廣泛用于化工、食品、醫藥等行業，用來強化流體的混合與分散。

超聲強化流體混合的原理是在超聲作用下，管道內的流體中溶解的小氣泡或者管壁粘附的氣泡核生長形成空化氣泡，空化氣泡在管內劇烈振動、跳動，像一個攪拌子一樣產生強勁的擾動和渦流，從而快速混合流體。然而，由于流體中溶解的和管壁粘附的氣泡核數目有限，導致超聲作用下產生的空化氣泡較少，混合效果仍有進一步提升的空間。在1mm的管道中，超聲作用下流體的混合時間(將兩股不同流體混合均勻所需要的時間)為0.2－1s，比沒有超聲時的混合時間(20－30s)要快兩個數量級。然而0.2－1s的混合時間仍不能滿足一些快速化學反應的要求，如一些沉淀、硝化、自由基反應等，反應時間在10－100ms量級，這些反應需要流體的混合時間與該量級相當或小于該量級，而現有的超聲混合方法無法滿足這個要求。

為了進一步增強超聲對管道內流體的混合效果，中國專利201410102972.1在管道中通過一個或者幾個入口通入氣體，在管道內形成大量尺寸均勻的氣泡，這些氣泡在超聲作用下產生與空化氣泡相同的振蕩和混合效果。然而，在常見的超聲頻率范圍(20－200kHz)下，能產生顯著超聲空化效應的氣泡尺寸在10－300um范圍。在管道中生成如此小的氣泡是不容易的。

中國專利202010516802.3在管道中放置多孔固體填充物，在超聲的作用下，固體填充物表面粘附的小氣泡核在超聲作用下形成空化氣泡，從而增加了超聲空化氣泡的數量和混合效果，另外多孔固體填充物作為靜態混合內構件，也可以擾動和分割流體，因此在固體填充物和超聲的協同作用下流體能實現快速混合。雖然該方法混合效果非常好，但固體填充物放置在管道中會增加了管道結構的復雜性，同時增大流體流經管道的壓降，對于管道直徑較小的反應器會出現堵塞的風險。