CN103611487B - 撞击流反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种撞击流反应器。该撞击流反应器包括一腔室、两个储料罐和两个喷嘴，该两个储料罐分别用于向该两个喷嘴供料，该两个喷嘴相对设置于该腔室的侧壁上，该撞击流反应器还包括一控制单元和两个比例阀，该控制单元用于控制该两个比例阀将向该两个喷嘴供料的流量分别调节为根据第一预设波形和第二预设波形波动，其中第一预设波形和第二预设波形均具有周期性。本发明的撞击流反应器通过控制两个比例阀将向两个喷嘴供料的流量分别调节为根据预设波形波动，从而引起撞击流的撞击面的周期振荡，从而提高撞击流反应器对于流体混合和化学反应的促进作用，使撞击流反应器在应用于低雷诺数的流体混合反应中仍能够取得理想的混合效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种撞击流反应器。
背景技术
撞击流的科学概念于1961年由前苏联Elperin首先提出，后来以色列Tamir团队进行了较多的应用基础研究。当时的研究者得出这样的结论：化学工程领域中的任何一种过程，几乎都可以用撞击流来实现，而且撞击流比传统的方法效率更高、能耗更低；撞击流技术在化学工程和其它工程领域中必将成为一种通用的技术方法。正如他们所预料，近年来撞击流在干燥、气化、燃烧、催化反应、吸收、萃取和纳米粒子制备等单元操作和工业过程中迅速地得到成功应用，显示出巨大的潜力和应用前景。
撞击流是实现快速混合的一种重要方法，而撞击流反应器就是用于实现撞击流过程的装置。撞击流反应器中的反应过程是两股射流离开喷嘴后相向流动、撞击，在反应器中间形成一个高度湍动的撞击区，轴向速度趋于零，并转为径向流动。由于射流撞击后产生一个高湍动撞击区，能够有效降低传递过程中的外部阻力，强化热质传递，促进混合。
然而，现有的撞击流反应器在应用于高粘流体混合或作为微反应器制备纳米颗粒时，由于流体的射流雷诺数较低，流体的混合效果很差，化学反应很慢，因而迫切需要一种简单可靠的能够进一步提升撞击流反应器对于流体混合和化学反应的促进作用的撞击流反应器。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中的撞击流反应器但对于流体混合和化学反应的促进作用不够明显，在低雷诺数的流体混合反应等应用中难以取得理想的混合效果的缺陷，提出一种撞击流反应器。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
本发明提供了一种撞击流反应器，包括一腔室、两个储料罐和两个喷嘴，该两个储料罐分别用于向该两个喷嘴供料，该两个喷嘴相对设置于该腔室的侧壁上，其特点在于，该撞击流反应器还包括一控制单元和两个比例阀，该控制单元用于控制该两个比例阀将向该两个喷嘴供料的流量分别调节为根据第一预设波形和第二预设波形波动，其中第一预设波形和第二预设波形均具有周期性。
普通的撞击流在特定条件下也会偶发周期振荡，但并非普遍现象，同时振荡程度较弱也无法控制。在该撞击流反应器中，通过加入该两个比例阀对该两个喷嘴的物料流量供应进行控制，并且使其以具有周期性的波形波动，也就相当于控制了该两个喷嘴喷出的物料射流的流量，而物料射流的流量的波动会造成该两个喷嘴的气速比的波动变化。上述气速比，即该两个喷嘴的出口处的流体速度之比。物料流量的波动相当于激励源，随着该两个喷嘴喷出的物料射流的流量的周期性波动，两股射流的撞击面就能够产生较强的周期振荡。并且由于撞击面的周期振荡是由物料流量的波动产生的，因此可以通过调整第一预设波形和第二预设波形来对撞击面的周期振荡进行一定的控制。
较佳地，第一预设波形和第二预设波形的形状和/或频率相同，且相位差不为2π的整数倍。
较佳地，第一预设波形和第二预设波形的相位差为π。
上述设置能够使得撞击面的振荡具有较好的周期性，振荡的幅度较为稳定，提升了撞击面的周期振荡的可控性，并且在其他条件相同的情况下，相位差为π的条件下产生的撞击面运动速度最大，效率最高。
较佳地，第一预设波形和第二预设波形的形状均为正弦波或均为方波，频率大于1Hz且小于100Hz。
本发明中各种形状的波形均可适用，但正弦波和方波更易于控制。并且频率大于1Hz且小于100Hz的情况下，撞击面的振荡对于激励信号也就是第一预设波形和第二预设波形的响应良好，此时若第一预设波形和第二预设波形的形状均为方波，则由于方波本身的波动幅度较为稳定，相应的撞击面的振荡速度也会较为稳定。因此，这种情况下，可由公式来估算得到撞击面的振幅A，公式中A0和f0分别为第一预设波形和第二预设波形的振幅和频率，d为该两个喷嘴的直径。
较佳地，第一预设波形和第二预设波形的振幅的取值范围为各自对应的喷嘴的平均流量的1～100%。
调节第一预设波形和第二预设波形的振幅和频率，在大幅的低频振荡的情况下能够在撞击面的振荡中产生大的旋涡，有利于强化宏观混合效果，在小幅高频振荡的情况下可产生小尺度旋涡，有利于强化微观混合效果。
在满足上述条件的情况下，撞击流的撞击面驻点对该两个喷嘴的气速比变化较为敏感，气速比的微小变化就可以引起撞击面驻点较大程度的偏移，进而诱导出周期振荡。这意味着，在上述设置下，只需要设置第一预设波形和第二预设波形的振幅较小，就能够引起撞击面较大幅度的振荡。
较佳地，该两个喷嘴的物料喷出速度大于0.1米/秒且小于150米/秒。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：
本发明的撞击流反应器，通过控制两个比例阀将向两个喷嘴供料的流量分别调节为根据预设波形波动，从而引起撞击流的撞击面的周期振荡，从而提高撞击流反应器对于流体混合和化学反应的促进作用，使撞击流反应器在应用于低雷诺数的流体混合反应中仍能够取得理想的混合效果。
附图说明
图1为本发明实施例1的撞击流反应器的示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
如图1所示，本实施例的撞击流反应器包括一腔室1、两个储料罐4和两个喷嘴3，该两个储料罐4分别用于向该两个喷嘴3供料，该两个喷嘴3相对设置于该腔室1的侧壁上，其特点在于，该撞击流反应器还包括一控制单元和两个比例阀2，该控制单元用于控制该两个比例阀2将向该两个喷嘴3供料的流量分别调节为根据第一预设波形和第二预设波形波动，其中第一预设波形和第二预设波形均具有周期性。
其中，第一预设波形和第二预设波形的形状和频率均相同，且相位差为π。第一预设波形和第二预设波形的形状均为方波、频率为5Hz、振幅为各自对应的喷嘴3的平均流量的10%。
在本实施例中，可由公式来估算得到撞击面的振幅A，公式中A0和f0分别为第一预设波形和第二预设波形的振幅和频率，d为该两个喷嘴3的直径。并且，本实施例中喷嘴3直径为1.5mm，喷嘴3间距为10mm，腔室1高度为50mm。该两个喷嘴3的物料喷出速度为10米/秒。图1中以两条纵向虚线中间的区域示意性地示出了撞击面的振荡区域。
下面对本实施例的撞击流反应器应用于反应注射成型的一个案例进行说明。反应注射成型要求各组分快速混合并发生反应。在这一案例中，用于混合反应的物料分别为密度为1.056g/mL纯度≥98.0%的甲苯异氰酸酯溶液和密度为1.094g/mL的聚乙二醇醚溶液，并采用二丁基锡二月桂酸酯(二月桂酸二丁基锡)作为催化剂，甲苯作为溶剂。
在这一案例中，该两个喷嘴3中，一个喷嘴3接收并喷出的物料为甲苯异氰酸酯、催化剂二丁基锡二月桂酸酯和甲苯溶剂的混合物，另一个喷嘴3接收并喷出的物料为聚乙二醇醚、催化剂二丁基锡二月桂酸酯和甲苯溶剂的混合物。腔室1中的温度在混合反应过程中控制在100℃左右，并在腔室1中充满氮气作为保护气。混合反应后产生的产物为聚氨酯溶液。
同时，在一对比的案例中，采用相同结构的撞击流反应器在相同的条件下进行相同的混合反应，但未采用比例阀2对喷嘴3处的流量进行调节。如表1所示为上述两个案例进行的混合反应的效果数据。从中可以看出，采用本实施的撞击流反应器对喷嘴3流量进行控制，从而控制撞击面的振荡，相比于常规的撞击流反应器，能够在相同条件下提高产品的收率。
表1采用本实施例和常规的撞击流反应器制造聚氨酯产品的收率对比表
实施例2
本实施例的撞击流反应器和实施例1相比，差别仅在于：
第一预设波形和第二预设波形的振幅为各自对应的喷嘴3的平均流量的5%。同时该腔室1同时还是一气化炉。
下面对本实施例的撞击流反应器应用于水煤浆的气化反应的一个案例进行说明。在这一案例中，用于混合反应的物料为浓度为65%的神府煤浆和纯氧。神府煤浆的各个成分的含量以质量百分比表示如下：原始样品的水分7.17%，干燥后样品的灰分6.58%、挥发分39.70%、固定碳53.72%，碳69.32%，氢4.72%，氮0.86%，硫0.49%。
在这一案例中，该两个喷嘴3接收和喷出的物料均为神府煤浆和作为氧化剂的纯氧，并且第一预设波形和第二预设波形的频率均为50Hz。同时，在一对比的案例中，仅在第一预设波形和第二预设波形的频率上和上述案例不同，频率设置为200Hz。在另一对比案例中，采用的撞击流反应器在其他结构和部件的设置上均和上述案例相同，并进行相同的混合反应，但未采用比例阀2对喷嘴3处的流量进行调节。
在连续流动***中，由于实际流动过程的复杂性，同一时间进入***的流元不可能同时离开，亦即不同的流元在***中具有不同的停留时间，存在停留时间分布。停留时间分布与反应器内的流型密切相关，是微观的混合过程在宏观上的表现。这一案例中的神府煤浆和纯氧在撞击流反应器内的混合反应就属于这种连续流动***。
如表2所示为上述三个案例进行的混合反应的效果数据。从中可以看出，采用本实施例的撞击流反应器对喷嘴3流量进行控制，从而控制撞击面的振荡，不论第一预设波形和第二预设波形的频率设置为50Hz还是200Hz，相比于常规的撞击流反应器，均能够在相同条件下降低1.5秒前离开气化炉的物料比例、和平均停留时间前离开气化炉物料比例，同时提高反应的碳转化率和有效气成分。其中1.5秒前离开气化炉的物料比例和平均停留时间前离开气化炉物料比例均是反映停留时间分布的参数，从表2中的效果数据可以看出，采用实施例2的反应器减少了物料短时间停留就离开***的比例，这意味着其中的微观混合过程进行的更为彻底，相较于常规撞击流反应器，物料进行了更完全的反应才流出反应器。从表2中的数据可以看出，使用本实施例的反应器能够提高有效气成分。而对比频率设置不同的两个对比例可以看出，从表2中的数据也可以看出，第一预设波形和第二预设波形的频率选择50Hz时相比于200Hz时，在各项参数中均有显著的提升，能够更好地促进反应的效率。
表2采用本实施例和常规的撞击流反应器进行水煤浆的气化反应的效果对比表
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种撞击流反应器，包括一腔室、两个储料罐和两个喷嘴，该两个储料罐分别用于向该两个喷嘴供料，该两个喷嘴相对设置于该腔室的侧壁上，其特征在于，该撞击流反应器还包括一控制单元和两个比例阀，该控制单元用于控制该两个比例阀将向该两个喷嘴供料的流量分别调节为根据第一预设波形和第二预设波形波动，其中第一预设波形和第二预设波形均具有周期性。
2.如权利要求1所述的撞击流反应器，其特征在于，第一预设波形和第二预设波形的形状和/或频率相同，且相位差不为2π的整数倍。
3.如权利要求2所述的撞击流反应器，其特征在于，第一预设波形和第二预设波形的相位差为π。
4.如权利要求3所述的撞击流反应器，其特征在于，第一预设波形和第二预设波形的形状均为正弦波或均为方波，频率大于1Hz且小于100Hz。
5.如权利要求1所述的撞击流反应器，其特征在于，第一预设波形和第二预设波形的振幅的取值范围为各自对应的喷嘴的平均流量的1～100%。
6.如权利要求1-5中任意一项所述的撞击流反应器，其特征在于，该两个喷嘴的相互间距和该两个喷嘴中的任意一个的直径之比大于2且小于8。
7.如权利要求6所述的撞击流反应器，其特征在于，该两个喷嘴的物料喷出速度大于0.1米/秒且小于150米/秒。
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