一种振荡流反应装置的制作方法

1.本实用新型属于反应器技术领域，具体涉及一种振荡流反应装置。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本实用新型相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.传统的过程强化设备一般采用搅拌釜式反应器。搅拌釜式反应器存在釜内易产生流动死区、反应时间较长、能耗比较高等缺点。振荡流反应器是一种有着广泛工业应用前景的新型化工过程强化设备，具有良好的混合、传热和传质性能，传递过程特性易于控制，适用于那些相间传质和反应速度慢、反应时间长的体系，在结晶、聚合、生物质燃料制备方面获得了良好效果。振荡流反应器优良的传递特性不仅表现在高流速条件下，在平均流速很低的条件下也具有较为均匀的停留时间分布，在很多情况下能提供比普通管式反应器和搅拌釜式反应器更佳的反应性能。
4.据发明人了解，目前已经有研究和应用报道的挡板型振荡流管式反应器的挡板结构多为平面孔板型挡板，单孔或者多孔板，当应用于含有固体粒子的反应流体系时，不论设备是垂直安装还是水平安装，都会发生固体颗粒的堆积问题，从而影响设备的连续性运行，给生产带来比较恶劣的影响。


技术实现要素：

5.本实用新型为了解决上述问题，提出了一种振荡流反应装置，本实用新型通过口径变化段的设置，造成反应通道内的直径变化，同时施加振荡，使流体在反应通道内中产生漩涡，加强了流体在管内的混合效果。
6.根据一些实施例，本实用新型采用如下技术方案：
7.一种振荡流反应装置，包括振动机构和反应器，所述振动机构与所述反应器之间至少具有一作用区域；
8.所述反应器的反应通道沿其延伸方向间隔分布有若干口径变化段。
9.本实用新型所指的作用区域是指振动机构能够在反应器上施加振动/振荡作用的区域。
10.例如，如果是接触式振动/振荡方式，所述振动机构与所述反应器之间至少具有一作用区域可以指所述振动机构与所述反应器之间至少有一个接触点或连接点。
11.如果是非接触式振动方式，所述振动机构能够在反应器的部分区域产生振动/振荡。
12.上述技术方案中，通过反应管的不断口径变化，形成障碍式通道的几何结构，可以形成多釜串联的效果，在反应器内产生不断的运动的漩涡，利用漩涡的增加或者减弱调解反应器内流体的混合。
13.作为可选择的实施方式，还包括为所述反应器提供温度条件的换热机构。通过设
置换热机构，能够满足反应器的变温操作，保证反应环境和反应效率。
14.作为可选择的实施方式，所述反应器为反应管，所述反应管为内表面光滑的通道，包括相互连接的直管部分和弯管部分。
15.所述反应管可以是直管，也可以是多个直管并排设置，各直管之间通过弯管连接，形成串联，管体元件的长度可根据用户需要及反应停留时间设置。
16.作为可选择的实施方式，所述反应通道为圆形通道，圆形通道直径为d，每个1d
‑
3d间距分布所述口径变化段。这种设计方式，使得反应通道在非口径变化段，反应流体能够最大限度的顺利、无障碍流动，在口径变化段，形成流动变化，产生运动的漩涡。
17.作为可选择的实施方式，所述口径变化段沿反应通道的延伸方向均匀布设。
18.这种设置方式，能够在反应器内产生周期性的运动漩涡，保证更容易控制流体流动形态，进而达到控制反应产物的目的。
19.作为可选择的实施方式，所述口径变化段的截面最小高度大于等于0.3d。以保证运动漩涡的强度。
20.作为可选择的实施方式，所述口径变化段由机械挤压形成。
21.作为可选择的实施方式，所述口径变化段的横截面为椭圆形。
22.作为可选择的实施方式，相邻口径变化段的方向相互平行或者互相垂直或者是有一定角度。
23.作为可选择的实施方式，所述振动机构为机械式振动机构，包括机杆推进器、柔性件和驱动机构，所述机杆推进器的一端连接有驱动机构，另一端部设置有柔性件，所述驱动机构带动机杆推进器往复运动，使所述柔性件的位置变化，当其处于第一位置时，与所述反应器接触。机杆推进器提供了操作的灵活性，柔性件能够保证在不断撞击反应器时，不会损坏反应器，同时保证密封性。可以通过驱动机构动作频率来控制速度，使机杆推进器进行活塞运动，进而实现不同波形的速度，如正弦波形、三角形和方波形的循环操作。
24.作为可选择的实施方式，所述振动机构为超声波振动机构，包括超声波发生器、超声波换能器和变幅杆，所述超声波发生器与超声波换能器连接，所述超声波换能器通过变幅杆与反应通道接触。
25.流体在反应管内流过突然扩大或者缩小的管道时，流速缩小，压力相应增大；流速增大，压力相应减小。都会造成流体逆压流动，极易发生边界层分离，产生涡流。正向涡流与反向涡流交替产生，有利于颗粒混合。振动机构带动流体产生的一个叠加在平均流速上的往复振荡运动与反应管壁面结构相互作用，在管内空间生成位置和尺寸不断变化的漩涡，有效改善停留时间的分布，使反应器的流动模式趋近于平推流反应器。
26.作为可选择的实施方式，所述换热机构包括若干个换热夹套，所述换热夹套套设于所述反应通道的外侧，所述换热夹套上设置有换热进口和换热出口，相邻的换热夹套之间换热出口和换热进口相连。
27.作为可选择的实施方式，所述反应器或换热机构上设置有若干温度检测元件。
28.作为可选择的实施方式，所述反应器具有若干进料口和至少一个出料口。
29.与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
30.本实用新型的反应通道由于口径变化段的设置，造成了直径的变化，振荡可使流体在通道内中产生漩涡，加强了流体在管内的混合效果，强化了反应器内的径向传递过程。
31.本实用新型的反应通道为曲线通道，流线型结构能够减少通道内的流动滞留区，最大限制地减少了反应器中的锐角，减少了粘胶、挂壁等现象。
32.本实用新型的反应通道上可以设置多个口径变化段，形成的单腔室串联相当于n个微型反应器串联，接近平推流的状态，保证反应介质以相同的流速和一致的方向进行移动，达到控制反应器内流体流动形态，控制反应器出口产物的目的。
33.本实用新型的振荡流反应器中净流速比较小时，可以得到很长的停留时间，由振荡产生的快速径向混合又可以克服速度径向分布所带来的不良影响。返混程度可以由振荡强度控制，在合适的条件下，流体会实现良好的局部混合，而反应器整体尺度上的轴向返混却很少。
34.本实用新型通过控制振动机构的振动频率与振幅来准确的控制反应产物的粒径分布，便于控制。
35.本实用新型能长时间稳定运行，有效降低生产成本，工业上易于实现，易推广使用，适用范围广泛，还可根据需要放在油浴锅或冷井中以便对反应物料进行控温。
附图说明
36.构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。
37.图1是本实用新型的振荡流反应装置结构图；
38.图2是本实用新型的振荡流反应装置侧视图；
39.图3是本实用新型的实施例一部分反应管结构图；
40.图4是图3实施例一部分反应管的截面图；
41.图5是本实用新型的实施例二部分反应管结构图；
42.图6是图5实施例二部分反应管的截面图。
43.其中：1
‑
机杆推进器，2
‑
进料口a，3
‑
进料口b，4
‑
换热夹套，5
‑
反应管，6
‑
弯管段，7
‑
换热出口，8
‑
温度传感器，9
‑
管夹，10
‑
换热进口，11
‑
出料口，12
‑
操作平台，13
‑
伺服电机，14
‑
减速机，15
‑
橡胶膜片。
具体实施方式：
44.下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。
45.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本实用新型提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
46.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
47.在本实用新型中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙
述本实用新型各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本实用新型中任一部件或元件，不能理解为对本实用新型的限制。
48.本实用新型中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本实用新型中的具体含义，不能理解为对本实用新型的限制。
49.正如背景技术中所述的，本实用新型旨在克服现有振荡流管式反应器对于固液催化或者非催化反应体系出现的堆积问题，提供一种振荡流管式反应器。
50.实施例一
51.如图1所示，振荡流管式反应装置包括振荡部分、流动反应部分及换热部分。
52.振荡部分用于产生可调节的有规律的振动，并将振动传递到流体主体，产生振荡。
53.在本实施例中，振荡部分包括机杆推进器1、橡胶膜片15、伺服电机13和减速机14，当启动伺服电机13后，伺服电机13连接减速机14，进而带动机杆推进器1做前后往复运动，这样机杆不停地将橡胶膜片15推前推后，从而引起反应部分的流体振荡。
54.机杆推进器1提供了操作的灵活性，可以通过控制电机转动的频率来控制速度，使机杆推进器1进行活塞运动实现不同波形的速度，如正弦波形、三角形和方波形的循环操作。
55.当然，通过调整机杆推进器1的振荡频率、振幅，来控制振荡强度，进而改变流动介质周期性运动，从而达到调整混合效果，控制反应速度的目的。
56.机杆推进器1顶部采用橡胶膜片15既保证了与反应管5之间的密封性，又解决了大振幅时顶杆不能及时恢复的问题，相比柱塞式密封降低了与管壁之间的摩擦，减小了阻力，有利于设备的保养。
57.当然，在其他实施例中，橡胶膜片15可以替换为其他柔性件，以保证振荡部分和反应部分接触、撞击时不会损坏反应部分。
58.同样的，在其他实施例中，振荡部分可以采用其他往复运动型设备。如油缸、活塞杆，或电机带动椭圆凸轮转动，凸轮突起处使反应部分振动等。
59.流动反应部分由微阻力反应管5构成，在本实施例中，反应管5为截面是一种圆形的通道，通道直径为d。
60.当然，在其他实施例中，反应管5的截面是圆滑的即可。例如椭圆形等。在此不再赘述。流线型造型的设计又能减少管内的流动滞留区，最大限制地减少了反应器中的锐角，减少了粘胶、挂壁等现象。
61.整个反应通道包括若干反应管5串联而成，反应管5可以是直管，也可以是弯管，如图1所示，以流体的流动顺序为参照，多级串联的管式反应器中，第一个反应管5出口与后续反应管5的进口通过弯管段6连通，然后依次连接，直至由最末段的反应管5出口即出料口11流出。
62.反应管5的材质可以为钢制(包括但不限于低碳钢、低合金钢、不锈钢、哈氏合金、钛制、铬钼钢等)。这样的选材能够保证反应管5较高的强度。金属材质能够耐受高温高压，耐腐蚀，易于加工成型。
63.也可以是塑料(包括但不限于pp等)，玻璃(包括但不限于石英玻璃等)，透视性好
便于实时观察，同时可以节约成本。
64.反应管5之间可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，且连接处设置有密封装置。设备的部件整体可拆，便于更换，使用和维修方便。
65.同时，反应管5的长度可根据用户需要及反应停留时间定制，方便操作。
66.另外，为了保证反应管5的寿命，也可以在反应管5内侧进行电镀、涂层、耐腐蚀处理等，这些均是对反应管5结构的简单优化，属于本领域技术人员容易想到的。在此不再赘述。
67.如图3所示，沿长度方向每隔1d
‑
3d间距均匀分布因挤压而成的口径变化段(或称为直径变化区域)，口径变化段为截面呈椭圆形或长圆形的通道。
68.通过这种障碍式通道的紧缩性几何结构的组合形成多釜串联的效果，在反应器内产生周期性运动的漩涡，利用漩涡的增加或者减弱调解反应器内流体的混合。
69.同样的，在其他实施例中，口径变化段不一定是均匀分布的，只要沿反应通道的延伸方向间隔设置即可。
70.相邻压挤方向可以相互平行或者互相垂直或者是有一定角度的。压挤形状为横向椭圆形或者竖向椭圆形交替或者单一方向的椭圆形。如图4所示，压挤后允许流体通过的通道最小高度不得小于0.3d。多个缩紧口挤压形成的单腔室串联相当于n个微型反应器串联，接近平推流的状态，保证反应介质以相同的流速和一致的方向进行移动，达到控制反应器内流体流动形态，控制反应器出口产物的目的。
71.振荡流反应器中净流速比较小时，可以得到很长的停留时间，由振荡产生的快速径向混合又可以克服速度径向分布所带来的不良影响。返混程度可以由振荡强度控制，在合适的条件下，流体会实现良好的局部混合，而反应器整体尺度上的轴向返混却很少。
72.当然，反应通道具有进料口和出料口11。进料口可以是多个。
73.在本实施例中，反应器工作时，反应介质至少为两种及以上的液体或者微量固体组成，分别从进料口a2和进料口b3进入，反应流体流经反应器内部，依次经过反应管5、弯管段6最终达到出料口11。
74.流体在反应管5内流过突然扩大或者缩小的口径变化段时，流速缩小，压力相应增大；流速增大，压力相应减小。都会造成流体逆压流动，极易发生边界层分离，产生涡流。正向涡流与反向涡流交替产生，有利于颗粒混合。
75.与此同时，反应器进料端的机杆推进器1在伺服电机13和减速机14的作用下，带动流体产生的一个叠加在平均流速上的往复振荡运动与反应管5壁面结构相互作用，在管内空间生成位置和尺寸不断变化的漩涡，有效改善停留时间的分布，使反应器的流动模式趋近于平推流反应器。
76.为了更好的进行反应，部分实施例还可以在反应管5外设有换热夹套4，根据反应类型和条件，将换热介质从换热进口10通入，从换热出口7流出，每段换热夹套4根据最优操作温度序列自由组合，或根据其他方式控制温度，以保证反应的顺利进行。
77.反应管5外壁设置换热夹套4，提供反应管5内部所需的温度条件。对于大多数振荡流管式反应器均属于变温操作，需要确定最优操作温度序列，即反应器的最优轴向温度分布。
78.本实施例通过换热机构采用分段夹套的设置，不仅可以满足最优等温操作的简单
反应而且可以改善最优非等温操作的复合反应。
79.例如，对于不可逆反应和可逆吸热反应，由于反应过程中随反应的进展，反应物浓度逐渐降低而导致反应速率下降，如果保持反应过程的温度逐渐上升，则可以补偿由于浓度降低而引起反应速率的减小。这样可使过程的平均反应速率最大，自然就能获得较大的生产强度。另一方面，从可逆吸热反应的情况看，只有保持较高的反应器出口温度，才能获得较高的平衡反应率。其最优操作温度组合可以采用先低后高，先高后低，近似等温的工况，通过温度传感器8精密件实现直线、抛物线、非连续、分段等加热或冷却曲线的精准控制。
80.如图1和图2所示，本实施例中，换热夹套4的材质可以采用钢制(包括但不限于低碳钢、低合金钢、不锈钢、哈氏合金、钛制、铬钼刚等)，塑料(包括但不限于pp等)，玻璃(包括但不限于石英玻璃等)。
81.换热夹套4均具有换热进口10和换热出口7，相连接的两个换热夹套4通过换热进口10和换热出口7连接。
82.如图1所示，以流体的流动顺序为参照，多级串联的管式反应器中，换热介质先进入换热进口10然后从换热出口7流出，第一个换热出口7与后续换热夹套4进口通过管道连通，换热介质再进入下一个换热夹套4，依次逐级对每一根串联的反应管5进行换热，直至完成由最末段的换热出口7流出；亦可分别向换热进口10通入不同温度介质进行分段控温，再由各自对应的换热出口7流出。
83.这里需要注明的是，图1中换热进口10、换热出口7、温度传感器8后面标注的括号，以及括号内的数字，是为了区分是对应于不同的换热夹套4。
84.在部分实施例中，还可以由几组换热夹套4串并联进行不同温度组合，实现精确控温要求。
85.为了实现精确控温要求，反应通道或者换热夹套4上还可以设置温度检测元件。在本实施例中，温度检测元件选用温度传感器8。温度传感器8可以螺纹或者法兰连接在换热夹套4侧，随时监测夹套内的温度变化。
86.上述反应装置能长时间稳定运行，有效降低生产成本，工业上易于实现，易推广使用；可根据需要放在油浴锅或冷井中以便对反应物料进行控温。
87.实施例二
88.与上述实施例不同之处在于，本实用新型的振荡部分采用超声波振动机构，包括超声波发生器、超声波换能器和变幅杆，所述超声波发生器与超声波换能器连接，所述超声波换能器通过变幅杆与反应通道接触并发生振动。
89.如图5和图6所示，相邻压挤方向互相垂直或者是有一定角度的。压挤后允许流体通过的通道最小高度不得小于0.3d。
90.如图2所示，振荡部分、反应部分和换热部分均设置在操作平台12上。
91.在本实施例中，为了保证各反应管的稳固，可以在反应管的直管部分外部设置管夹9。
92.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
93.上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。