[发明专利]设计用于过程强化的水力空化反应器的方法

说明书

技术领域

本发明涉及在水性介质和非水性介质中实现经调节的空化条件的水力空化反应器，用于物理和化学过程的强化，以及涉及用于设计这样的反应器的方法。

背景技术

“过程强化”包括使用产生优质产品的紧凑式生产设备提供能量有效的和环境安全的过程、使废物产生最小化、导致显著成本降低从而增强先进技术的可持续性。

近来，空化被认为很重要，因为它提供在接近环境的整体处理条件下产生局部高温(～14000K)和高压(～10000atm)条件的手段。所形成的空泡的破裂或内爆在冷的液体中产生瞬时的、局部化的热点，其可以被有效地利用来进行物理化学过程，包括化学反应的强化、反应器中的声冲流和增强转运过程的速率。

通常，基于产生的模式，空化分为四个类型：

声空化——通过超声波经过流体而产生。

水力空化——通过在流动流体中产生压强变化而产生。

光空化——通过高强度光的光子经过液体而产生。

粒子空化——通过高能粒子诸如质子或中子在液体中轰击而产生。

在上文给出的产生空化的各种模式之中，水力空化可以在工业规模上将物理化学过程强化应用于大规模液体体积。

Senthilkumar等(2000)[SenthilKumar，P.，Sivakumar，M.&Pandit，A.B.，Experimental quantification of chemical effects of hydrodynamiccavitation.Chemical Engineering Science，55，1633-1639，2000.]已经表明，水力空化可以通过使液体经过收缩结构诸如节流阀、孔板、文氏管等而产生。Gogate等(2006)[Gogate，P.R.&Pandit，A.B.，A reviewand assessment of hydrodynamic cavitation as a technology for the future.Ultrasonic Sonochemistry，12，21-27，2005.]已经论述了利用水力空化来强化化学过程诸如甲苯、(o-/p-/m)-二甲苯、均三甲基苯、(o-/m)-硝基甲苯和(o-/p)-氯甲苯的氧化；使用醇进行植物油的酯交换已经由Kelkar&Pandit(2005)论述[Kelkar，M.A.&Pandit，A.B.，Cavitationally InducedChemical Transformations.M.Chem.Engg.Thesis，University of Mumbai，2005]；使用醇进行脂肪酸的酯化已经由Kelkar等(2008)论述[Kelkar，M.A.，Gogate，P.R.&Pandit，A.B.，Intensification of esterification of acidsfor synthesis of biodiesel using acoustic and hydrodynamic cavitation.Ultrasonic Sonochemistry，15，188-194，2008]。类似地，水力空化已经应用于破坏微生物以消毒饮用水(Jyoti&Pandit，2002)[Jyoti，K.K.&Pandit，A.B.，Studies in water disinfection techniques.Ph.D.(Tech)Thesis，University of Mumbai，2002]、破坏细胞以释放细胞内酶[Balasundaram，B.&Harrison，S.T.L.，Study of Physical and Biological Factors Involved inthe Disruption of E.Coli by Hydrodynamic Cavitation]、乳化[Gaikwad，S.G.&Pandit，A.B.，Application of Ultrasound in Heterogeneous Systems.Ph.D.(Tech)Thesis，University of Mumbai，2007]、纳米颗粒合成[Patil，M.N.&Pandit，A.B.，Cavitation-A Novel Technique for making stablenano-suspensions.Ultrasonics Sonochemistry，14，519-530，2007]。