一种超声强化反向涡旋流撞击流反应器

1.本发明涉及化工反应设备技术领域，特别是涉及一种超声强化反向涡旋流撞击流反应器。


背景技术：

2.传统工业所采用的制备工艺常在机械搅拌反应釜中进行，其有着混合性能较差，固液分布不均，同时存在高能耗、高物耗、高三废排放和低产率的严重缺陷。
3.针对化学反应过程不连续、产品均一性不易控制、能耗过大、反应时间较长等问题，亟需一种反应器，解决上述问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种超声强化反向涡旋流撞击流反应器，以解决上述现有技术存在的问题，反应原料流体混合均匀，缩短了混合时间，提高了生产效率。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.本发明提供了一种超声强化反向涡旋流撞击流反应器，包括至少两个涡旋反应器、撞击结构和超声波变幅杆，各所述涡旋反应器均与所述撞击结构连通，所述超声波变幅杆伸入所述撞击结构中，所述撞击结构上开设有出料口，各所述涡旋反应器均包括至少一个进料口，所述进料口沿所述涡旋反应器的切向设置，反应原料流体通过所述进料口进入所述涡旋反应器中产生涡旋后加速进入所述撞击结构中。
7.优选地，各所述涡旋反应器均包括混合腔和收缩腔，所述混合腔呈筒形，所述收缩腔呈喇叭状，所述收缩腔尺寸较大的一端与所述混合腔的一端连接，所述收缩腔尺寸较小的一端与所述撞击结构连接。
8.优选地，各所述进料口均通过一进料管路与所述混合腔连通，各所述进料管路均沿所述混合腔的切向设置，反应原料流体通过各所述进料管路进入所述混合腔后的流动方向一致。
9.优选地，各所述涡旋反应器均包括两个进料口，两个所述进料口连接的两个所述进料管路位于所述混合腔的两侧。
10.优选地，所述出料口通过出料管路与所述撞击结构连通，所述出料管路的中心线与所述撞击结构的中心线位于同一平面。
11.优选地，所述撞击结构包括相互连通撞击腔和孔道，所述撞击腔与所述涡旋反应器连通，所述超声波变幅杆的一端伸入所述孔道中且所述超声波变幅杆的一端位于所述撞击腔和所述孔道的交界处，所述超声波变幅杆伸入所述孔道中的长度不小于所述超声波变幅杆总长度的1/3。
12.优选地，所述涡旋反应器为两个，两个所述涡旋反应器对称设置在所述撞击结构的两侧。
13.优选地，所述收缩腔尺寸较小的一端的尺寸与所述收缩腔尺寸较大的一端的尺寸
的比值在1:10～1:1之间。
14.优选地，所述进料口的尺寸与所述收缩腔尺寸较大的一端的尺寸的比值在1:10～1:1之间。
15.优选地，所述出料口的尺寸与所述收缩腔尺寸较大的一端的尺寸的比值在1:5～1:1之间。
16.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
17.反应原料流体通过配置在反应器两侧双进料口进入两侧涡旋反应器中产生反向轴向流动涡旋流后沿轴向加速流入中心撞击腔中。反应原料流体在涡旋反应器中产生广谱的多尺度湍流涡旋，通过反向涡旋轴向流动在撞击腔实现强化的微尺度湍流卷吸混合，形成混合物并发生化学反应。这些携带混合物的流体微团在撞击结构彼此强烈撞击，流体微团破碎程度大大加强从而增强了组分间在分子尺度上的相互作用。超声波变幅杆的加入使这些携带混合物的流体微团的撞击涡流在撞击结构产生空化泡瞬间溃灭，导致微尺度湍流进一步加剧，从而极大地增强了组分间在分子尺度上的相互作用，通过强化局部湍流剪切来进一步改善传质性能，加强反应器的混合传质性能。本发明加强了微观混合和强化撞击过程及混合效果，同时又缩短了反应器内流体混合均匀的时间，大幅度提高生产效率，获得良好的经济效益。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本发明的超声强化反向涡旋流撞击流反应器示意图一；
20.图2为本发明的超声强化反向涡旋流撞击流反应器示意图二；
21.图3为本发明的超声强化反向涡旋流撞击流反应器仰视图(内部结构)；
22.图4为本发明的超声强化反向涡旋流撞击流反应器主视图(内部结构)；
23.图5为本发明的超声强化反向涡旋流撞击流反应器仰视图(外部结构)；
24.图6为图5的a
‑
a剖视图；
25.图7为本发明的超声强化反向涡旋流撞击流反应器侧视图(外部结构)；
26.图8为图7的b
‑
b剖视图；
27.图9为本发明的主体模块示意图一；
28.图10为本发明的主体模块示意图二；
29.图11为本发明的主体模块俯视图；
30.图12为图11的c
‑
c剖视图；
31.图13为图11的d
‑
d剖视图；
32.图14为本发明的孔道模块示意图；
33.图15为本发明的端盖示意图；
34.其中：100
‑
超声强化反向涡旋流撞击流反应器，1
‑
涡旋反应器，2
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撞击结构，3
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超声波变幅杆，4
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出料口，5
‑
进料口，6
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混合腔，7
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收缩腔，8
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进料管路，9
‑
出料管路，10
‑
端盖，
11
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主体模块，12
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撞击模块，13
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孔道模块，14
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螺栓孔，15
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密封槽，16
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对插口，17
‑
连接管路，18
‑
撞击腔。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.本发明的目的是提供一种超声强化反向涡旋流撞击流反应器，以解决上述现有技术存在的问题，反应原料流体混合均匀，缩短了混合时间，提高了生产效率。
37.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
38.如图1
‑
图15所示：本实施例提供了一种超声强化反向涡旋流撞击流反应器100，超声强化反向涡旋流撞击流反应器100的各结构沿中心对称，包括至少两个涡旋反应器1、撞击结构2和超声波变幅杆3，各涡旋反应器1均与撞击结构2连通，超声波变幅杆3伸入撞击结构2中，撞击结构2上开设有出料口4，各涡旋反应器1均包括至少一个进料口5，进料口5沿涡旋反应器1的切向设置，反应原料流体通过进料口5进入涡旋反应器1中产生涡旋后加速进入撞击结构2中。
39.具体地，本实施例中，涡旋反应器1为两个，两个涡旋反应器1对称设置在撞击结构2的两侧。
40.本实施例中，各涡旋反应器1均包括混合腔6和收缩腔7，混合腔6呈筒形，收缩腔7呈喇叭状，收缩腔7尺寸较大的一端与混合腔6的一端连接，收缩腔7尺寸较小的一端与撞击结构2连接。
41.本实施例中，各进料口5均通过一进料管路8与混合腔6连通，进料管路8为圆筒管，各进料管路8的直径均相同，各进料管路8均沿混合腔6的切向设置，反应原料流体通过各进料管路8进入混合腔6后的流动方向一致，即反应原料流体进入混合腔6后不会相向流动导致反应原料流体的速度较弱。本实施例中，各涡旋反应器1均包括两个进料口5，两个进料口5连接的两个进料管路8切向分布在混合腔6的两侧。如图13所示，反应原料流体通过两个进料管路8进入混合腔6中，反应原料流体均沿逆时针流动。
42.反应原料流体进入进料管路8且依次经过混合腔6和收缩腔7加速后流速不小于2m/s，在撞击结构2中形成撞击流。
43.本实施例中，出料口4通过出料管路9与撞击结构2连通，出料管路9的中心线与撞击结构2的中心线位于同一平面。
44.本实施例中，收缩腔7尺寸较小的一端的尺寸与收缩腔7尺寸较大的一端的尺寸的比值在1:10～1:1之间。
45.本实施例中，进料口5的尺寸与收缩腔7尺寸较大的一端的尺寸的比值在1:10～1:1之间。
46.本实施例中，出料口4的尺寸与收缩腔7尺寸较大的一端的尺寸的比值在1:5～1:1之间。
47.本实施例中，撞击结构2包括相互连通撞击腔18和孔道，撞击腔18与各涡旋反应器1分别通过一连接管路17连通，两条连接管路17的中心线同轴，超声波变幅杆3的一端伸入孔道中且超声波变幅杆3的一端位于撞击腔18和孔道的交界处，超声波变幅杆3伸入孔道中的长度不小于超声波变幅杆3总长度的1/3。超声波变幅杆3的频率为20khz、功率为0～1200w。超声强化反向涡旋流撞击流反应器100工作时，超声波变幅杆3固定，轻微振动不会对超声强化反向涡旋流撞击流反应器100的工作产生影响。
48.本实施例中，各涡旋反应器1均包括主体模块11，撞击结构2包括撞击模块12和孔道模块12，主体模块11的一端设置有端盖10，主体模块11的另一端与撞击模块12及孔道模块12连接，孔道模块12与撞击模块12连接，进料管路8、混合腔6和收缩腔7均开设在主体模块11中，撞击腔18、连通管路均开设在撞击模块12中，孔道开设在孔道模块12中。主体模块11、端盖10、撞击模块12和孔道模块12均采用不锈钢制成，端盖10与主体模块11之间、主体模块11与撞击模块12之间、主体模块11与孔道模块12之间、撞击模块12与孔道模块12之间均通过螺栓固定装配，便于拆卸与维护。
49.各主体模块11的两端、孔道模块12与撞击模块12接触的一端均开设有密封槽15，各密封槽15内设置有内径3.5mm、外径4.8mm的硅胶o型密封圈，确保各部分连接紧密，防止反应原料流体外漏。
50.反应原料流体高速进入切向设置的进料管道后进入混合腔6，在混合腔6中迅速混合产生剧烈的“兰金涡旋”流动，在径向上存在很大的剪切梯度，流涡旋中发生吞没传质，形成湍流卷吸与吞没强化扩散过程，提高反应原料流体的混合强度，实现对进料口5反应原料流体的初步湍流强化。收缩腔7的直径减小，收缩腔7内压强随直径减小而增大，从而增大反应原料流体驱动力，实现对反应原料流体的加速与湍流强化，反应原料流体经过收缩腔7后压力迅速增加，加速向流体撞击腔18流动。经多次湍流强化后的两股反应原料流体进入圆柱形的撞击结构2后，在撞击腔18中心区域交汇融合，发生强烈微观混合，迅速发生化学反应，快速生成大量微小晶核。流体的剧烈撞击加强局部湍流动能和局部剪切应力，形成大量湍流涡。固体颗粒同尺度湍流涡对初生态微晶产生强烈剪切作用，有利于固体表面钝化和稳定。同时超声波因其独特的超声空化效应，能在液相中产生剧烈声流、冲击波、微射流以及局部高温高压。声流、冲击波与微射流能显著提升流体湍动，进而强化混合与传质；局部高温高压则导致自由基生成或促进分子裂解，改变反应机理与路径，从而提高反应收率。超声波变幅杆3通过强化局部湍流剪切来进一步改善传质性能，超声波变幅杆3的引入使涡流中的空化泡瞬间溃灭，导致微湍流流动加剧，加强反应器的混合传质性能。撞击结构2内形成的纳米颗粒悬浊液由出料口4流出并收集。本实施例的超声强化反向涡旋流撞击流反应器100加强了微观混合和强化撞击过程及混合效果，同时又缩短了反应器内流体混合均匀的时间，大幅度提高生产效率，获得良好的经济效益，特别适用于反应沉淀过程，能够得到形貌规则、颗粒较小、粒径分布较窄的超细粉体或纳米材料。
51.采用本实施例的超声强化反向涡旋流撞击流反应器100进行反应时，先涡流混合再水平同轴撞击，有效利用涡流的吞没传质强化模型，与撞击流强化混合表现和相间传递特性，达到反应原料流体进行快递反应过程不受传递限制，达到强化反应、运行成本低、能量消耗少、便于清洗和维护的目的。
52.本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例
的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。