[发明专利]微孔涡流套管混合反应器及其应用

说明书

本发明提供一种微孔涡流套管混合反应器及其应用，微孔涡流套管混合反应器包括：外管和内管组成的同心套管，内外管之间形成环形通道；其中，外管设有连续相进口和出口，内管一端为分散相进口另一端为封闭端，内管两端之间沿管壁周向和轴向两个维度分布有连续的一组微孔阵列或间断的多组微孔阵列，当分散相进入连续相后在环形通道形成涡流。本发明相对于目前已有的套管式微通道混合器，在达到大处理量或更高的底物浓度的同时保证了更强的微观混合，也由于涡流的形成而可以有效缓解或避免工艺中可能产生固体小颗粒的堵塞问题。

技术领域

本发明涉及一种微孔涡流套管混合反应器，本发明还涉及一种微孔涡流套管混合反应器的应用，属于化工领域。

背景技术

关于气液混合或气体吸收，以及液液混合，尤其是水油两相混合或者液液混合产生固体沉淀小颗粒的反应，文献或工业上除了设计流体分布器，如中国专利CN200810011995.6使用流体分布器和混合微通道技术的结合，降膜反应器或使用壳管式设计，也有内外管套管式的设计，其中两股流体通过内管和外管输入，而在内外管形成的环形通道中进行传质换热实现气体吸收或液液混合的工艺工程。套管式的设计紧凑工艺简单、操作方便制造容易，适用于大、中、小型的各种装置；可以单独使用也可以集成使用组合形成列管，而且其比表面积/体积的比值和换热系数都比较高。中国专利CN00239823.0报道了一种旋流式套管气体吸收器，主要用于气液直接接触吸收，气体从气相进口流入，通过气液进口段流入气液反应段，液体由液相进口经液相进口管切向流入气相进口管，再进入气液反应段，并在气液反应段形成旋流，与流入其中的气体进行直接接触吸收反应，吸收过程所产生的热量由流经冷却套管的冷却水快速带走。其中液相进口管与气相进口管斜交的角度在35°～75°的范围，可以根据设计液体流速的大小，具体设计最佳的斜交角度形成旋流，液体在管内形成附壁流动，增长了液体吸收气体的有效长度，增加了液体流动的扰动易形成湍流，所以强化了传质传热。但是该旋流式套管气体吸收器仍然属于传统常规的混合或换热装置，与微通道混合器或反应器的传质换热能力相比还有不小的差距。

20世纪90年代以来，自然科学与工程技术发展的一个重要趋势是向微型化迈进，尤其是纳米材料的发展，引起了研究者对小尺度和快速过程的极大兴趣。微反应器一般是指通过微加工和精密加工技术制造的小型反应系统，微反应器内流体的微通道尺寸在亚微米到亚毫米量级。对于液相或气相混合过程来说，分子扩散是混合过程的最后步骤。由Fick定律可知，t～d2/D，其中D为扩散系数，d为扩散特征尺度，t为混合时间。由此可知，混合与扩散系数D和扩散距离d有关，除了高分子的聚合物以外，液体或可溶性固体的扩散系数相差不大。因此，为了减小混合时间，可通过减小扩散距离d来实现。微通道反应器正是基于这一原理提出来的。微反应器具有与大反应器完全不同的几何特性：狭窄规整的微通道、非常小的反应空间和非常大的比表面积。其几何特性决定了微反应器内流体的传递特性和宏观流动特性，并进而导致它具有温度控制好、反应器体积小、转化率和收率高及安全性能好等一系列超越传统反应器的独特的优越性，在化学合成、化学动力学研究和工艺开发等领域具有广阔的应用前景。套管微通道混合器/反应器一般采用由一根外管和一根内管构成套管，在内、外管之间形成环形微通道，外管上设有作为流动相的流体进口和出口，内管上一端设有分散相的流体进口而另一端为实心封闭端；在内管两端之间利用不同材料(如多孔烧结材料或聚合物微孔材料)形成的有孔管壁可以使分散相分散到流动相中实现混合和换热。目前文献报道或市售的套管微通道反应器基本有两大类：1)一类膜分散式反应器使用传统烧结金属或金属丝网微孔过滤膜使流体分散成微小的气泡或液滴，从而强化微观传质换热过程，但是常规烧结材料的孔径和分布均为无序随机形成，一般只能在管壁周向一定范围内均布形成喷射流，可以适用于气液两相混合或液液混合为乳液或液液形成固体沉淀反应合成微纳米颗粒。但是对于液液形成固体沉淀反应合成微纳米颗粒的应用仍有不小的堵塞风险，也不可能对于微孔的尺寸和分布以及微孔相对于管壁的喷射方向进行系统设计而形成涡流。2)另一类使用Teflon微孔材料(如AF-2400)对于多种气体透过性好但是对于液体密闭性好的特性制成的聚合物内管后再设计为套管反应器(“tube-in-tubereactor”)，但是受限于聚合物材料的特性(大尺寸时的耐温耐压问题等)该套管反应器目前仅有实验室级别设备开发成功，仅适用于气液两相混合换热。由于采用的Teflon管管径小(如外径仅有1毫米)因而需要较长的管道以提高通量和提升混合效果；这一类聚合物套管的内管上微孔尺寸和微孔分布以及相对于管壁的喷射方向同样无法实现系统设计而形成涡流。