CN112023851A - 一种可控水力空化釜式微波反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水力空化微波反应釜装置，属于微波反应器的技术领域。所述装置包括：包括微波反应釜体、波导、微波反应釜金属外壳、微波反应釜内胆；所述微波反应釜体内部设有搅拌***，微波反应釜体底部设有排料管，微波反应釜体侧端设有文丘里管，所述文丘里管一端连接微波反应釜体，向微波反应釜体内喷射反应物料；另一端依次连接增压泵、水力空化入口阀门；所述微波反应釜体包括：反应釜内胆与反应釜外壳，所述反应釜内胆设于反应釜外壳内，微波反应釜外壳与反应釜内胆之间为空气夹层；所述波导固定于微波反应釜外壳上，所述波导穿过反应釜内胆向微波釜腔体内发射微波源。本装置可保证微波反应的可测性、可定量、及反应温度的可控性。

Description

一种可控水力空化釜式微波反应器

技术领域

本发明属于微波反应器的技术领域，涉及水力空化技术、微波与流体搅拌技术，提高物质反应的转化率，具体涉及一种可控水力空化釜式微波反应器。

背景技术

微波能作为一种清洁高效的能源成为交叉学科领域研究的一个热点。微波加热由于其利用高频电磁场与被加热材料相互作用的体加热机理，相对于传统的热传导和热辐射加热方式具有以下特点：(1)加热速度快、加热均匀；(2)节能性；(3)选择性；(4)易控性。介电损耗不同的材料对微波的吸收能力不同。微波辐照，加热开始，停止辐照，加热停止，即加热方式的热惯性小。此外，微波加热化学反应可以显著提高某些反应的速率，减少反应时间，并在一定程度上提高产率，甚至改变产物的性能。

尽管微波加热技术在工业应用中蕴含着巨大的潜力，但是目前来看，微波加热技术并未充分发挥出其应有的优势，主要是因为在其深入、广泛应用中还存在一些待解决的重大基础问题。首先是热点和热失控现象。微波促进化学反应过程中普遍存在由于局部温度梯度过大引起的热点，以及由于被加热物的微波吸收能力随温度增加而增强从而形成正反馈，导致***温度瞬间上升的热失控现象。因此，急需设计高效、对反应物加热均匀的微波反应发生器，以促进微波加热技术在化工应用中的进一步发展。

发明内容

[技术问题]

现有的微波反应器存在加热效率低、对反应物加热不均匀的问题。

[技术方案]

本发明提供一种水力空化釜式微波反应器，包括：微波反应釜体、波导、微波反应釜金属外壳、微波反应釜内胆、水力空化装置；所述微波反应釜体内部设有电机搅拌***，微波反应釜体底部设有排料管，微波反应釜体侧端设有水力空化装置，所述水力空化装置一端连接微波反应釜体，水力空化装置用于向微波反应釜体内喷射反应物料；水力空化装置另一端依次连接增压泵、水力空化入口阀门；所述微波反应釜体包括：反应釜内胆与反应釜外壳，所述反应釜内胆设于反应釜外壳内，微波反应釜外壳与反应釜内胆之间为空气夹层；所述波导固定于微波反应釜外壳上，所述波导穿过反应釜内胆向微波反应釜腔体内发射微波源。

在本发明的一种实施方式中，所述装置还包括：压力检测表、温度传感器、液面检测仪；所述压力检测表、温度传感器、液面检测仪分别通过信号线与外界信号收集***相连接，并分别固定于微波反应釜的顶端，所述压力检测表、温度传感器、液面检测仪的光纤探头分别放置在釜体高度2/3部分并靠近釜顶。

在本发明的一种实施方式中，所述电机搅拌***包括搅拌桨控制电机、模式搅拌器控制电机、模式搅拌器、搅拌桨；所述搅拌桨控制电机与模式搅拌器控制电机固定于微波釜式反应器顶部，分别通过联轴器与搅拌桨、模式搅拌器相连接，搅拌桨控制电机与模式搅拌器控制电机分别通过信号线连接外接PLC控制***；

在本发明的一种实施方式中，所述文丘里管、增压泵、水力空化入口阀门组成水力空化装置；所述水力空化装置至少为两个，在微波反应釜的两侧端，水力空化装置的布置方式包括：镜像安装、中心对称安装。

在本发明的一种实施方式中，微波反应釜体底部还设有出料阀门、出料阀门控制电机；所述排料管与出料阀门、出料阀门控制电机连接。

在本发明的一种实施方式中，反应釜金属外壳14的内壁上固定支撑肋板，反应釜内胆通过支撑肋板固定在反应釜金属外壳内。

在本发明的一种实施方式中，波导穿过反应釜内胆15向微波釜腔体内发射2.45GHz频率的微波。

本发明还提供一种水力空化釜式微波反应器使用方法，包括：

步骤一：将液体状态的反应物料以适宜的流速从水力空化入口阀门输入，反应物料由增压泵加压到设定的压力状态后进入文丘里管；

步骤二：在水力空化装置中，物料经流体射流收缩腔形成射流，流体速度提高，压强减小，产生空化效应，通过流体射流扩展腔喷射进入微波反应釜内胆中，物料形成的射流由射流扩展腔喷射出以后沿着釜体内部壁面产生旋流；

步骤三：当反应物料在微波反应釜腔体内达到指定的液面高度，液面检测仪会记录此时液面高度数据，此时，打开波导，波导2.45GHz的频率往微波反应釜内胆发射微波；

步骤四：打开搅拌桨控制电机、模式搅拌器控制电机，搅拌桨控制电机、模式搅拌器控制电机分别控制搅拌桨和模式搅拌器的转速，搅拌桨的转动使得在反应器釜内胆里液体反应物料能充分搅拌均匀、混合；

步骤五：模式搅拌器的转动使釜体内波导的入射微波经过模式搅拌器上的金属反射片反射后，微波均匀辐射到微波反应釜内的物料上；

步骤六：观察液面检测仪数据，当液面到达额定高度后，立即关闭增压泵，停止往微波反应釜内注入反应液体；

步骤七：反应结束后，打开出料阀门控制电机，随后生成物出料阀门打开，反应生成物料从排料管流出，进行反应生成物的收集。

在本发明的一种实施方式中，两个水力空化装置安装在釜体两侧且异向呈180°，物料经流体射流收缩腔形成射流，流体速度提高，压强减小，产生空化效应，通过流体射流扩展腔喷射进入微波反应釜内胆中，物料形成的射流由射流扩展腔喷射出以后沿着釜体内部壁面产生旋流。

在本发明的一种实施方式中，步骤二中，根据空化的条件范围，调节增压泵的功率，增加微波反应釜腔体内的水力空化效果。

[有益效果]

本发明的一种可控水力空化釜式微波反应器在运用微波加热的基础上加入了水力空化的协同作用，空化是指当液体内局部压力降低时，液体内部或者液固交界面上蒸汽或者气穴的形成、发展和溃灭的过程。水力空化是产生空化效果的途径之一。空化现象的出现会产生一系列效应，包括产生冲击波、局部高温以及活化效应等，对化学反应有强化作用。并且通过电机控制装置控制微波反应釜腔体内的搅拌桨与模式搅拌器的具体转速也可以大大提高微波反应釜加热反应的均匀性、稳定性、高效性。

附图说明

图1是实施例1的水力空化釜式微波反应器示意图；

图2为实施例1的水力空化釜式微波反应器结构组成示意图；

图3为图2的右视图；

图4为图2的俯视图；

图5A-5D为各种水力空化装置安装示意图。(5A：两空化装置两侧异向呈180°，5B：两空化装置两侧同向呈180°，5C：两空化装置呈90°；5D：两空化装置同侧呈180°)

图中，电机搅拌***I、监测***II、微波反应釜***III、水力空化***Ⅳ、反应物收集***Ⅴ；

搅拌桨控制电机1、模式搅拌器控制电机2、压力检测表3、温度传感器4、液面检测仪5、微波反应釜体6、工作台7、出料阀门控制电机8、排料管9、模式搅拌器10、搅拌桨11、波导12、支撑肋板13、微波反应釜金属外壳14、微波反应釜内胆15、出料阀门16、第一水力空化入口阀门17、第一增压泵18、第一文丘里管19、第二文丘里管20、第二增压泵21、第二水力空化入口阀门22。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

本实施例提供一种水力空化釜式微波反应器，参见图1-4，所述水力空化釜式微波反应器包括：电机搅拌***I、监测***II、微波反应釜***III、水力空化***Ⅳ、反应物收集***Ⅴ。

所述电机搅拌***I包括搅拌桨控制电机1、模式搅拌器控制电机2、模式搅拌器10、搅拌桨11；

所述监测***II包括压力检测表3、温度传感器4、液面检测仪5；

所述微波反应釜***III包括微波反应釜体6、波导12、支撑肋板13、微波反应釜金属外壳14、微波反应釜内胆15；

所述水力空化***Ⅳ包括增压泵第一增压泵18、第二增压泵21、第一文丘里管19、第二文丘里管20、第一水力空化入口阀门17、第二水力空化入口阀门22；

所述反应物收集***Ⅴ包括出料阀门控制电机8、排料管9、出料阀门16；

所述搅拌桨控制电机1通过信号线与变频器相连，并外接220V电源；所述模式搅拌器控制电机2通过信号线与变频器相连，并外接220V电源。搅拌桨控制电机1与模式搅拌器控制电机2固定于微波釜式反应器6上端盖上，通过联轴器与模式搅拌器10、搅拌桨11相连接，并且通过信号线连接外接PLC控制***；通过PLC控制***适当调整物料搅拌桨11和模式搅拌器10的具体转速；所述模式搅拌器10为转动轴和连接着转动轴的微波金属反射片组成，转动轴另一端与在反应釜外与电动机相连，通过电动机的转动使得模式搅拌器上的微波反射片进行可控的旋转从而将微波均匀的传递到反应釜腔体内反应物料的各个区域，为了防止模式搅拌器在微波场中的旋转会出现打火现象，将模式搅拌器10的电机控制装置引出一段接地的电线；所述搅拌桨11由转动轴和转动轴一端的旋转叶片组成，转动轴另一端在反应釜外与电动机相连，通过电动机的转动使得搅拌桨叶片进行可控的旋转从而使反应物相对移动、混合；在物料搅拌桨转轴与模式搅拌器转轴通入微波反应釜腔体的打孔处使用金属网等屏蔽结构来防止微波泄露，保证微波反应釜的封闭性。

所述压力检测表3通过信号线与外界信号收集***相连接，并固定于微波反应釜6上端盖上，压力检测表的光纤探头放置在釜体高度2/3部分(靠近釜顶)；所述温度传感器4通过信号线与外面信号收集***连接，并固定在微波反应釜6的上端盖上，温度传感器的光纤探头放置在釜体高度2/3部分(靠近釜顶)；所述液面检测仪5通过信号线与外面的信号收集***连接，并固定在微波反应釜6的端盖上，液面检测仪的光纤探头放置在釜体高度2/3部分(靠近釜顶)；在反应过程中实时记录温度、压力、液面高度的数据。

所述微波反应釜体6是反应釜金属外壳14和微波反应釜内胆15组合的组合结构，反应釜金属外壳14可以阻挡微波辐射的外泄，反应釜内胆15是由微波可以自由穿透的材料例如陶瓷、石英玻璃等制造。反应釜内胆15通过支撑肋板13安装固定在反应釜金属外壳14内，支撑肋板13是由微波易穿透的材料例如聚四氟乙烯制造，固定放置在反应釜金属外壳14的内壁上；微波反应釜6固定安装在工作台7上，微波反应釜外壳14与反应釜内胆15之间是空气夹层，空气夹层可以使微波加热效果更均匀、高效。微波反应釜金属外壳14上固定波导12，波导12可以穿过反应釜内胆15向微波釜腔体内发射2.45GHz频率的微波源；

所述第一文丘里管19、第二文丘里管20在第一增压泵18、第二增压泵21的共同作用下将分别从第一水力空化入口阀门17、第二水力空化入口阀门22流入第一文丘里管19、第二文丘里管20的液体反应物料加压到一定的压力后，喷射进入微波反应釜腔体内，促进形成水力空化效应，提高微波加热反应效率。第一文丘里管19、第二文丘里管20分别连接第一水力空化入口阀门17、第二水力空化入口阀门22并连接第一增压泵18、第二增压泵21，均安装在微波反应釜体外。在文丘里管通入的反应釜金属外壳14与反应釜内胆15的穿孔边界处会进行防止微波泄露的举措，会在穿孔处使用金属网等屏蔽结构来防止微波泄露，保证微波反应釜的封闭性。如图4、图5所示，微波反应釜6上一共安装两套相同的水力空化装置，并且两者呈相对方向安装在微波反应釜的两端。水力空化装置可以安装在相对于釜和内胆的不同位置和朝向。水力空化装置的布置方式包括且不仅限于镜像安装、中心对称安装，并且空化装置的数量包括且不仅限于两个；

所述反应物收集***中，当反应结束后，出料阀门控制电机8控制出料阀门的打开，生成物料会从排料管9中排出，最后从出料阀门16中排出，相关操作人员可以进行收集；

本发明中，专业操作人员首先将液体状态的反应物料以适宜的流速从第一水力空化入口阀门17、第二水力空化入口阀门22输入，物料进入第一文丘里管19、第二文丘里管20后再分别通过第一增压泵18、第二增压泵21加压到指定的压力状态后，在第一文丘里管19、第二文丘里管20中，物料经流体射流收缩腔行成射流，流体速度提高，压强减小，产生空化效应，通过流体射流扩展腔喷射进入微波反应釜内胆15中，两股物料形成的射流由射流扩展腔喷射出以后沿着釜体内部壁面产生旋流，提高了物料的搅拌速度。在此过程中，专业操作人员可以根据空化的条件范围，适当调节第一增压泵18、第二增压泵21的功率，增加微波反应釜6腔体内的水力空化效果。当反应物料在微波反应釜6腔体内达到指定的液面高度，液面检测仪5会记录此时液面高度数据，此时，打开波导12，波导以2.45GHz的微波频率往微波反应釜内胆15发射微波；继续打开电机1和2，电机1、2分别以适宜的功率控制微波搅拌桨11和模式搅拌器10的转速，使得微波搅拌桨11在反应器釜内胆15里能充分将液体反应物料搅拌均匀、混合；模式搅拌器10的转动能使釜体内波导12的入射微波经过模式搅拌器10上的金属反射片反射后，微波会均匀辐射到微波反应釜内的物料上；然后继续观察液面检测仪5数据，当液面到达额定高度后，立即关闭第一增压泵18、第二增压泵21，停止往微波反应釜内注入反应液体。继续经过波导12、微波搅拌桨12、模式搅拌器10的协同作用下，物料发生均匀、高效的反应；反应物反应过程的温度和压力可以通过固定在微波反应釜6上端盖上的压力测量表3和温度传感器4测量获得相应的数据，专业操作人员通过分析温度和压力信号的数据，可以适当调整微波搅拌桨12、模式搅拌器10的具体转速，方便更好的提高反应速率。等反应结束后，打开出料阀门控制电机8，随后出料阀门16一起打开，反应生成物料从排料管9流出，最后由专业操作人员进行反应生成物的收集。

实施例2

如图5-B所示，两个水力空化装置以两侧同向呈180的安装方式安装在釜体的两侧，其中高速喷射出的物料相遇并产生撞击，撞击过程中的剪切效应对物料进行了二次强化。

进一步地，所述水力空化装置可采用的有文丘里管和孔板2种，但不限于以上2种方式。

其他的部件及连接关系、工作原理与实施例1相同。

本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡是在本发明构思的精神和原则之内，本领域的专业人员能够做出的任何修改、等同替换和改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水力空化釜式微波反应器，其特征在于，包括：微波反应釜体、波导、微波反应釜金属外壳、微波反应釜内胆、水力空化装置；

所述微波反应釜体内部设有电机搅拌***，微波反应釜体底部设有排料管，微波反应釜体侧端设有水力空化装置，所述水力空化装置的一端连接微波反应釜体，水力空化装置用于向微波反应釜体内喷射反应物料；水力空化装置的另一端依次连接增压泵、水力空化入口阀门；

所述微波反应釜体包括：反应釜内胆与反应釜外壳，所述反应釜内胆设于反应釜外壳内，微波反应釜外壳与反应釜内胆之间为空气夹层；所述波导固定于微波反应釜外壳上，所述波导穿过反应釜内胆向微波釜腔体内发射微波源。

2.如权利要求1所述的一种水力空化釜式微波反应器，其特征在于，还包括：压力检测表、温度传感器、液面检测仪；所述压力检测表、温度传感器、液面检测仪分别通过信号线与外界信号收集***相连接，并分别固定于微波反应釜的顶端，所述压力检测表、温度传感器、液面检测仪的光纤探头分别放置在釜体高度2/3部分并靠近釜顶。

3.如权利要求2所述的一种水力空化釜式微波反应器，其特征在于，所述电机搅拌***包括搅拌桨控制电机、模式搅拌器控制电机、模式搅拌器、搅拌桨；所述搅拌桨控制电机与模式搅拌器控制电机固定于微波釜式反应器顶部，分别通过联轴器与搅拌桨、模式搅拌器相连接，搅拌桨控制电机与模式搅拌器控制电机分别通过信号线连接外接PLC控制***。

4.如权利要求3所述的一种水力空化釜式微波反应器，其特征在于，所述文丘里管、增压泵、水力空化入口阀门组成水力空化装置；所述水力空化装置至少为两个，在微波反应釜的两侧端，水力空化装置的布置方式包括：镜像安装、中心对称安装。

5.如权利要求4所述的一种水力空化釜式微波反应器，其特征在于，微波反应釜体底部还设有出料阀门、出料阀门控制电机；所述排料管与出料阀门、出料阀门控制电机连接。

6.如权利要求5所述的一种水力空化釜式微波反应器，其特征在于，反应釜金属外壳14的内壁上固定支撑肋板，反应釜内胆通过支撑肋板固定在反应釜金属外壳内。

7.如权利要求1-6任一所述的一种水力空化釜式微波反应器，其特征在于，波导穿过反应釜内胆15向微波釜腔体内发射2.45GHz频率的微波源。

8.权利要求1-7任一所述的一种水力空化釜式微波反应器使用方法，其特征在于，包括：

步骤一：将液体状态的反应物料以适宜的流速从水力空化入口阀门输入，反应物料进入文丘里管后再通过增压泵加压到设定的压力状态；

步骤二：在水力空化装置中，物料经流体射流收缩腔形成射流，流体速度提高，压强减小，产生空化效应，通过流体射流扩展腔喷射进入微波反应釜内胆中，物料形成的射流由射流扩展腔喷射出以后沿着釜体内部壁面产生旋流；

步骤三：当反应物料在微波反应釜腔体内达到指定的液面高度，液面检测仪会记录此时液面高度数据，此时，打开波导，波导以2.45GHz的频率往微波反应釜内胆发射微波；

步骤四：打开搅拌桨控制电机、模式搅拌器控制电机，搅拌桨控制电机、模式搅拌器控制电机分别控制搅拌桨和模式搅拌器的转速，搅拌桨的转动使得在反应器釜内胆里液体反应物料能充分搅拌均匀、混合；

步骤五：模式搅拌器的转动使釜体内波导的入射微波经过模式搅拌器上的金属反射片反射后，微波均匀辐射到微波反应釜内的物料上；

步骤六：观察液面检测仪数据，当液面到达额定高度后，立即关闭增压泵，停止往微波反应釜内注入反应液体；

步骤七：反应结束后，打开出料阀门控制电机，随后生成物出料阀门打开，反应生成物料从排料管流出，进行反应生成物的收集。

9.如权利要求8所述的一种水力空化釜式微波反应器，其特征在于，两个水力空化装置安装在釜体两侧且异向呈180°，物料经流体射流收缩腔形成射流，流体速度提高，压强减小，产生空化效应，通过流体射流扩展腔喷射进入微波反应釜内胆中，物料形成的射流由射流扩展腔喷射出以后沿着釜体内部壁面产生旋流。

10.如权利要求9所述的一种水力空化釜式微波反应器，其特征在于，步骤二中，根据空化的条件范围，调节增压泵的功率，增加微波反应釜腔体内的水力空化效果。

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