一種準確調節與控制液相旋流流速的多相管式旋流反應器的製作方法

2024-03-26 20:03:05 2

本發明涉及一種多相管式旋流反應器，尤其涉及一種準確調節與控制液相旋流流速的多相管式旋流反應器。

背景技術：

對於管式或平推流反應器中的多相反應體系，從理論上講發生的物理、化學反應過程，主要依靠布朗運動或重力作用等因素發生的反應質之間碰撞或接觸的機率決定的。因此，在一些情況下，其反應過程動力學較慢、生產效率低，設備較大或反應管長，造成設備用材料和加工費用高。為了提高反應速度或提高生產效率、優化反應條件，需要優化或加強液相（均相或非均相）混合程度，傳統的方法是安裝機械攪拌或在管壁上安裝翼片或擋板等來實現，但前者增加了設備投資和操作費用，後者的混合強度不易調節和預測等現象。

技術實現要素：

本發明提供一種液相旋流和氣相微孔噴射技術於一體的多相（液、固、氣）管式旋流反應器，它可方便調節和控制液相的旋流流速、氣相通入量和形成微小氣泡，以及多相體系在反應器內的停留時間，克服了傳統管式反應器的缺陷，優化或強化多相反應體系的混合強度，提高了反應效率。

為實現上述目的，多相管式旋流反應器包括流速調節旋流器、氣相噴射器、管式反應器和排料控制閥。所述的流速調節旋流器中的旋流管下端與氣相噴射器中的旋流管上端連接；氣相噴射器旋流管的下端與管式旋流反應器的反應管的上端連接；所述的排料控制閥安裝在所述管式反應器的反應管末端；所述的旋流器旋流管、噴射器旋流管和管式反應器的反應管均安裝在同一軸心線上。

進一步，所述的流速調節旋流器包括：進料管、旋流器旋流管、流速調節閥和旋流器外夾套。所述的旋流器外夾套由外夾套管、上密封蓋和下密封蓋構成，所述的旋流器外夾套下端與旋流器旋流管外壁密封連接；在所述的旋流器旋流管中段或位於旋流器外夾套內，均勻開設若干個旋流切向狹縫；所述的旋流切向狹縫為矩形狹縫，其方向相切於旋流器旋流管的內圓。進一步，所述的旋流器旋流管為一直管，在它的上段設置內螺紋。所述的流速調節閥的前段為活塞或圓柱形狀，並與旋流管內圓相匹配；其後段設置外螺紋與旋流管的內螺紋相匹配。通過旋轉流速調節閥調節旋流切向狹縫的大小，在工作狀態下以便調節液相旋流流速。

進一步，所述的進料管分為軸向進料管和側向進料管。所述的軸向進料管垂直設置在旋流器外夾套的上密封蓋中心，其軸心與所述旋流管軸心一致，並且連通旋流器外夾套和旋流器旋流管構成的空腔；所述的側向進料管，水平設置在旋流器外夾套的中部，與所述的外夾套管內圓相切，並且連通旋流器外夾套和旋流器旋流管構成的空腔。

進一步，所述的氣相噴射器由進氣管、噴射器旋流管、和噴射器外夾套構成。所述的噴射器外夾套設置在噴射器旋流管外部，其端部均與噴射器旋流管的外壁密封連接；所述的進氣管水平設置在所述的噴射器外夾套的中上部，並與所述的噴射器旋流管和所述的噴射器外夾套形成的空腔連通；所述的噴射器旋流管，其內徑與流速調節旋流器的旋流管內徑和管式反應器的反應管的內徑相同。在噴射器旋流管管壁上位於噴射器外夾套內設有微孔，在一定壓力條件下，氣體通過進氣管和該微孔進入噴射器旋流管內，在液相旋流和軸向流動共同切應力的作用下，形成微小氣泡並與液相混合，導致氣體成分迅速溶入液相或造成氣、液大比表面現象，以便於進行多相反應。

進一步，所述的管式反應器的反應管與所述旋流器旋流管和所述噴射器旋流管設置在同一軸心線上；所述的旋流器旋流管、噴射器旋流管和管式反應器的反應管共同構成本發明多相管式旋流反應器的反應體系。所述管式反應器的內徑和軸向長度之比，由反應體系的性質和優化操作條件確定。

上述多相管式旋流反應器，能夠應用於多級串聯反應體系，即把所述的多相管式旋流反應器的反應管下端與下一級多相管式旋流反應器的進料管相接，以此構成二級或多級串聯旋流管式反應器。

進一步，根據液相體系物理、化學反應的性質和要求，在單級或多級串聯應用中，在所述的每級進料管處，加入相應的化學試劑。

為進一步強化或優化多相反應體系的混合作用，尤其對於大尺寸管式反應器，可以在本發明的多相管式旋流反應器的反應管體系內設置翼葉或擋板。

本發明的優點在於：液相（均相或非均相，如固、液體系）通過流速調節旋流器，由軸向流動轉變為旋流流動，實現在旋流器旋流管內旋轉和軸向流動的混合作用。由該旋流器中的流速調節閥，方便、準確調節旋流切向狹縫入口的大小或液相旋流流速（r）與軸向流速（l）之比（r/l），或在工作狀態下，調節、控制以及優化液相在旋流反應器的旋流流速，適應不同反應體系的混合強度和在該反應器內的停留時間。氣體通過氣相噴射器的微孔管，在液相旋轉和軸向流動的共同切應力的作用下形成微氣泡或氣、液大比表面體系，創造了多相反應所需要的有利條件、加快了反應進程。

附圖說明

圖1為本發明的多相管式旋流反應器進料管水平安裝（側向進料）的結構示意圖。

圖2為圖1中a-a向放大示意圖。

圖3為本發明的多相管式反應器進料管豎直安裝（軸向進料）的結構示意圖。

圖4為圖2中a-a向放大示意圖。

圖5為本發明多級串聯「線性」安裝示意圖。

圖6為本發明多級串聯「並列」安裝示意圖。

具體實施方式

如圖1-4所示，準確調節與控制液相旋流流速的多相管式旋流反應器包括：流速調節旋流器1、氣相噴射器2、管式反應器3和排料控制閥4。所述的流速調節旋流器1中的旋流管13下端與所述的氣相噴射器中的噴射器旋流管22上端通過法蘭、焊接或螺絲連接；所述氣相噴射器2的噴射器旋流管22下端與所述的管式反應器3的反應管的上端通過法蘭、焊接或螺絲連接；所述的排料控制閥4安裝在所述的管式反應器3的反應管末端；所述的旋流器旋流管13、噴射器旋流管22和管式反應器3的反應管的內徑相同，並且安裝在同一軸心線上。

進一步，所述的流速調節旋流器1包括進料管11、旋流器旋流管13、流速調節閥15和旋流器外夾套12。所述的旋流器外夾套12包括外夾套管、上密封蓋和下密封蓋。所述的旋流器外夾套12與上密封蓋通過法蘭或螺絲密封連結，所述的旋流器外夾套12下端與下密封蓋通過法蘭、螺絲或焊接密封連結，並且與旋流器旋流管13外壁密封連接；在所述旋流器旋流管13的進料處、位於旋流器外夾套12內，均勻開設若干個旋流切向狹縫14。所述旋流切向狹縫14為矩形狹縫，其方向相切於旋流器旋流管13的內圓。

進一步，所述的旋流器旋流管13為一直管，在旋流器旋流管13上段設置內螺紋；所述的流速調節閥15的前段為活塞或圓柱形狀與旋流管內徑相匹配，其後段設置外螺紋與所述的旋流器旋流管13上的外螺紋相匹配。通過旋轉流速調節閥15的上、下位置能夠調節旋流切向狹縫14的大小。

進一步，所述的進料管11垂直設置在旋流器外夾套12的上密封蓋中心，通過焊接或螺絲與之連接，其軸心與所述旋流器旋流管13軸心一致，並且連通旋流器外夾套12和旋流器旋流管13構成的空腔；或者，所述的進料管11水平設置在旋流器外夾套12的中部，通過焊接與之連接，與所述的外夾套管的內圓相切，並且連通旋流器外夾套12和旋流器旋流管13構成的空腔。

進一步，所述氣相噴射器2包括進氣管21、噴射器旋流管22、和噴射器外夾套23。所述的噴射器外夾套23設置在噴射器旋流管22外部，並且其端部均與噴射器旋流管22的外壁密封連接；所述的噴射器外夾套23由外夾套管、上密封蓋和下密封蓋組成，所述的外夾套管與上、下密封蓋通過螺絲、法蘭或焊接密封連結，；所述的進氣管21水平設置在所述的噴射器外夾套23的中上部，並與所述的噴射器旋流管22和所述的噴射器外夾套23形成的空腔通過焊接連通；所述的噴射器旋流管22為一直管，在氣相噴射器旋流管22管壁上、位於噴射器外夾套23內設置微孔24，氣體通過進氣管21和微孔管24將氣體送入噴射器旋流管22內。

進一步，所述的管式反應器3的反應管的內徑與所述的旋流器旋流管13和所述噴射器旋流管22的內徑相同，並安裝在同一軸心線上；所述的旋流器旋流管13、噴射器旋流管22和管式反應器反應管，共同構成本發明多相管式旋流反應器的反應管體系。

進一步，所述的多相管式旋流反應器的反應管體系內徑（r）和軸向長度（l）之比（r/l），由反應體系的性質和優化操作條件確定。

本發明的多相管式旋流反應器的工作原理為：液相（均相或非均相，如固、液體系）通過流速調節旋流器，由軸向流動轉變為旋流流動，實現在旋流器旋流管內旋轉和軸向混合作用。由該旋流器中的流速調節閥，方便、準確調節旋流切向狹縫入口的大小或液相旋流流速（r）與軸向流速（l）之比（r/l），或在工作狀態下，調節、控制以及優化液相在旋流反應器的旋流流速，適應不同反應體系的混合強度和在該反應器內的停留時間。氣體通過空氣噴射器的微孔管，在液相旋轉和軸向流動的共同切應力的作用下形成微氣泡或氣、液大比表面體系，創造了多相反應所需要的有利條件，如加快了氣相成分溶入液相速度、在旋流作用下增加了氣泡與液相中微小懸浮顆粒碰撞機率或發生粘附現象等。

如圖5-6所示，上述多相管式旋流反應器應用於多級串聯反應體系，即將所述的多相管式旋流反應器的反應管下端與下一級多相管式旋流反應器的進料管11通過法蘭、螺絲或焊接相接，以此構成二級或多級串聯旋流管式反應器。

進一步，根據多相體系物理、化學反應的要求，在單級或多級串聯應用中，在所述的進料管11處加入相應的化學試劑。同時，在氣相噴射器2的進氣管21處，加入空氣或其它參與體系反應的氣體。

為進一步強化或優化多相反應體系的混合作用，尤其對於大型反應管體系，可以在所述的旋流反應管體系內，設置翼葉或擋板。

本發明裝置結構簡單、投資少、操作方便、適應能力強，適用於冶金、化工、材料、汙水處理、醫藥等工業的多相反應體系。