CN116059940A - 一种自旋转床超/微重力-微界面反应装置及其使用方法 - Google Patents

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CN116059940A CN202310164245.7A CN202310164245A CN116059940A CN 116059940 A CN116059940 A CN 116059940A CN 202310164245 A CN202310164245 A CN 202310164245A CN 116059940 A CN116059940 A CN 116059940A
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Abstract

本发明公开了一种自旋转床超/微重力‑微界面反应装置及其使用方法，反应装置包括：圆筒式换热器，其左右两端分别设有第一物料进口和物料出口，其侧壁上设有换热流体进口和换热流体出口，且其侧壁上设有至少两个第二物料进口；盘管式反应器，其包括盘管，盘管呈圆柱形螺旋状，盘管以轴线沿左右方向分布的方式设置于圆筒式换热器内；盘管的左端与第一物料进口连通，盘管的右端与物料出口连通；盘管上设有两个各与一个第二物料进口连通的物料口；以及流体输送机，第一物料进口和两个第二物料进口各与一个流体输送机连通；以及该反应装置的使用方法。采用本发明的反应装置，结构简单、工作可靠，能够实现高效率、低能耗和低投入的工业生产目标。

Description

一种自旋转床超/微重力-微界面反应装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及化工技术领域，特别涉及一种自旋转床超/微重力-微界面反应装置及其使用方法。
背景技术
反应装置是化工生产过程的核心设备。由于氧化还原、催化加氢、酯化、缩合、烷基化、磺化、卤化、聚合、反应-吸收、反应-萃取等化工生产过程主要是非均相反应-分离过程，因而存在“三传一反”和传递强化的问题。有关化工过程强化方法与技术有：超重力技术、微界面技术、超声波技术、微波技术、微化工技术和转盘反应技术等，从而促进了化工生产过程的“节能减排”高质量绿色发展。
而硫酸催化碳四烷基化是目前工业上大规模使用的工业化过程，且相对安全稳定可靠。烷基化过程中RON是烷基化油产品最重要的评价标准且要求较高。硫酸催化碳四烷基化反应过程是一个液-液两相快速复杂反应过程，改善酸-烃两相之间的混合状态和传质过程对提高烷基化油产品质量具有重要意义。超重力技术在强化微观混合、传质等方面具有优异的表现，已成为碳四烷基化过程强化关键技术之一。目前碳四烷基化已申请如下专利：
CN114085682 A公布了一种硫酸烷基化反应方法和装置及硫酸烷基化反应的取热方法，所述的硫酸烷基化反应方法包括，碳四原料进入烷基化反应器，异丁烷和丁烯在硫酸催化剂的作用下进行烷基化反应，反应物流经气液分离得到轻烃和液相物流，轻烃去气压机***做制冷剂，液相物流进入酸烃一级分离器，分离出的硫酸返回烷基化反应器循环使用，分离出的粗反应产物经酸烃二级分离脱除微量酸后进入产物分馏单元，进一步分离得到异丁烷、正丁烷和烷基化油产品，其中分离出的异丁烷返回烷基化反应器继续反应。
CN209128343 U公布了一种碳四烷基化的实验装置。该实验装置包括：进料设备、反应设备、分离及回收设备；进料设备包括C4烷烃钢瓶、C4烯烃钢瓶、C4烷烃进料罐、C4烯烃进料罐、原料预混罐；C4烷烃钢瓶与C4烷烃进料罐连通，C4烯烃钢瓶与C4烯烃进料罐连通，C4烷烃进料罐与原料预混罐连通，C4烯烃进料罐与原料预混罐连通；反应设备与原料预混罐连通；分离及回收设备包括烷基化汽油分离罐、尾气冷凝罐和废酸收集罐，反应设备与烷基化汽油分离罐连通，烷基化汽油分离罐与尾气冷凝罐连通，烷基化汽油分离罐与废酸收集罐连通。
CN106542951 A公布了一种利用高效吸附剂减少烷基化反应硫酸用量的方法，该方法在碳四生产异辛烷中可减少硫酸使用量，方法如下：将烷基化水分吸附剂烘干后，加入烷基化反应器中，然后加入98wt％的硫酸，投入脱水后的碳4在3℃温度下进行烷基化反应，当测得硫酸含量低于90％时，停止反应，通过分离槽分离废酸和吸附剂；将吸附剂输送到吸附剂再生车间，再生合格后重复使用。
CN112662426 A公布了一种液体酸烷基化反应方法和装置，装置包括反应器、分离器、一级聚结器、二级聚结器、脱异丁烷塔、压缩机、废酸泵、酸循环泵、管道混合器和原料管路。原料管路通过原料入口连接到反应器，反应器的出料口通过分离器、一级聚结器、二级聚结器的进料口连接到脱异丁烷塔。方法为：烷基化反应原料以硫酸和发烟硫酸为催化剂在反应器中进行烷基化反应，反应产物经过分离得到烷基化汽油。烷基化反应温度为15～40℃，反应压力为0.1～1MPa，在反应器中接触时间为0.2～15分钟。
CN112473723 A公布了本发明涉及一种高酸量催化剂及其制备方法和碳四烷基化反应的方法。该催化剂包含分子筛和铝溶胶，以干基计，所述分子筛和所述铝溶胶的重量比为99：1至20：80；所述铝溶胶的平均粒径小于20nm。
CN107974280 A公布了一种液体酸烷基化反应方法，采用的烷基化反应器由上至下包括轻相分离区(I)、反应区(III)、环流区(II)和重相沉降区(IV)，其中所述的反应区(III)和环流区(II)两端分别相通，所述的反应区(III)底部设置分散相进料器(4)，在反应器侧壁的环流区(II)设置连续相入口(1)；反应区和环流区为液体酸催化剂的反应混合物，异构烷烃和烯烃的混合物经分散相进料器进入反应区，在烷基化反应条件下异构烷烃和烯烃发生烷基化反应，反应后进入环流区，其中轻相进入反应器上部的轻相分离区，重相进入反应器下部的重相沉降区，从轻相出口采出烷基化反应产物，从重相出口采出废液体催化剂。
上述专利都是利用专用机械设备及精密仪器产生超/微重力-微界面、超声波、微波和转盘作用而强化化工传递过程，因而能量消耗、设备投资和操作难度都较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自旋转床超/微重力-微界面反应装置及其使用方法，从而克服现有技术中需要利用专用机械设备及精密仪器产生超/微重力-微界面作用而强化化工传递过程，因而能量消耗、设备投资和操作难度都较大的缺点。
为实现上述目的，本发明提供了一种自旋转床超/微重力-微界面反应装置，包括：圆筒式换热器，其左右两端分别设有第一物料进口和物料出口，所述圆筒式换热器的左右两侧分别设有换热流体进口和换热流体出口，且所述圆筒式换热器的侧壁上设有至少两个第二物料进口；盘管式反应器，其包括盘管，所述盘管呈圆柱形螺旋状，所述盘管位于所述圆筒式换热器内，且所述盘管的轴线沿左右方向分布；所述盘管的左端与所述第一物料进口连通，所述盘管的右端与所述物料出口连通；所述盘管上设有两个各与一个所述第二物料进口连通的物料口；以及流体输送机，所述第一物料进口和两个所述第二物料进口各与一个所述流体输送机连通。
优选地，上述技术方案中，所述第二物料进口的数量至少为六个，其中四个所述第二物料进口设置于所述圆筒式换热器的上方且沿左右方向间隔分布，其余两个所述第二物料进口设置于所述圆筒式换热器的下方且沿左右方向间隔分布；所述盘管在与每个所述第二物料进口对应的位置上均设有所述物料口，且每个所述物料口与对应所述第二物料进口连通。
优选地，上述技术方案中，所述盘管的管径为3mm～100mm，所述盘管的圈数为1圈～500圈，所述盘管每圈的直径为50mm～1200mm。
优选地，上述技术方案中，所述圆筒式换热器的直径为70mm～1250mm，长度为500mm～60000mm。
优选地，上述技术方案中，所述圆筒式换热器内设有上下两排挡板组，每排所述挡板组包括多个沿左右方向间隔分布的挡板，且两排所述挡板组的所述挡板相互错开设置。
优选地，上述技术方案中，两个相邻所述挡板之间的距离为50mm～500mm。
一种如上所述自旋转床超/微重力-微界面反应装置的使用方法，包括以下步骤：
1)该反应装置用于烷基化反应，换热流体进口和换热流体出口与提供冷流体的装置连通，用于换热；与第一物料进口连接的流体输送机为第一流体输送机，与第二物料进口连接的流体输送机为第二流体输送机；第一流体输送机与提供硫酸或离子液体的装置连通，用于将硫酸或离子液体通过第一物料进口输送至盘管内；两个第二流体输送机分别与提供碳四烯烃的装置和提供碳四烷烃的装置连通，用于将碳四烯烃和碳四烷烃通过对应的第二物料进口输送至盘管内；而流体输送机输送的反应物料由β值大小确定反应物料流速，以使第一物料进口的硫酸或离子液体流速V、第二物料进口的碳四烯烃流速V以及另一个第二物料进口的碳四烷烃流速V均满足公式(3)；具体计算公式如下：
离心力加速度为G＝Rω2                    (1)
地球重力加速度为g＝9.81m/s2                  (2)
超/微重力因子
Figure BDA0004095338610000041
式中：G-离心力加速度，m/s2；
R-圆周运动半径，即盘管每一圈的半径，m；
g-地球重力加速度，m/s2；
ω-圆周运动角速度，即物料在盘管内运动的角速度，1/s；
β-超/微重力因子；
N-圆周运动转速，r/min；
π-圆周率；
V-圆周运动线速度，即物料在盘管内的流速，m/s；
其中，R为已知值，β取特定的数值，使得物料在盘管式反应器中呈微重或者超重状态；
2)从第一物料进口流入的硫酸或离子液体、从第二物料进口流入的碳四烯烃、以及从另一个第二物料进口流入的碳四烷烃，在盘管内进行混合和烷基化反应。
其中，当β＝1～50时为微重力场效应；当β＞50时为超重力场效应，由物料的黏度、密度、温度和化学反应特性选择β值大小。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明的反应物料经流体输送机增压后送入盘管式反应器内，物料在反应器内进行圆周旋转流动而产生离心力，在高速自旋转流动产生的离心力作用下，能够克服重力形成超/微重力-微界面场，从而使非均相反应物料形成毫米级或微米级小液滴和小气泡，将气液、气液液、气液固界面的集合尺度由毫-厘米级高效地调控为微米级，以强化流体相际间混合与反应过程协同-耦合作用，达到强化反应体系的传递效果；不需要利用专用机械设备以高速转动来驱动反应物料产生离心力，而是通过反应物料在反应装置内进行自身圆周旋转流动而产生超/微重力-微界面，以达到强化反应体系的传递过程，结构简单、制造容易、工作可靠、安装维护方便和操作简便，能够实现高效率、低能耗、低污染和低投入的工业生产目标。
2.本发明反应装置的使用方法简单方便，能够使多种物料在盘管内进行圆周旋转流动且维持超/微重力-微界面场状态混合并进行烷基化反应，增大反应体系气液相际的传递面积，促进反应进度。
附图说明
图1是根据本发明的自旋转床超/微重力-微界面反应装置的结构示意图。
图2是根据本发明的盘管式反应器的结构示意图。
图3是根据本发明的图2的左视示意图。
图4是根据本发明的用于烷基化反应的自旋转床超/微重力-微界面反应装置的结构示意图。
主要附图标记说明：
1-第一物料进口，2-盘管，3-换热流体进口，4-物料出口，5-挡板，6-圆筒式换热器，7-第二物料进口，8-第二流体输送机，9-换热流体出口，10-第一流体输送机，11-物料口。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
实施例1
图1至图4显示了根据本发明优选实施方式的一种自旋转床超/微重力-微界面反应装置的结构示意图，该反应装置包括圆筒式换热器6、盘管式反应器以及流体输送机。参考图1至图4，圆筒式换热器6的左右两端分别设有第一物料进口1和物料出口4，圆筒式换热器6的左右两侧分别设有换热流体进口3和换热流体出口9，反应在圆筒式换热器6进行，反应过程会放热或者吸热，冷或热流体进出圆筒式换热器6，实现控制反应的温度的目的。且换热流体进口3最好位于圆筒式换热器6的下方，换热流体出口9最好位于圆筒式换热器6的上方。且圆筒式换热器6的侧壁上设有至少两个第二物料进口7，便于反应物料的加入。盘管式反应器包括盘管2，盘管2呈圆柱形螺旋状，既能够增加换热面积，又能够使盘管2内物料进行圆周旋转流动。盘管2位于圆筒式换热器6内，且盘管2的轴线沿左右方向分布。盘管2的左端与第一物料进口1连通，盘管2的右端与物料出口4连通。盘管2上设有两个各与一个第二物料进口7连通的物料口11，以使多种物料能够在盘管2内混合。第一物料进口1和两个第二物料进口7各与一个流体输送机连通，用于输送物料的同时，还能够调整每个物料的流速。反应物料经流体输送机增压后高速送入盘管式反应器内，反应物料经流体输送机增压后高速送入盘管式反应器内，物料在反应器内进行圆周旋转流动而产生离心力，在高速自旋转流动产生的离心力作用下，能够克服重力形成超/微重力-微界面场，从而使非均相反应物料形成毫米级或微米级小液滴和小气泡，将气液、气液液、气液固界面的集合尺度由毫-厘米级高效地调控为微米级，以强化流体相际间混合与反应过程协同-耦合作用，达到强化反应体系的传递效果，不需要任何动力部件和设备，结构简单、制造容易、工作可靠、安装维护方便和操作简便，实现高效率、低能耗、低污染和低投入的工业生产目标；且该反应装置可广泛应用于氧化还原、催化加氢、酯化、缩合、烷基化、磺化、卤化、聚合、反应-吸收、反应-萃取、反应-结晶和液-液萃取等非均相反应-分离过程，实用性强。
参考图4，优选地，第二物料进口7的数量至少为六个，其中四个第二物料进口7设置于圆筒式换热器6的上方且沿左右方向间隔分布，其余两个第二物料进口7设置于圆筒式换热器6的下方且沿左右方向间隔分布。盘管2在与每个第二物料进口7对应的位置上均设有物料口11，且每个物料口11与对应的第二物料进口7连通。当反应装置用于烷基化反应时，流体输送机的数量为三个，与第一物料进口1连接的流体输送机用于输送硫酸或离子液体；另外两个流体输送机分别用于输送碳四烯烃和碳四烷烃。其中，位于上方且从左往右数的第一个第二物料进口7、第三个第二物料进口7、以及位于下方且从左往右数的第二个第二物料进口7均与用于输送碳四烯烃的流体输送机连接；位于上方且从左往右数的第二个第二物料进口7、第四个第二物料进口7、以及位于下方从左往右数的第一个第二物料进口7均与用于输送碳四烷烃的流体输送机连接，以使碳四烯烃和碳四烷烃能够在盘管2的不同位置加入到盘管2内，从而使反应物料能够充分混合反应。
参考图1至图4，优选地，盘管2的管径为3mm～100mm，盘管2的圈数为1圈～500圈，盘管2每圈的直径为50mm～1200mm。
参考图1至图4，优选地，圆筒式换热器6的直径为70mm～1250mm，长度为500mm～60000mm。
参考图1和图4，优选地，圆筒式换热器6内设有上下两排挡板组，每排挡板组包括多个沿左右方向间隔分布的挡板5，且两排挡板组的挡板5相互错开设置，以引导圆筒式换热器6内冷流体或热流体的流向，提高换热效果。进一步优选地，两个相邻挡板5之间的距离为50mm～500mm。
实施例2
参考图1至图4，利用实施例1的自旋转床超/微重力-微界面反应装置作为反应装置，一种自旋转床超/微重力-微界面反应装置的使用方法，操作步骤如下：
1)该反应装置用于烷基化反应，圆筒式换热器6的换热流体进口3和换热流体出口9与提供冷流体的装置连通，圆筒式换热器6的直径为140mm，长度为800mm。圆筒式换热器6内设有7块挡板5，相邻两块挡板5之间距离为100mm，用于冷却盘管2内的反应物料。而盘管2的管径为6mm，盘管2的圈数为10圈，盘管2每一圈的直径为100mm。其中，与第一物料进口1连接的流体输送机为第一流体输送机10，与第二物料进口7连接的流体输送机为第二流体输送机8。第一流体输送机10与提供硫酸或离子液体的装置连通，用于将硫酸或离子液体通过第一物料进口1输送至盘管2内；两个第二流体输送机8分别与提供碳四烯烃的装置和提供碳四烷烃的装置连通，用于将碳四烯烃和碳四烷烃通过对应的第二物料进口7输送至盘管2内。而流体输送机输送的反应物料由β值大小确定反应物料流速V，通过流体输送机的作用，将每个反应物料流速控制为2.22m/s，以使第一物料进口1的硫酸或离子液体流速V、第二物料进口7的碳四烯烃流速V以及另一个第二物料进口7的碳四烷烃流速V均符合公式(3)；具体计算公式如下：
离心力加速度为G＝Rω2         (1)
地球重力加速度为g＝9.81m/s2                    (2)
超/微重力因子
Figure BDA0004095338610000081
式中：G-离心力加速度，m/s2；R-圆周运动半径，即盘管每一圈的半径，m；g-地球重力加速度，m/s2；ω-圆周运动角速度，即物料在盘管内运动的角速度，1/s；β-超/微重力因子；N-圆周运动转速，r/min；π-圆周率；V-圆周运动线速度，即物料在盘管内的流速，m/s。
其中，β、r为已知值，β取特定的数值，使得物料在流体反应器中呈微重或者超重状态；当离心力加速度G是地球重力加速度g的1倍～50倍，即β＝1～50时为微重力场效应；当离心力加速度G大于地球重力加速度g的50倍时，即β＞50时为超重力场效应，由物料的黏度、密度、温度和化学反应特性选择β值大小；物料在超/微重力场下使非均相反应物料形成毫米级或微米级小液滴和小气泡，高效地促进非均相反应物料相际间混合和强化传递过程。
具体地，使各反应物料进入盘管2后处于微重状态，令β＝10，此时，G＝98.1m/s2，V＝2.22m/s，即为上述反应物料(硫酸或离子液体、碳四烯烃、碳四烯烃)进入盘管2的速度。
2)从第一物料进口1流入的硫酸或离子液体、从第二物料进口7流入的碳四烯烃、以及从另一个第二物料进口7流入的碳四烷烃，在盘管2内进行圆周旋转流动而产生离心力，在高速自旋转流动产生的离心力作用下，能够克服重力形成超/微重力-微界面场，达到强化反应体系的传递过程，并在此过程中使硫酸或离子液体、碳四烯烃和碳四烷烃进行充分混合反应，反应完成后，所得反应物从物料出口4排出；反应期间，冷流体从换热流体进口3进入，与盘管2内反应物料完成换热，再通过换热流体出口9流出，以冷却盘管2内的反应物料。
实施例3
参考图1和图4，利用实施例1的自旋转床超/微重力-微界面反应装置作为反应装置，一种自旋转床超/微重力-微界面反应装置的使用方法，操作步骤如下：
1)，该反应装置用于烷基化反应，圆筒式换热器6的换热流体进口3和换热流体出口9与提供冷流体的装置连通，圆筒式换热器6的直径为240mm，长度为1600mm，圆筒式换热器6内设有7块挡板5，相邻两块挡板5之间距离为200mm，用于冷却盘管2内的反应物料。盘管2的管径为10mm，盘管2的圈数为20圈，盘管2每一圈的直径为200mm。其中，与第一物料进口1连接的流体输送机为第一流体输送机10，与第二物料进口7连接的流体输送机为第二流体输送机8。第一流体输送机10与提供硫酸或离子液体的装置连通，用于将硫酸或离子液体通过第一物料进口1输送至盘管2内；两个第二流体输送机8分别与提供碳四烯烃的装置和提供碳四烷烃的装置连通，用于将碳四烯烃和碳四烷烃通过对应的第二物料进口7输送至盘管2内。而流体输送机输送的反应物料由β值大小确定反应物料流速V，通过流体输送机的作用，将每个反应物料流速控制为5.88m/s。以使第一物料进口1的硫酸或离子液体流速V、第二物料进口7的碳四烯烃流速V以及另一个第二物料进口7的碳四烷烃流速V均符合公式(3)；具体计算公式如下：
离心力加速度为G＝Rω2               (1)
地球重力加速度为g＝9.81m/s2                    (2)
超/微重力因子
Figure BDA0004095338610000091
式中：G-离心力加速度，m/s2；R-圆周运动半径，即盘管每一圈的半径，m；g-地球重力加速度，m/s2；ω-圆周运动角速度，即物料在盘管内运动的角速度，1/s；β-超/微重力因子；N-圆周运动转速，r/min；π-圆周率；V-圆周运动线速度，即物料在盘管内的流速，m/s。
其中，β、r为已知值，β取特定的数值，使得物料在流体反应器中呈微重或者超重状态；当离心力加速度G是地球重力加速度g的1倍～50倍，即β＝1～50时为微重力场效应；当离心力加速度G大于地球重力加速度g的50倍时，即β＞50时为超重力场效应，由物料的黏度、密度、温度和化学反应特性选择β值大小；物料在超/微重力场下使非均相反应物料形成毫米级或微米级小液滴和小气泡，高效地促进非均相反应物料相际间混合和强化传递过程。
具体地，使各反应物料进入盘管2后处于微重状态，令β＝35，此时，G＝343.35m/s2，V＝5.88m/s，即为上述反应物料(硫酸或离子液体、碳四烯烃、碳四烯烃)进入盘管2的速度。
2)从第一物料进口1流入的硫酸或离子液体、从第二物料进口7流入的碳四烯烃、以及从另一个第二物料进口7流入的碳四烷烃，在盘管2内进行圆周旋转流动而产生离心力，在高速自旋转流动产生的离心力作用下，能够克服重力形成超/微重力-微界面场，达到强化反应体系的传递过程，并在此过程中使硫酸或离子液体、碳四烯烃和碳四烷烃进行充分混合反应，反应完成后，所得反应物从物料出口4排出；反应期间，冷流体从换热流体进口3进入，与盘管2内反应物料完成换热，再通过换热流体出口9流出，以冷却盘管2内的反应物料。
实施例4
参考图1至图4，利用实施例1的自旋转床超/微重力-微界面反应装置作为反应装置，一种自旋转床超/微重力-微界面反应装置的使用方法，操作步骤如下：
1)，该反应装置用于烷基化反应，圆筒式换热器6的换热流体进口3和换热流体出口9与提供冷流体的装置连通，圆筒式换热器6的直径为550mm，长度为6000mm，圆筒式换热器6内设有14块挡板5，相邻两块挡板5之间距离为400mm，用于冷却盘管2内的反应物料。盘管2的管径为40mm，盘管2的圈数为100圈，盘管2每一圈的直径为500mm。其中，与第一物料进口1连接的流体输送机为第一流体输送机10，与第二物料进口7连接的流体输送机为第二流体输送机8。第一流体输送机10与提供硫酸或离子液体的装置连通，用于将硫酸或离子液体通过第一物料进口1输送至盘管2内；两个第二流体输送机8分别与提供碳四烯烃的装置和提供碳四烷烃的装置连通，用于将碳四烯烃和碳四烷烃通过对应的第二物料进口7输送至盘管2内。而流体输送机输送的反应物料由β值大小确定反应物料流速V，通过流体输送机的作用，将每个反应物料流速控制为12.66m/s，以使第一物料进口1的硫酸或离子液体流速V、第二物料进口7的碳四烯烃流速V以及另一个第二物料进口7的碳四烷烃流速V均符合公式(3)；具体计算公式如下：
离心力加速度为G＝Rω2                      (1)
地球重力加速度为g＝9.81m/s2  (2)
超/微重力因子
Figure BDA0004095338610000111
式中：G-离心力加速度，m/s2；R-圆周运动半径，即盘管每一圈的半径，m；g-地球重力加速度，m/s2；ω-圆周运动角速度，即物料在盘管内运动的角速度，1/s；β-超/微重力因子；N-圆周运动转速，r/min；π-圆周率；V-圆周运动线速度，即物料在盘管内的流速，m/s。
其中，β、r为已知值，β取特定的数值，使得物料在流体反应器中呈微重或者超重状态；当离心力加速度G是地球重力加速度g的1倍～50倍，即β＝1～50时为微重力场效应；当离心力加速度G大于地球重力加速度g的50倍时，即β＞50时为超重力场效应，由物料的黏度、密度、温度和化学反应特性选择β值大小；物料在超/微重力场下使非均相反应物料形成毫米级或微米级小液滴和小气泡，高效地促进非均相反应物料相际间混合和强化传递过程。
具体地，使各反应物料进入盘管2后处于超重状态，令β＝65，此时，G＝637.65m/s2，V＝12.66m/s，即为上述反应物料硫酸或离子液体、碳四烯烃、碳四烯烃)进入盘管2的速度。
2)从第一物料进口1流入的硫酸或离子液体、从第二物料进口7流入的碳四烯烃、以及从另一个第二物料进口7流入的碳四烷烃，在盘管2内进行圆周旋转流动而产生离心力，在高速自旋转流动产生的离心力作用下，能够克服重力形成超/微重力-微界面场，达到强化反应体系的传递过程，并在此过程中使硫酸或离子液体、碳四烯烃和碳四烷烃进行充分混合反应，反应完成后，所得反应物从物料出口4排出；反应期间，冷流体从换热流体进口3进入，与盘管2内反应物料完成换热，再通过换热流体出口9流出，以冷却盘管2内的反应物料。
实施例5
参考图1和图4，利用实施例1的自旋转床超/微重力-微界面反应装置作为反应装置，一种自旋转床超/微重力-微界面反应装置的使用方法，操作步骤如下：
1)，该反应装置用于烷基化反应，圆筒式换热器6的换热流体进口3和换热流体出口9与提供冷流体的装置连通，圆筒式换热器6的直径为960mm，长度为35000mm，圆筒式换热器6内设有69块挡板5，相邻两块挡板5之间距离为500mm，用于冷却盘管2内的反应物料。而盘管2的管径为10mm，盘管2的圈数为400圈，盘管2每一圈的直径为900mm。其中，与第一物料进口1连接的流体输送机为第一流体输送机10，与第二物料进口7连接的流体输送机为第二流体输送机8。第一流体输送机10与提供硫酸或离子液体的装置连通，用于将硫酸或离子液体通过第一物料进口1输送至盘管2内；两个第二流体输送机8分别与提供碳四烯烃的装置和提供碳四烷烃的装置连通，用于将碳四烯烃和碳四烷烃通过对应的第二物料进口7输送至盘管2内。而流体输送机输送的反应物料由β值大小确定反应物料流速V，通过流体输送机的作用，将每个反应物料流速控制为21.59m/s，以使第一物料进口1的硫酸或离子液体流速V、第二物料进口7的碳四烯烃流速V以及另一个第二物料进口7的碳四烷烃流速V均符合公式(3)；具体计算公式如下：
离心力加速度为G＝Rω2                       (1)
地球重力加速度为g＝9.81m/s2                    (2)
超/微重力因子
Figure BDA0004095338610000121
式中：G-离心力加速度，m/s2；R-圆周运动半径，即盘管每一圈的半径，m；g-地球重力加速度，m/s2；ω-圆周运动角速度，即物料在盘管内运动的角速度，1/s；β-超/微重力因子；N-圆周运动转速，r/min；π-圆周率；V-圆周运动线速度，即物料在盘管内的流速，m/s。
其中，β、r为已知值，β取特定的数值，使得物料在流体反应器中呈微重或者超重状态；当离心力加速度G是地球重力加速度g的1倍～50倍，即β＝1～50时为微重力场效应；当离心力加速度G大于地球重力加速度g的50倍时，即β＞50时为超重力场效应，由物料的黏度、密度、温度和化学反应特性选择β值大小；物料在超/微重力场下使非均相反应物料形成毫米级或微米级小液滴和小气泡，高效地促进非均相反应物料相际间混合和强化传递过程。
具体地，使各反应物料进入盘管2后处于超重状态，令β＝105，此时，G＝1030.05m/s2，V＝21.59m/s，即为上述反应物料(硫酸或离子液体、碳四烯烃、碳四烯烃)进入盘管2的速度。
2)从第一物料进口1流入的硫酸或离子液体、从第二物料进口7流入的碳四烯烃、以及从另一个第二物料进口7流入的碳四烷烃，在盘管2内进行圆周旋转流动而产生离心力，在高速自旋转流动产生的离心力作用下，能够克服重力形成超/微重力-微界面场，达到强化反应体系的传递过程，并在此过程中使硫酸或离子液体、碳四烯烃和碳四烷烃进行充分混合反应，反应完成后，所得反应物从物料出口4排出；反应期间，冷流体从换热流体进口3进入，与盘管2内反应物料完成换热，再通过换热流体出口9流出，以冷却盘管2内的反应物料。
实施例6
参考图1和图4，利用实施例1的自旋转床超/微重力-微界面反应装置作为反应装置，一种自旋转床超/微重力-微界面反应装置的使用方法，操作步骤如下：
1)，该反应装置用于烷基化反应，圆筒式换热器6的换热流体进口3和换热流体出口9与提供冷流体的装置连通，圆筒式换热器6的直径为1250mm，长度为5000mm，圆筒式换热器6内设有9块挡板5，相邻两块挡板5之间距离为500mm，用于冷却盘管2内的反应物料。而盘管2的管径为100mm，盘管2的圈数为30圈，盘管2每一圈的直径为1200mm。其中，与第一物料进口1连接的流体输送机为第一流体输送机10，与第二物料进口7连接的流体输送机为第二流体输送机8。第一流体输送机10与提供硫酸或离子液体的装置连通，用于将硫酸或离子液体通过第一物料进口1输送至盘管2内；两个第二流体输送机8分别与提供碳四烯烃的装置和提供碳四烷烃的装置连通，用于将碳四烯烃和碳四烷烃通过对应的第二物料进口7输送至盘管2内。而流体输送机输送的反应物料由β值大小确定反应物料流速V，通过流体输送机的作用，将每个反应物料流速控制为32.65m/s，以使第一物料进口1的硫酸或离子液体流速V、第二物料进口7的碳四烯烃流速V以及另一个第二物料进口7的碳四烷烃流速V均符合公式(3)；具体计算公式如下：
离心力加速度为G＝Rω2                       (1)
地球重力加速度为g＝9.81m/s2                   (2)
超/微重力因子
Figure BDA0004095338610000141
式中：G-离心力加速度，m/s2；R-圆周运动半径，即盘管每一圈的半径，m；g-地球重力加速度，m/s2；ω-圆周运动角速度，即物料在盘管内运动的角速度，1/s；β-超/微重力因子；N-圆周运动转速，r/min；π-圆周率；V-圆周运动线速度，即物料在盘管内的流速，m/s。
其中，β、r为已知值，β取特定的数值，使得物料在流体反应器中呈微重或者超重状态；当离心力加速度G是地球重力加速度g的1倍～50倍，即β＝1～50时为微重力场效应；当离心力加速度G大于地球重力加速度g的50倍时，即β＞50时为超重力场效应，由物料的黏度、密度、温度和化学反应特性选择β值大小；物料在超/微重力场下使非均相反应物料形成毫米级或微米级小液滴和小气泡，高效地促进非均相反应物料相际间混合和强化传递过程。
具体地，使各反应物料进入盘管后处于超重状态，令β＝180，此时，G＝1765.8m/s2，V＝32.65m/s，即为上述反应物料(硫酸或离子液体、碳四烯烃、碳四烯烃)进入盘管2的速度。
2)从第一物料进口1流入的硫酸或离子液体、从第二物料进口7流入的碳四烯烃、以及从另一个第二物料进口7流入的碳四烷烃，在盘管2内进行圆周旋转流动而产生离心力，在高速自旋转流动产生的离心力作用下，能够克服重力形成超/微重力-微界面场，达到强化反应体系的传递过程，并在此过程中使硫酸或离子液体、碳四烯烃和碳四烷烃进行充分混合反应，反应完成后，所得反应物从物料出口4排出；反应期间，冷流体从换热流体进口3进入，与盘管2内反应物料完成换热，再通过换热流体出口9流出，以冷却盘管2内的反应物料。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (8)

1.一种自旋转床超/微重力-微界面反应装置，其特征在于，包括：
圆筒式换热器，其左右两端分别设有第一物料进口和物料出口，所述圆筒式换热器的左右两侧分别设有换热流体进口和换热流体出口，且所述圆筒式换热器的侧壁上设有至少两个第二物料进口；
盘管式反应器，其包括盘管，所述盘管呈圆柱形螺旋状，所述盘管位于所述圆筒式换热器内，且所述盘管的轴线沿左右方向分布；所述盘管的左端与所述第一物料进口连通，所述盘管的右端与所述物料出口连通；所述盘管上设有两个各与一个所述第二物料进口连通的物料口；以及
流体输送机，所述第一物料进口和两个所述第二物料进口各与一个所述流体输送机连通。
2.根据权利要求1所述的自旋转床超/微重力-微界面反应装置，其特征在于，所述第二物料进口的数量至少为六个，其中四个所述第二物料进口设置于所述圆筒式换热器的上方且沿左右方向间隔分布，其余两个所述第二物料进口设置于所述圆筒式换热器的下方且沿左右方向间隔分布；所述盘管在与每个所述第二物料进口对应的位置上均设有所述物料口，且每个所述物料口与对应所述第二物料进口连通。
3.根据权利要求1所述的自旋转床超/微重力-微界面反应装置，其特征在于，所述盘管的管径为3mm～100mm，所述盘管的圈数为1圈～500圈，所述盘管每圈的直径为50mm～1200mm。
4.根据权利要求1所述的自旋转床超/微重力-微界面反应装置，其特征在于，所述圆筒式换热器的直径为70mm～1250mm，长度为500mm～60000mm。
5.根据权利要求1所述的自旋转床超/微重力-微界面反应装置，其特征在于，所述圆筒式换热器内设有上下两排挡板组，每排所述挡板组包括多个沿左右方向间隔分布的挡板，且两排所述挡板组的所述挡板相互错开设置。
6.根据权利要求5所述的自旋转床超/微重力-微界面反应装置，其特征在于，两个相邻所述挡板之间的距离为50mm～500mm。
7.一种如权利要求1所述的自旋转床超/微重力-微界面反应装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)该反应装置用于烷基化反应，换热流体进口和换热流体出口与提供冷流体的装置连通，用于换热；与第一物料进口连接的流体输送机为第一流体输送机，与第二物料进口连接的流体输送机为第二流体输送机；第一流体输送机与提供硫酸或离子液体的装置连通，用于将硫酸或离子液体通过第一物料进口输送至盘管内；两个第二流体输送机分别与提供碳四烯烃的装置和提供碳四烷烃的装置连通，用于将碳四烯烃和碳四烷烃通过对应的第二物料进口输送至盘管内；而流体输送机输送的反应物料由β值大小确定反应物料流速，以使第一物料进口的硫酸或离子液体流速V、第二物料进口的碳四烯烃流速V以及另一个第二物料进口的碳四烷烃流速V均满足公式(3)；具体计算公式如下：
离心力加速度为G＝Rω2    (1)
地球重力加速度为g＝9.81m/s2    (2)
超/微重力因子
Figure FDA0004095338600000021
式中：G-离心力加速度，m/s2；R-圆周运动半径，m；g-地球重力加速度，m/s2；ω-圆周运动角速度，1/s；β-超/微重力因子；N-圆周运动转速，r/min；π-圆周率；V-圆周运动线速度，m/s；
2)从第一物料进口流入的硫酸或离子液体、从第二物料进口流入的碳四烯烃、以及从另一个第二物料进口流入的碳四烷烃，在盘管内进行混合和烷基化反应。
8.根据权利要求7所述的自旋转床超/微重力-微界面反应装置的使用方法，其特征在于，当β＝1～50时为微重力场效应；当β＞50时为超重力场效应，由物料的黏度、密度、温度和化学反应特性选择β值大小。
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