單反射-環(huán)式噴嘴撞擊流結(jié)構(gòu)以及旋轉(zhuǎn)填料床裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于強化液-液快速微觀混合反應(yīng)裝置的技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種單反射-環(huán)式噴嘴撞擊流結(jié)構(gòu)以及單反射-環(huán)式噴嘴撞擊流-旋轉(zhuǎn)填料床裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]撞擊流是利用兩股或多股流體相向撞擊，在兩進(jìn)料管之間形成的高動量傳遞、高湍動能、高湍動能耗散的核心區(qū)域，軸向速度迅速為零轉(zhuǎn)變?yōu)閺较蛩俣?，從而快速地進(jìn)行微觀混合，微觀混合的好壞可以改變產(chǎn)品的質(zhì)量，進(jìn)而改變產(chǎn)品的性質(zhì)。工業(yè)上受微觀混合影響的快速反應(yīng)過程包括聚合反應(yīng)過程、反應(yīng)結(jié)晶過程和部分生化反應(yīng)過程等。
[0003]目前，用于液液反應(yīng)的撞擊流結(jié)構(gòu)主要浸沒循環(huán)式撞擊流和撞擊流-旋轉(zhuǎn)填料床裝置。但是，浸沒循環(huán)式撞擊流還存在著一些不足。首先，由于安裝螺旋槳的電機軸是懸臂結(jié)構(gòu)，如果軸較長或轉(zhuǎn)速較快，容易引起螺旋槳及電機軸的振動。其次，安裝螺旋槳的電機軸在反應(yīng)器壁上需安裝軸封結(jié)構(gòu)，增加了反應(yīng)器的制造成本，長期運轉(zhuǎn)軸封結(jié)構(gòu)容易損壞，影響反應(yīng)器的長期運行。最后，這種結(jié)構(gòu)將運動部件設(shè)置在反應(yīng)器內(nèi)，而運動部件在運轉(zhuǎn)過程中可能發(fā)生故障的機率較大，此時需要將反應(yīng)過程停下來進(jìn)行維修，影響裝置的連續(xù)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，也對上下游配套裝置產(chǎn)生一定的影響。盡管有所改進(jìn)，但是仍為間歇操作，處理能力有限。傳統(tǒng)兩根進(jìn)料管撞擊流裝置由于不等量進(jìn)料，微觀混合效果較差。
[0004]現(xiàn)有的撞擊流結(jié)構(gòu)通常包括兩個直角進(jìn)液管，直角進(jìn)液管上設(shè)有噴嘴，兩噴嘴相向設(shè)置；兩噴嘴噴出的液體相向撞擊。例如:中國專利201310338819.4，中國專利200610102107.2都公開了這種形式的撞擊流結(jié)構(gòu)。但是，工業(yè)中大多數(shù)液、液快速反應(yīng)物料流量比并不相等，采用目前現(xiàn)有的撞擊流結(jié)構(gòu)并不能達(dá)到理想的混合效果，得到混合均勻、理想的產(chǎn)品。傳統(tǒng)撞擊流結(jié)構(gòu)由于只有兩根直角管對撞，在不等物料流量比的情況下，一方面，其中某一種反應(yīng)物的體積相對較少，導(dǎo)致溶液在反應(yīng)器的交匯區(qū)域碰撞減弱，產(chǎn)生的渦流或卷席強度變小，微觀混合惡化；另一方面，由于某一反應(yīng)物局部濃度過大，可能導(dǎo)致副反應(yīng)的發(fā)生更劇烈，混合效果不理想、不均勻。另外，物料撞擊時產(chǎn)生的撞擊面，其邊緣由于湍動耗散率與中心相比較小，使得撞擊面邊緣混合效果并不理想。采用CFD模擬和PIV實驗研究，結(jié)果表明在撞擊平面的駐點混合效果最好，當(dāng)撞擊初速度為10m/s時,瑞動能耗散率從中心向四周由降為，相差至少一個數(shù)量級。
[0005]同時，在這些反應(yīng)過程中，很多反應(yīng)體系是在有一定黏度特性的情況下混合反應(yīng)的，流體體系黏度的提升將導(dǎo)致流體的流動性變差，降低流體的分散尺度，以致產(chǎn)生混合效果不佳，目標(biāo)產(chǎn)物質(zhì)量變差等許多不利的結(jié)果。采用碘化物-碘酸鹽微觀混合測試體系，當(dāng)體系粘度由20mPa.s升至200mPa.s，傳統(tǒng)撞擊流結(jié)構(gòu)離集指數(shù)由0.11增加到0.35，傳統(tǒng)撞擊流-旋轉(zhuǎn)填料床裝置離集指數(shù)由0.03增加到0.06 ;當(dāng)體系體積流量比為由I增加到9，傳統(tǒng)撞擊流結(jié)構(gòu)離集指數(shù)由0.08增加到0.13，傳統(tǒng)撞擊流-旋轉(zhuǎn)填料床裝置離集指數(shù)由0.017增加到0.03 ;混合效果變差，導(dǎo)致反應(yīng)過程中副產(chǎn)物增多，目標(biāo)產(chǎn)物收率急劇下降，增加了后續(xù)產(chǎn)物提純等復(fù)雜工序，為企業(yè)增加了負(fù)擔(dān)，從而影響工業(yè)化應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本實用新型為了解決目前液、液快速反應(yīng)在不等量進(jìn)料的情況下所引起的微觀混合不均勻的問題，提供了一種單反射-環(huán)式噴嘴撞擊流結(jié)構(gòu)和單反射-環(huán)式噴嘴撞擊流-旋轉(zhuǎn)填料床裝置。
[0007]本實用新型采取以下技術(shù)方案:單反射-環(huán)式噴嘴撞擊流結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括管徑不同的主進(jìn)料管和套管以及擋板，套管的管徑大于主進(jìn)料管的管徑，套管套于主進(jìn)料管的之外，主進(jìn)料管一端設(shè)置主進(jìn)料管進(jìn)料口、另一端設(shè)置擴(kuò)口型主進(jìn)料管噴嘴，主進(jìn)料管噴嘴端部中心開有出料孔，套管對應(yīng)主進(jìn)料管進(jìn)料口的一端設(shè)置有套管進(jìn)料口，套管對應(yīng)主進(jìn)料管噴嘴的另一端開口、套管開口端部與主進(jìn)料管噴嘴端部形成環(huán)縫，出料孔與環(huán)縫設(shè)置于同一平面，擋板相對于主進(jìn)料管以及套管的軸線方向垂直設(shè)置，擋板中心位于主進(jìn)料管以及套管的軸線上。
[0008]所述的套管直徑屯與主進(jìn)料管直徑(12的比值為1.5~20，套管長度1^與套管直徑Cl1比值為10~50，主進(jìn)料管長度L2大于套管長度L115主進(jìn)料管出料孔到擋板的距離屯與主進(jìn)料管出料孔直徑D2之比為1~50，主進(jìn)料管的內(nèi)徑(12與出料孔直徑D2比為1~50，套管直徑Cl1與環(huán)縫寬度D丨比值為1~100。
[0009]所述的擋板為圓形或方形，擋板相對主進(jìn)料管和套管可旋轉(zhuǎn)設(shè)置或者與主進(jìn)料管和套管連接，擋板為向外凸起，擋板表面粗糙。
[0010]一種單反射-環(huán)式噴嘴撞擊流-旋轉(zhuǎn)填料床裝置，包括旋轉(zhuǎn)填料床和所述的單反射-環(huán)式噴嘴撞擊流結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)填料床包括填料、轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子、殼體以及液體出口，所述的單反射-環(huán)式噴嘴撞擊流結(jié)構(gòu)設(shè)置于轉(zhuǎn)子的空腔內(nèi)并沿轉(zhuǎn)子軸線方向設(shè)置，主進(jìn)料管噴嘴以及環(huán)縫與擋板之間中心線位于轉(zhuǎn)子空腔的中央，擋板與轉(zhuǎn)子內(nèi)緣連接，轉(zhuǎn)子位于殼體的中部；填料在轉(zhuǎn)子空心圓環(huán)中；液體出口在殼體的底部；轉(zhuǎn)軸通過與電機相連帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。[0011 ] 所述的單反射-環(huán)式噴嘴撞擊流-旋轉(zhuǎn)填料床裝置，轉(zhuǎn)子內(nèi)徑d4與套管直徑d !比為I?5。
[0012]所述的量多的反應(yīng)物料從主進(jìn)料管進(jìn)料，而量少的反應(yīng)物料從套管進(jìn)料，主進(jìn)料管和套管的進(jìn)料溶液體積比為1~15，反應(yīng)物料的粘度為2~300mPa.S。
[0013]微觀混合是指分子間的混合，微觀混合狀況則用參數(shù)微觀混合特征時間參數(shù)tM表征，采用碘化物-碘酸鹽微觀混合測試體系，本實用新型的單反射-環(huán)式噴嘴撞擊流結(jié)構(gòu)以及單反射-環(huán)式噴嘴撞擊流-旋轉(zhuǎn)填料床裝置的微觀混合時間分別為1.1rns和0.073ms,相同條件下較傳統(tǒng)兩根管撞擊流結(jié)構(gòu)以及撞擊流-旋轉(zhuǎn)填料床裝置的1.4ms和0.2ms有較大的提高。本實用新型反應(yīng)時間短，適用于快速反應(yīng)；由于微觀混合時間與微觀尺度λ的平方成正比，當(dāng)整個混合容積中不存在大于λ的分隔尺度時，才能認(rèn)為達(dá)到理想混合。顯然，對于在分子尺度上進(jìn)行的過程例如化學(xué)反應(yīng)，只有達(dá)到良好的微觀混合狀態(tài)，分子間才能有效的接觸和反應(yīng)。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的單反射-環(huán)式噴嘴撞擊流結(jié)構(gòu)以及單反射-環(huán)式噴嘴撞擊流-旋轉(zhuǎn)填料床裝置采用兩根直管的結(jié)構(gòu)，減少了彎頭的個數(shù)，減少了動量損失。以lOm/s撞擊初速度為例，增加2個90°彎頭，阻力損失為75J/kg，動能僅為沒有彎頭的1/4，撞擊速度隨之極大地減小。根據(jù)Newton定律，較大的撞擊初速度形成了較強烈的動量傳遞，能量耗散增強，加上液體處于分子緊密聚集的凝聚狀態(tài)，兩股相向撞擊的流體間必然發(fā)生強烈地相互作用，包括流團(tuán)或/和分子間相互碰撞、擠壓、剪切等作用，產(chǎn)生強烈的微觀混合。由于撞擊面的邊緣效應(yīng)，微觀混合并不像撞擊面中心區(qū)域理想，通過旋轉(zhuǎn)填料床的高速旋轉(zhuǎn)，對邊緣液體剪切，進(jìn)行二次混合，從而進(jìn)一步強化了微觀混合效果。
[0015]本實用新型的單反射-環(huán)式噴嘴撞擊流結(jié)構(gòu)及單反射-環(huán)式噴嘴撞擊流-旋轉(zhuǎn)填料床裝置，采用碘化物-碘酸鹽反應(yīng)體系，在進(jìn)料流量為1~9，單反射-環(huán)式噴嘴撞擊流結(jié)構(gòu)離集指數(shù)由0.06變?yōu)?.10，單反射-環(huán)式噴嘴撞擊流-旋轉(zhuǎn)填料床裝置0.007變?yōu)?.015 ；液體粘度為20 mPa.s~200 mPa.s時，單反射-環(huán)式噴嘴撞擊流結(jié)構(gòu)離集指數(shù)由0.05變?yōu)?.17，單反射-環(huán)式噴嘴撞擊流-旋轉(zhuǎn)填料床裝置離集指數(shù)由0.005變?yōu)?.036。在不等量進(jìn)料以及粘度體系方面，較傳統(tǒng)撞擊流結(jié)構(gòu)及傳統(tǒng)撞擊流-旋轉(zhuǎn)填料床裝置離集指數(shù)減少了 1/2，微觀混合效果得到了極大地提高。這樣的優(yōu)勢，使得反應(yīng)過程中副產(chǎn)物減少，目標(biāo)產(chǎn)物收率提高，工業(yè)化應(yīng)用中為企業(yè)節(jié)約了成本，提高了利潤。
[0016]綜上所述，本實用新型的單反射-環(huán)式噴嘴撞擊流結(jié)構(gòu)保持了傳統(tǒng)兩根管撞擊流裝置連續(xù)操作、處理能力強、處理量大、維修方便的優(yōu)點，克服了目前傳統(tǒng)兩根進(jìn)料管撞擊流結(jié)構(gòu)不等量進(jìn)料混合效果差的缺點，具有不等量進(jìn)料均勻混合、快速反應(yīng)、反應(yīng)時間短、處理量大、的優(yōu)點；出料孔噴出的物料與擋板碰撞，形成徑向并垂直與填料的霧面，與旋轉(zhuǎn)填料床耦合，通過旋轉(zhuǎn)填料床的切割，能夠使物料進(jìn)一步均勻的混合，尤其適用于工業(yè)上反應(yīng)體系物料比不為I的不等量進(jìn)料的快速反應(yīng)以及有一定黏度特性的反應(yīng)體系。
【附圖說明】
[0017]圖1是單反射-環(huán)式噴嘴撞擊流-旋轉(zhuǎn)填料床結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2是單反射-環(huán)式噴嘴撞擊流結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖3是單反射-環(huán)式噴嘴撞擊流-旋轉(zhuǎn)填料床裝置工藝流程圖；
[0020]圖4是單反射-環(huán)式噴嘴撞擊流-旋轉(zhuǎn)填料床撞擊霧面圖；
[0021]圖5是單反射-環(huán)式噴嘴撞擊流-旋轉(zhuǎn)填料床尺寸示意圖；
[0022]圖6是向外凸起的擋板結(jié)構(gòu)示意圖，
[0023]圖7是平板的擋板結(jié)構(gòu)示意圖，
[0024]圖8是向內(nèi)凹陷的擋板結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖中，1-單反射-環(huán)式噴嘴撞擊流結(jié)構(gòu)；2-填料；3-轉(zhuǎn)軸；4-轉(zhuǎn)子；5-殼體；6-液體出口 ；7_液體流量計II ;8_儲液槽I ;9_耐腐蝕泵I ;10_閥門I ;11_液體流量計I ;12_儲液槽II，13-耐腐蝕泵II，14-閥門II，1.1-主進(jìn)料管進(jìn)料口 ；1.2-套管進(jìn)料口 ；1.3_主進(jìn)料管；1.4_套管；1.5-主進(jìn)料管噴嘴；1.6-環(huán)縫，1.7-擋板。
【具體實施方式】
[0026]如圖2、4所示，單反射-環(huán)式噴嘴撞擊流結(jié)構(gòu)，包括管徑不同的主進(jìn)料管1.3和套管1.4以及擋板1.7，套管1.4的管徑大于主進(jìn)料管1.3的管徑，套管1.4套于主進(jìn)料管1.3的之外，主進(jìn)料管1.3遠(yuǎn)離擋板1.7的一端設(shè)置主進(jìn)料管進(jìn)料口 1.1、靠近擋板1.7的另一端設(shè)置擴(kuò)口型主進(jìn)料管噴嘴1.5，主進(jìn)料管噴嘴1.5端部中心開有出料孔，套管1.4對應(yīng)主進(jìn)料管進(jìn)料口的一端設(shè)置有套管進(jìn)料口 1.2，套管對應(yīng)主進(jìn)料管噴嘴的另一端開口、套管開口端部與主進(jìn)料管噴嘴端部形成環(huán)縫1.6，出料孔與環(huán)縫設(shè)置于同一平面，擋板1.7相對于主進(jìn)料管以及套管的軸線方向垂直設(shè)置，擋板中心位于主進(jìn)料管以及套管的軸線上。量多的反應(yīng)物料從主進(jìn)料管