[发明专利]一种微纳尺度多相流过程强化反应装置

说明书

一种微纳尺度多相流过程强化反应装置，包括压缩机、给料泵、微纳多相流发生装置、多相流过程强化反应器。根据微纳多相流发生装置内的流体通量或者水力负荷，所述的多相流过程强化反应器可由2个以上微纳多相流微元发生器并联构成。所述的多相流过程强化反应器内部设有弥散介质发生器和基座。与常规的鼓泡塔、填充床、搅拌釜式气‑液反应器相比，本发明所产生的多相流体可将气‑液两相比表面积提高1‑2个数量级至10⁴‑10⁵m²/m³，可将受液膜控制的气‑液两相反应中液侧总体积传质系数k_Lα值显著提高至0.5‑10s^‑1的区间，在相间微观传递效率、分子扩散传递速率、气‑液比相界面积、比能量输入密度、综合能效、装置运行稳定性、安全性保障等方面都有明显的竞争优势。

技术领域

本发明属于多相流反应过程强化技术领域，具体涉及一种微纳尺度多相流过程强化反应装置。

背景技术

化工反应过程强化技术是指在生产和加工过程中，应用新技术和新设备，减小设备体积，或增加设备生产能力的一种高效、节能、清洁的新技术。该技术强调在生产能力不变的情况下，在生产和加工过程中运用新技术和设备，减小设备体积或者提高设备的生产能力，提升能量效率，减少废物排放。该技术是解决现代工业发展所产生的“发展-污染”的矛盾的有效手段，也是未来化工技术进步的重要方向之一。化工过程强化的基本原理就是综合运用物系内部和物系(多相流)之间的传递原理和反应原理及相关平衡特性，通过新设备和新工艺，提高过程速率。实现传递速率与反应速率匹配、传热性能与产热速率匹配、停留时间与反应速率匹配、反应器形式与反应类型匹配，最大限度地发挥化学系统或催化剂全部潜能，实现化工过程的“更小、更快速、更安全、更持续、更便宜”实际上，化工过程主要涉及多相流之间发生的化学反应和传递过程，包括动量传递、热量传递和质量传递以及相互间的作用，即“三传一反”。而化工过程强化关键核心设备及高效率、低能耗化工工艺开发的基础就是化学反应速率和微观界面间的传递速率的协同匹配性提升。化工过程所涉及的主化学反应不仅受到反应动力学的限制，往往动量传递(流体力学及混合)、传热和传质过程决定着整个反应过程。反应过程强化强调实现传递速率与反应速率的匹配，或者将传递过程速率提高到远比反应动力学速率快得多的程度，这将使得反应过程强化接近或达到了化学反应动力学极限，这时化学动力学完全可以控制反应过程目标。

如前所述，化工过程强化主要是基于新设备和新工艺两个方面，即化工过程强化技术包括过程强化设备(硬件)和过程强化方法(软件)两个方面。设备强化的方法与分类，可以依据是否涉及化学反应分为反应器和单元操作设备；也可依据设备从事的具体化工操作进一步分类，如混合器、萃取器、吸收装置、蒸发设备；也可以依据外场作用(离心场、超声波、微波、电场等)分类，如超重力反应器、超重力精馏装置、超声波设备、微波反应器等；也可以依据流体的流动状态进行分类，如静态混合器、静态反应器、动态混合器、撞击流混合器等；也可以依据设备的体积分类，如微混合器、微(化工)反应器等。工艺方法强化方法与分类，可以依据反应与分离耦合方法分类，如膜反应器、反应精馏、反应萃取等；可依据分离方法耦合进行分类，如膜蒸馏、吸附蒸馏、膜萃取等；可依据外场作用(离心场、超声波、微波、电场等)分类，如超重力技术、超声波技术、等离子技术等，依据流体状态(介质变化)分类，如超临界流体技术、离子液体等。

虽然上述化工过程强化技术中部分设备、工艺已经应用于实际工业生产中，也取得了一定的应用效果，但仍不同程度地存在过程效率提升幅度不明显、设备结构复杂、设备投资较高、技术经济竞争力较低、能耗降低幅度有限、应用技术领域较窄、放大效应明显、与现有化工过程改造幅度较大等不足之处，因此亟需开发一种新型高效化工过程强化设备及工艺方法集成系统，可从根本上解决现有化工过程强化技术设备、工艺存在的问题，并从过程强化反应器结构优化设计与微观层面分子级混合、传递过程强化与反应动力学、热力学之间的构效关系入手，开发出一种新型的化工传递过程强化与强化过程工艺体系，为大规模工业应用提供了基础保障。

发明内容