一种带有换热通道的流体混合器及流体混合方法

本发明属于微混合器
技术领域：
，具体涉及一种带有换热通道的流体混合器及流体混合方法。
背景技术：
：在化工生产过程中，对于多股流体进料的混合或者快速反应过程，混合效率对生产效率的影响重大。此外，对于诸如硝化反应、氧化反应等的强放热反应，能否将混合过程中产生的大量热量及时移走对化工生产安全和产品质量同样至关重要。传统化工行业通常利用机械搅拌的方式强化混合，机械搅拌虽然能够获得一定的混合效果，但通常混合时间长、可能发生返混且能耗较大；换热方面常采用夹套式换热器强化换热，夹套换热效率较低且不能保证混合器内的温度分布均匀，进而造成产品质量不稳定。因此开发一种新型的强化流体混合和换热的流体混合器十分有必要。技术实现要素：为了克服传统化工混合单元操作中混合效率低下、传热不均匀的问题，本发明公开了一种结构简单，易于维护的流体混合器，使混合器内流体均匀分布为多股流体互相撞击以实现快速高效混合；冷却介质均匀分布以实现混合器内温度分布均匀。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种带有换热通道的流体混合器，所述流体混合器包括位于混合器两端的上盖板和下盖板，所述上盖板和下盖板之间包括两块分布板、两块换热板和一块混合板，且按照分布板、换热板、混合板、换热板、分布板的顺序依次交叉且紧密贴合排列，其中：所述分布板与上盖板或下盖板相邻的一侧面设有流体分布流道，与换热板相邻的另一侧面设有若干与所述流体分布流道的末端对应且连通的第一导流孔；所述换热板与分布板相邻的一侧面设有冷却介质分布流道，所述冷却介质分布流道间的换热板壁面上设置贯穿所述换热板的第二导流孔；所述混合板设有贯穿所述混合板的流体混合流道，所述流体混合流道的末端与所述第二导流孔和第一导流孔的位置均一一对应。本发明进一步设置为，所述分布板、换热板、混合板、上盖板和/或下盖板上均设有若干用于流体进出的流体通孔。本发明进一步设置为，所述流体分布流道和流体混合流道为多级分叉结构，随分叉级数增加，相应的流道宽度逐渐缩小。本发明进一步设置为，所述流体分布流道和流体混合流道为垂直分叉结构，流道分叉处采用圆角化处理，圆角半径小于相应流道宽度的1/2。本发明进一步设置为，所述流体分布流道和流体混合流道为六级分叉结构，所述流道末端呈8×8均匀分布，流道长度小于24mm。本发明进一步设置为，所述第一导流孔和第二导流孔的直径小于所述流体分布流道末端的流道宽度且小于0.2mm。本发明进一步设置为，所述冷却介质分布流道包括相互连通且流动方向垂直的分配流道和若干平行流道，所述分配流道的流道宽度渐缩，所述平行流道等间距并列分布。本发明进一步设置为，所述分配流道最窄处的宽度不大于0.5mm，所述平行流道的宽度小于4mm。本发明进一步设置为，所述平行流道的入口段设置若干微柱，且每个平行流道内的微柱交错分布且微柱间的间距渐宽。本发明进一步设置为，所述微柱的横截面形状为方形，尺寸不大于0.5mm×0.5mm。本发明还提供了一种利用所述带有换热通道的流体混合器的流体混合方法，所述流体混合方法为：待混合的两股流体分别通入两块分布板，在分布板中的流体分布流道均布细化后，依次通过第一导流孔和第二导流孔加速后喷入混合板中，在混合板的流体混合流道内以撞击流的形式混合，混合流体从混合板导出；冷却介质流体分别进入两块换热板的冷却介质分布流道内均匀分布，对待混合流体预热或预冷并与混合流体交换热量。本发明进一步设置为，将所述流体混合器串联和/或并联，实现两种以上流体的混合和反应。本发明的有益效果在于：(1)本发明的流体混合器的流体分布流道和流体混合流道采用最优构造理论设计，并添加圆角优化，流体均布性能佳、传质系数大，因而混合效果好、混合时间短；可用于所有类型的流体混合。(2)本发明的流体混合器带有换热通道且通道尺寸小，换热面积大，能及时移走流体混合产生的热量；同时冷却介质分布流道通过增加局部阻力使流量分布均匀，因而换热均匀，避免反应器内出现局部热点。不仅能够大幅提高生产能力、保证产品质量、减小能耗，并且能够保证安全生产。特别的，对于工业上快速且伴随巨大热效应的流体混合，本发明的混合器尺寸微小且带有换热通道，可使热量快速移走并实现均匀混合，因而对于此类流体混合具有特殊优势。附图说明图1为本发明所涉及的流体混合器的结构示意图；图2为本发明所涉及的流体混合器中流体流向示意图；图3为本发明所涉及的分布板一侧面的结构示意图；图4为本发明所涉及的分布板另一侧面的结构示意图；图5为本发明所涉及的混合板的结构示意图；；图6为本发明所涉及的换热板一侧面的结构示意图；图7为本发明实施例3中不同平行流道流速和流速标准差图。图中：1、分布板；2、换热板；3、混合板；4、上盖板；5、下盖板；6、流体分布流道；7、第一导流孔；8、冷却介质分布流道；9、分配流道；10、平行流道；11、第二导流孔；12、流体混合流道；13、流体通孔；14、微柱。具体实施方式以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。应理解，以下实施例仅用于对本发明作进一步说明，不应理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根据本发明的内容作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。实施例1本发明提供了一种带有换热通道的流体混合器，如图1所示，所述流体混合器包括位于混合器两端的上盖板4和下盖板5，所述上盖板4和下盖板5之间包括两块分布板1、两块换热板2和一块混合板3，且按照分布板1、换热板2、混合板3、换热板2、分布板1的顺序依次交叉且紧密贴合排列，其中：所述分布板1与上盖板4或下盖板5相邻的一侧面设有流体分布流道6，结合图4所示，与换热板2相邻的另一侧面设有若干与所述流体分布流道6的末端对应且连通的第一导流孔7，待混合的一股流体从分布板1的一侧进入，经所述流体分布流道6均布后从分布板1的另一侧经所述第一导流孔7流出；所述换热板2与分布板1相邻的的一侧面设有冷却介质分布流道8，所述冷却介质分布流道8间的换热板2壁面上设置贯穿所述换热板2的第二导流孔11，且所述第二导流孔11与所述第一导流孔7的位置一一对应，从所述第一导流孔7流出的流体通过所述第二导流孔11预热或预冷后流出；所述混合板3设有贯穿所述混合板3的流体混合流道12，所述流体混合流道12的末端与所述第二导流孔11的位置一一对应，从所述混合板3两侧的第二导流孔11流出的两股流体在所述流体混合流道12的末端以撞击流的形式混合，并通过所述流体混合流道12继续混合均匀。进一步的，所述分布板1、换热板2、混合板3、上盖板4和/或下盖板5上均设有若干用于流体进出的流体通孔13，用于待混合流体的进料，混合流体的出料以及冷却介质的进料和出料。例如，如图2所示，待混合流体a从上盖板4的一个流体通孔13进料进入前侧分布板1的流体分布流道6，待混合流体b从上盖板4的另一个流体通孔13进料，依次经过前侧分布板1、前侧换热板2、混合板3、后侧换热板2和后侧分布板1的流体通孔13后进入后侧分布板1的流体分布通道6，经混合后的混合流体ab从混合板3的流体通孔13，并经过前侧换热板2、前侧分布板1和上盖板4的流体通孔13出料；冷却介质从上盖板4的一个流体通道13进料，经过前侧分布板1、前侧换热板2的流体通道13后，一部分进入前侧换热板2的冷却介质分布流道8，另一部分继续经过混合板3、后侧换热板2的流体通孔13进入后侧换热板2的冷却介质分布流道8，经换热后的冷却介质从后侧换热板2的另一端的流体通孔13流出，依次通过混合板3、前侧换热板2的流体通孔13并与前侧换热板2换热后的冷却介质一起通过前侧分布板1、上盖板4的流体通孔13完成出料。需要说明的是，所述流体混合器中混合流体和冷却介质的进出料可根据实际情况，采用图2所示方式均通过混合器的一侧进出料，也可通过混合器的两侧进出料。进一步的，如图3和图5所示，所述流体分布流道6和流体混合流道12为多级分叉结构，随分叉级数增加，相应的流道宽度逐渐缩小，所述多级分叉结构可采用垂直分叉结构或不规则分叉结构，如树形分叉。优选的，所述流体分布流道6和流体混合流道12为垂直分叉结构，即分叉后的流道与分叉前的流道相互垂直，流道分叉处采用圆角化处理，圆角半径小于相应流道宽度的1/2。优选的，所述流体分布流道6和流体混合流道12为六级分叉结构，所述流道末端呈8×8均匀分布，流体均布性能好，输送能耗低且撞击混合效果优异。优选的，所述流体分布流道6和流体混合流道12的流道长度小于24mm。进一步的，所述第一导流孔7和第二导流孔11的直径小于所述流体分布流道6末端的流道宽度，使得经流体分布流道6均布细化后的待混合流体通过所述第一导流孔7和第二导流孔11加速后喷入混合板3；优选的，所述第一导流孔7和第二导流孔11的直径小于0.2mm。进一步的，如图6所示，所述冷却介质分布流道8包括相互连通且流动方向垂直的分配流道9和若干平行流道10，所述分配流道9的流道宽度渐缩，所述平行流道10等间距并列分布，通入冷却介质分布流道8的冷却介质经分配流道9后均匀分布于不同平行流道10中，对待混合流体预热或预冷并与混合流体交换热量；由于分配流道9的流道宽度渐缩，局部阻力增加，在一般处理量的范围内，各平行流道10的速度分布平均，可以达到换热均匀的效果。进一步的，所述平行流道10的入口段设置若干微柱14，且每个平行流道10内微柱14交错分布且微柱14间的间距渐宽，使得经分配流道9分配后的冷却介质先经各入口段的微柱14剪切拉伸后进入平行流道10分布均匀，进一步强化均匀换热效果。优选的，所述分配流道9最窄处的宽度不大于0.5mm，所述平行流道10的宽度小于4mm。优选的，所述微柱14的横截面形状为方形，尺寸不大于0.5mm×0.5mm。进一步的，将所述流体混合器串联和/或并联，实现两种以上流体的混合。例如，三种流体a、b、c混合时，可以将流体a和b通过一个流体混合器混合得到流体ab后与流体c通过下一个流体混合器混合；四种流体a、b、c、d混合时，可以将流体a和b、流体c和d分别通过两个流体混合器混合得到流体ab和cd后再通过下一个流体混合器混合。实施例2将实施例1所述的流体混合器应用于不同放热量的混合体系中，冷却介质为水，冷却介质的初始温度为293.15k，混合流体和冷却介质的流量均为1m/s，针对不同放热量的混合体系的温升数据如下表所示，放热量小于等于108w/m3的混合体系，混合流体几乎无温升；放热量为109w/m3的混合体系，混合流体温升仅为4.61k；放热量为1010w/m3的混合体系，混合流体温升明显。针对放热量为109w/m3的混合体系，如果不采用实施例1所述带有换热通道的流体混合器，混合流体的温升可达90k。放热量(w/m3)混合前温度/k混合后最高温度/k温升/k106313.15313.150107313.15313.150108313.15313.150109313.15317.764.611010313.15402.1589.00实施例3采用实施例1所述的带有换热通道的流体混合器混合流体，在冷却介质入口流速为0.5m/s条件下，换热板中各个平行流道的流速和流速标准差如图7所示，不同平行流道的流速分布比较平均，且同一平行流道内流速分布均一，可以达到换热均匀的效果。当前第1页12