一种基于八卦图原理的超重力-连续微撞击流反应器的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种基于八卦图原理的超重力-连续微撞击流反应器，包括1条主流道和与24条支流道对应的24个支流道出口，所述主流道包括依次对接且沿着直线方向布置的24个半径相等或由小变大的半圆形流道，24个支流道出口分别位于24个半圆形流道的内侧，以及，24个所述支流道出口的流通截面均为半径相等的圆且其圆心与各自对应的所述半圆形流道的圆心相重合；在所述支流道出口与其对应的半圆形流道之间通过扇形狭缝连通，所述扇形狭缝的圆心与所述支流道出口的圆心重合，所述扇形狭缝的宽度则以确保支流撞入主流时的初速度在1m/s以上为准。本发明可以利用高频颠倒的超重力场和连续超薄液膜撞击，强化液-液反应过程中多尺度混合。
【专利说明】一种基于八卦图原理的超重力-连续微撞击流反应器
【技术领域】
[0001]本发明涉及化学反应工程【技术领域】，特别涉及一种基于八卦图原理的超重力-连续微撞击流反应器。
【背景技术】
[0002]伏羲是中华民族的人文始祖，《太平御览》曾这样描述“伏羲坐于方坛之上，听八风之气，乃画八卦”。八卦图中揭示了旋转运动的两种方式:第一种是始终按一个方向旋转，称之为一次旋转，车轮、螺旋桨、马达等旋转设备都属于一次旋转设备。第二种是在第一种的基础上当转到180度时，旋转方向突然发生180度的改变，由顺时针变为逆时针，或者相反，称之为二次旋转，二次旋转设备非常少见。此外，八卦图中还包含一黑、一白两个小螺旋。1927年，ff.R.Dean教授在研宄弯管内流体流动时最早发现了垂直于流道的旋转涡流，为纪念这一发现，该涡流被命名为迪恩涡。迪恩涡的存在诠释了八卦图中蕴涵的宏观与微观运动、运动与物质和能量传递之间的内在联系。
[0003]“反应器乃国之重器”，反应器为人类社会的发展提供了必要的物质和能量基础。随着科学技术的迅猛发展，对反应器的要求也越来越高，现有的反应器在解决液-液快速反应过程中存在的强化传质问题颇为棘手。名称为“双鱼反应器”、专利申请号为201410380345.4和名称为“鱼形反应器”、专利申请号为201310087052.2的中国发明专利申请提出在液-液快速反应过程中，通过反应料液快速的二次旋转形成高频颠倒的超重力场，强化液-液传质过程中的介观与微观混合过程；通过24条薄液膜的高频率撞击强化宏观混合与初始分散过程。因而，上述两种反应器具有强化液-液多尺度混合的功效，其中的液-液多尺度混合包括:宏观混合、初始分散、介观混合与微观混合。
[0004]虽然，上述两种反应器与传统反应器相比在强化多尺度混合方面存在明显优势，但在具体实施过程中仍发现存在很大的弊端，主要体现在以下三个方面:
[0005]第一，在强化初始分散方面，24条支流的总量很高，对主流产生了严重的稀释作用，这种稀释作用对于液-液快速反应过程非常不利。
[0006]第二，在强化宏观混合方面，由于液-液快速反应的速率很难把握，导致24条支流撞击主流的频率无法确定，在每个撞击周期中，存在混合一反应一间歇三个不同的时间段，造成反应过程中反应物浓度波动很大，反应时间和反应器空间利用率很低，导致包覆率很低。
[0007]第三，在强化二次旋转方面，由于主流道流通截面是lmmX5mm的规整矩形流道，因此，二次旋转的流线度不佳，强化介观与微观混合存在死角。
[0008]总之，上述两种反应器在强化多尺度混合方面的功效仍有待进一步加强。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于提供一种超重力-连续微撞击流反应器，以实现进一步强化宏观混合、初始分散、介观与微观混合等目的。
[0010]为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案:
[0011]一种基于八卦图原理的超重力-连续微撞击流反应器，包括1条主流道和与24条支流道对应的24个支流道出口，所述主流道包括依次对接且沿着直线方向布置的24个半径相等或由小变大的半圆形流道，其中，24个支流道出口分别位于24个半圆形流道的内侦牝以及，24个所述支流道出口的流通截面均为半径相等的圆且其圆心与各自对应的所述半圆形流道的圆心相重合；所述支流道出口和与其对应的半圆形流道之间通过扇形狭缝连通，所述扇形狭缝的圆心与所述支流道出口的圆心重合，所述扇形狭缝的宽度则以确保支流撞入主流时的初速度在lm/s以上为准。
[0012]优选地，所述扇形狭缝的角度为180°。
[0013]优选地，所述扇形狭缝的顶面为平面、底面为边缘高并向圆心处逐渐降低的扇形斜坡面。
[0014]优选地，所述主流道的流通截面呈圆形。
[0015]优选地，所述主流道的流通截面的直径为0.5至5.0毫米。
[0016]优选地，所述扇形狭缝的宽度介于2至20微米范围之间。
[0017]优选地，还包括流量分布控制机构，所述流量分布控制机构包括四个支流道入口、由支流道入口平均延伸出的24个支流道、四个流量调控部，每一所述流量调控部分别调控每6个支流道，所述支流道与所述支流道出口一一对应连接。
[0018]优选地，包括固定叠置的多个传质模块，位于中间的每个传质模块具有一正面和与之相对的一反面，所述主流道平均地位于所述传质模块的正面、反面，所述支流道出口位于每一所述传质模块上。
[0019]优选地，在所述支流道出口的侧面，位于下方的所述传质模块下凹，位于上方的所述传质模块平滑，借此，在所述支流道出口的侧面形成所述扇形狭缝。
[0020]优选地，所述流量分布控制机构位于一流量分布控制模块上，所述流量分布控制模块上设有固定连接结构。
[0021]综上，本发明根据八卦图的原理设计，因此，亦可称之为八卦反应器，其用于液-液快速反应过程中强化传质过程，具体而言，其利用高频颠倒的超重力场和连续超薄液膜撞击强化液-液反应过程中多尺度混合。在该反应器内，由于24条支流以微分连续撞击进料的方式注入主流道中，因此，可以显著强化宏观混合与初始分散过程。
[0022]此外，该反应器的主流道的流通截面呈规整的圆形，二次旋转的流线度达到最佳，强化介观与微观混合不存在死角。
[0023]再者，整台反应器被分解成多个传质模块，可以根据产量的多少调节模块的数量。因此，该反应器可以大批量、低成本、高质量地完成各类液-液快速反应的工艺过程。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本发明实施例的俯视结构示意图；
[0025]图2为本发明实施例的传质模块的正面结构示意图；
[0026]图3为本发明实施例的传质模块的反面结构示意图；
[0027]图4为图2中沿线A-A的剖视结构示意图(多个传质模块上下层叠)；
[0028]图5为图4中B处的放大示意图。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步详细说明。
[0030]为了便于理解本发明，下面先对能够实现本发明的一实施例的具体结构进行详细描述，需要理解的是，本发明的具体实现存在多种结构形式，下述并非对本发明的限制，而是举例性描述。
[0031]如图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明实施例包括一个流量分布控制模块1和依次叠置其上的多个传质模块2 (图4清楚的显示了该层叠结构)，流量分布控制模块1上设有流量分布控制机构，以向各传质模块输送支流溶液并调节溶液流量。传质模块2则实施液-液快速反应。流量分布控制模块1、传质模块2都基本呈板状，二者均设有多个上下对应的螺孔7，多个螺栓(未示出)穿过上下依次对应的螺孔7，从而将流量分布控制模块1、多个传质模块2固定在一起。传质模块2的数量多少根据产量的需要进行调节。
[0032]优选地，传质模块2、流量分布控制模块1的材质根据需要可选择具备良好的耐腐蚀性能和高机械强度的不锈钢、钛合金材料等，根据其它需要，也可选择特氟龙、石墨、陶瓷等材料。
[0033]如图2、图3所示，传质模块2包括正面21、反面22，主流道3平均地分布于传质模块2的正面21、反面22，当一个传质模块2的正面21叠合在另一传质模块2的反面22时，位于正面21、反面22上的凹槽组合即形成主流道3。在传质模块2上，还设有与主流道3连通的主流道入口 31、主流道入口 32和主流道出口 33 (在多个传质模块2叠置时，各入口、出口也是上下对应、连通的)。
[0034]再如图2所示，本实施例包括1条主流道和与24条支流道10对应的24个支流道出口 100，主流道3包括依次对接且沿着直线方向布置的24个半径相等或由小变大的半圆形流道34，该24个半圆形流道34对接形成波浪线，对接后的相邻两个半圆形流道呈显示一个周期的正弦形。24个支流道出口 100分别位于24个半圆形流道34的内侧，并且，24个支流道出口 100的流通截面均为半径相等的圆且其圆心与各自对应的半圆形流道34的圆心相重合。在支流道出口 100与其对应的半圆形流道34之间通过扇形狭缝101连通，扇形狭缝101的圆心与支流道出口 100的圆心重合，扇形狭缝101的宽度则以确保支流道10的溶液撞入主流道3的溶液时的初速度在lm/s以上为准。应用时，由于24条支流10以微分连续撞击进料的方式注入主流道3中，因此，本实施例显著强化了宏观混合与初始分散过程。沿溶液的流动方向，溶液由入口进入，可以经U形流道然后再进入第一个半圆形流道，U形流道与第一个半圆形流道分别位于圆心的两侧。
[0035]由上述可知，本实施例包括多个传质模块2、一个流量分布控制模块1，其间通过扣板和螺栓紧密叠合在一起。所有传质模块2(图4最上方的传质模块除外)的正面21结构相同，反面22结构也相同，相邻的两个传质模块2之间形成1条主流道3和24个支流道出口 100，主流道3主要由24个半径相等或由小变大的半圆形流道34对接而成。24条支流道10在每个传质模块2的支流道出口 100的流通截面均为半径相等的圆，圆心所在位置与各自对应的主流道3中半圆形流道34的圆心位置相重合。相邻的两个半圆形流道34再加上其对应的两个支流道出口 100，整体观之，与中国传统文化中的八卦图中心区域的太极图案十分相似。
[0036]如图2、图3所示，主流道3的流通截面是由上、下两个相邻传质模块2的半圆形流通截面紧密扣在一起形成一圆形流通截面，主流道3的圆形流通截面使二次旋转过程中的流线度达到最佳，有利于强化介观与微观混合过程。
[0037]优选地，主流道3的圆形流通截面的直径为0.5-5.0毫米，更优选为1.0-1.5毫米。
[0038]再如图2、图3和图4所示，24条支流道10与主流道3中各自对应的半圆形流道通过扇形狭缝101相通，扇形狭缝101是由上/下两个传质模块2紧密扣在一起形成的。在支流道出口 100与半圆形流道34之间的区域，上面的传质模块2是平滑的，下面的传质模块2略凹，如图4所示，使得扇形狭缝101的顶面201为平面、底面202为边缘高并向圆心处逐渐降低的扇形斜坡面。借此，每条支流道出口 100与主流道3之间的撞击面呈180度的扇形斜坡面展开，这样既可以实现主流与24条支流之间的连续撞击，又不至于使支流经过狭缝时的流通阻力过大。具体地，参见图5，底面202包括:水平段2020和倾斜段2021，水平段2020与顶面201平行，倾斜段2021以远离顶面的方式倾斜，水平段2020的一侧与主流道的圆形流通截面相连，水平段的另一侧与倾斜段相连，底面202的水平段与顶面形成的平行通道有利于增大支流道流通阻力，以确保24条支流道出口流量基本相等。如果平行段的长度过长的话，则支流道出口流通阻力会非常大；反之，支流道出口流通阻力会变小，导致整个扇形截面出口流量不相等，因此，底面202的水平段的长度为优选为0.1?2_，进一步优选为0.2?1_，需要说明的是扇形狭缝的宽度指的是平行段与顶面之间的距离，也可以是由倾斜段与水平段相连形成的连接处与顶面之间的距离，还可以是底面与顶面之间的最小距离。
[0039]优选地，支流道出口 100与半圆形流道34之间的扇形狭缝101的宽度在2至20微米之间，优选为4至10微米，使得扇形薄液膜撞击主流的速度介于0.5-5米/秒，更优选为1-2米/秒。
[0040]如图1所示，设置支流道10的流量分布控制模块1包括四个支流道入口 11、流量调节区域42、视窗区域41，在流量调节区域42，设置有四个流量调控部，每一流量调控部分别调控与每一支流道入口 11连接的6个支流道10。与之前的鱼形反应器和双鱼反应器相比，每一组调控的六条支流量是按照正常顺序下来的，组(每6个支流道10形成一组)与组之间不存在相互干扰，更便于调节各组的支流量。此外，支流量分配区域与支流量调节区域完全分开，使流量观察更加准确。四个支流道入口、24个支流道、四个流量调控部形成流量分布控制机构。
[0041]与【背景技术】部分提及的鱼形反应器和双鱼反应器相比，本实施例的物料流动特征在于:主流的流动特征基本不变，支流的流动特征发生显著的变化。具体的支流物料流动特征如下:
[0042]1)支流(为了表述方便，在不至于混淆的前提下，支流、主流亦表示支流道、主流道之意)总物料首先被四个支流道入口 11分成四股流量相等的物料，四股物料的流量由四个流量计分别控制，而双鱼反应器的支流总物料由流量计控制并分配成两股，两股物料再分配成四股物料时不是由流量计分配，会存在一定的偏差。
[0043]2)接着，每股物料再被均分进入六条支流道10中，均分程度由指示剂来判定，调节支流量的方法与鱼形反应器、双鱼反应器一样，也是在流量调节区域42的每一流量调节部采用插钉子5调流量的方法，但本实施例插入的钉子不会产生系统误差，而鱼形反应器、双鱼反应器插入钉子调节流量会产生系统误差，这是由于在本实施例中流量观察区域与流量调节区域完全分开了，而前两种反应器中这两个区域是无法分开的。此外，鱼形反应器、双鱼反应器中24条支流的流量无法实现平均分配。优选地，各支流道10中料液的流量可采用单独的流量计控制流量。
[0044]3)分配好的各条支流进入各传质模块2时，需要再经历一次分配，为尽可能使分配比较均匀，各传质模块2的支流道出口 100都相对较宽，如图4所示，主流道3的各半圆形流道34环绕扇形狭缝101分布，以减少到达各传质模块2的不同流通阻力。在图4中，符号35(叉形)表示料液自纸面流入纸内方向，符号36(较小的圆圈)表示料液自纸内流出纸面方向。
[0045]4)进入各传质模块2的支流，在扇形狭缝101中，呈180度扇形撞击进入主流当中，为使各个角度撞击的流量基本相等，出口狭缝非常窄而且均匀平滑，使支流的流通阻力全部集中在出口阻力上，且出口阻力在180度的扇面上基本相等。
[0046]可见，本实施例中支流总量的分配共经历了四次，双鱼反应器中支流总量的分配经历了三次，鱼形反应器中支流总量的分配仅经历了两次。
[0047]以制备Fe304/Mn00H为例，硫酸铁与硫酸亚铁混合溶液以及氢氧化钠溶液以相等的流量进入本实施例后，分别从主流道入口 31和主流道入口 32进入各传质模块2。两股料液撞击生成纳米Fe304浆液后，顺着流通截面直径为1毫米的圆形主流道3以5米/秒的初速度快速流动，由于支流的不断汇入，主流的流量不断增加，产生的超重力场加速度从400g逐渐增加至最后达到500g(g为正常重力场加速度，9.8m/s2)。通常，主流道3中所产生的高频颠倒的超重力场强度在100至1000倍的重力场加速度范围，优选为200至500倍重力场加速度。
[0048]硫酸锰与双氧水混合溶液分为四股料液，先流经四个流量计然后从流量分布控制模块1的四个支流道入口 11进入，每股料液进入后首先被分配成流量相等的6股支流，每股支流从各自位置垂直向上穿过各层传质模块2 (如图4)，再从各传质模块2的支流道出口100进入各传质模块2的半圆形薄扇形狭缝101通道，最后撞击进入主流道3中，撞击口处扇形狭缝101的宽度为4微米，各支流的出口撞击流速均为lm/s。
[0049]连续撞击生成的MnOOH前驱体经过初始分散一介观混合一微观混合过程以均匀的速率包覆到纳米Fe304胶体颗粒的表面，包覆过程结束后，浆液从各传质模块2的主流道出口 33处汇集流出。
[0050]综上所述，本发明利用高频颠倒的超重力场和连续超薄液膜撞击，可以强化液-液反应过程中多尺度混合，具体而言，24条支流以微分连续撞击进料的方式注入主流道中，可以显著强化宏观混合与初始分散过程。主流道的流通截面呈规整的圆形，二次旋转的流线度达到最佳，强化介观与微观混合不存在死角。本实施例包括多个传质模块，可以根据产量的多少调节模块的数量。可见，本发明可以大批量、低成本、高质量地完成各类液-液快速反应的工艺过程。
[0051]由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
【权利要求】
1.一种基于八卦图原理的超重力-连续微撞击流反应器，包括I条主流道和与24条支流道对应的24个支流道出口，所述主流道包括依次对接且沿着直线方向布置的24个半径相等或由小变大的半圆形流道，其特征在于，24个支流道出口分别位于24个半圆形流道的内侧，以及，24个所述支流道出口的流通截面均为半径相等的圆且其圆心与各自对应的所述半圆形流道的圆心相重合； 所述支流道出口和与其对应的半圆形流道之间通过扇形狭缝连通，所述扇形狭缝的圆心与所述支流道出口的圆心重合，所述扇形狭缝的宽度则以确保支流撞入主流时的初速度在lm/s以上为准。
2.根据权利要求1所述的基于八卦图原理的超重力-连续微撞击流反应器，其特征在于，所述扇形狭缝的角度为180°。
3.根据权利要求2所述的基于八卦图原理的超重力-连续微撞击流反应器，其特征在于，所述扇形狭缝的顶面为平面、底面为边缘高并向圆心处逐渐降低的扇形斜坡面。
4.根据权利要求1所述的基于八卦图原理的超重力-连续微撞击流反应器，其特征在于，所述主流道的流通截面呈圆形。
5.根据权利要求4所述的基于八卦图原理的超重力-连续微撞击流反应器，其特征在于，所述主流道的流通截面的直径为0.5至5.0毫米。
6.根据权利要求1所述的基于八卦图原理的超重力-连续微撞击流反应器，其特征在于，所述扇形狭缝的宽度介于2至20微米范围之间。
7.根据权利要求1所述的基于八卦图原理的超重力-连续微撞击流反应器，其特征在于，还包括流量分布控制机构，所述流量分布控制机构包括四个支流道入口、由支流道入口平均延伸出的24个支流道、四个流量调控部，每一所述流量调控部分别调控每6个支流道，所述支流道与所述支流道出口一一对应连接。
8.根据权利要求1所述的基于八卦图原理的超重力-连续微撞击流反应器，其特征在于，包括固定叠置的多个传质模块，位于中间的每个传质模块具有一正面和与之相对的一反面，所述主流道平均地位于所述传质模块的正面、反面，所述支流道出口位于每一所述传质模块上。
9.根据权利要求8所述的基于八卦图原理的超重力-连续微撞击流反应器，其特征在于，在所述支流道出口的侧面，位于下方的所述传质模块下凹，位于上方的所述传质模块平滑，借此，在所述支流道出口的侧面形成所述扇形狭缝。
10.根据权利要求7所述的基于八卦图原理的超重力-连续微撞击流反应器，其特征在于，所述流量分布控制机构位于一流量分布控制模块上，所述流量分布控制模块上设有固定连接结构。
【文档编号】B01J4/00GK104437334SQ201410722604
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月2日 优先权日:2014年12月2日
【发明者】王东光, 竺柏康, 王玉华, 陶亨聪 申请人:浙江海洋学院