[发明专利]一种高效强化多尺度混合传质装置及方法

说明书

本发明涉及化学反应工程与技术领域，尤其涉及一种高效强化多尺度混合传质装置及方法，包括超重力快速反应器，第一料液储槽和第二料液储槽，所述第一料液储槽通过第一离心泵和第一流量计与超重力快速反应器的入口一相连通；所述第二料液储槽通过第二离心泵和第二流量计与超重力快速反应器的入口二相连通；所述超重力快速反应器的出口设有计量槽；所述超重力快速反应器包括定子和转子。本发明的装置具有高效强化传质与多尺度混合过程的功效，使快速反应按照本征动力学的方向进行，装置配合紧凑，调控简便，生产高效，拆装方便，易清洗、易模拟、易放大，易实现大规模低成本高效生产各种微观结构的材料。

技术领域

本发明涉及化学反应工程与技术领域，尤其涉及一种高效强化多尺度混合传质过程的装置及方法。

背景技术

超重力技术是强化流体传递过程的新技术，由于它的广泛适用性以及具有传统设备所不具有的体积小、重量轻、能耗低、易运转、易维修、安全、可靠、灵活以及更能适应环境等优点，使得超重力技术在环保、材料、生物、化工等工业领域中有广阔的工业化应用前景。超重力工程技术的基本原理是利用超重力场条件下流体的独特流动行为,强化相与相之间，以及流体内部的相对速度和相互接触,从而实现高效的动量、质量和热量传递过程。通常形成超重力场的惯用方式是通过马达转动设备的整体或部件形成离心力场。

中国专利公开了“一种基于八卦图原理的超重力-连续微撞击流反应器”，其公告号为CN104437334A，该发明介绍了一种将A、B两种料液实现快速多尺度混合的方法与装置，反应器属于静态反应器。此发明采用了两种方法实现了A、B两种料液之间快速的多尺度混合过程：第一，A料液在流道内通过高速的二次旋转产生旺盛的二次流强化介观与微观混合过程，已经测得其二次旋转的平均传质系数达到16.7s^-1；第二，B料液先进行两级宏观分配，再汇入A料液，实现两者之间的宏观混合。第一级是从设备尺度上先均分成4股料液，每股料液再均分成6股支料液，合计被均分成24股支料液，这24股支料液与24条半圆形流道之间存在着一一对应的关系，第二级是在每条半圆形流道区间内将每股支料液以180度的扇形分布方式从不足10微米的狭缝中射入二次旋转流道内，经过上述两级分配实现了B料液的宏观大尺度均匀分布。

该发明存在两个明显不足之处：第一，反应器属于静态反应器，为了实现A、B料液之间快速的多尺度混合，需要很高的静压驱动，反应器自身无法提供动力，需要外配强动力源，强动力源的选择不仅难度大，而且整套装置结构复杂，操控困难，实用性差；第二，该发明为了实现B料液均分成24股料液，需配置多个流量计，还需采用指示剂示踪法和手动调节相结合，整个调控过程不仅费时费力，而且重现性差。

发明内容

本发明为了克服上述现有技术中存在的问题，提供了一种高效强化多尺度混合传质的装置与方法，该装置配合紧凑，调控简便，生产高效，拆装方便，易清洗、易模拟、易放大，易实现大规模低成本高效生产各种微观结构的材料。该方法具有高效强化传质与多尺度混合过程的功效，能够实现两股料液之间的快速反应按照本征动力学方向快速进行，在化工、纳米材料、工业催化、高分子材料等诸多领域具有广阔的应用前景。

本发明的装置与方法是基于超重力耦合技术实现高效强化多尺度混合传质过程。所述超重力耦合技术是指将一次与二次旋转耦合在一起，充分利用一次旋转所产生的正能量流驱动第一料液进行快速的二次旋转，实现快速的多尺度混合过程。同时，充分利用一次旋转在强化宏观大尺度分布方面的优势，强化第二料液的大尺度宏观均匀分布。最终，两股料液在二次旋转流内实现了连续的、快速的、可调控的多尺度混合传质过程，该混合传质速率快于本征反应速率，使两股料液之间的快速反应过程按照本征动力学方向快速进行。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：