CN111760544B - 连续式活塞流漩涡流反应装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续式活塞流漩涡流反应装置，连续式活塞流漩涡流反应装置、硝化反应装置、氟化铵生产装置和硫酸钠与氯化钠分离系统。本发明的连续式活塞流漩涡流反应装置，包含：反应模块，反应模块的输入端输入物料，反应模块的输出端输出经反应后的产品；活塞装置，活塞装置与反应模块并联，活塞装置的一端与反应模块的输入端相连通，活塞装置的另一端与活塞装置的输出端相连通，用于提供活塞推拉动力使物料流动并充分混合、反应；换热模块，换热模块设置在反应模块中，用于调节反应模块中的反应温度。本发明体积紧凑，大大节约了占地面积，并且简单可靠易维护；同时，工艺时间大幅缩短，效率更高且易于控制。

Description

连续式活塞流漩涡流反应装置

技术领域

本发明涉及物料换热、混合、反应合成及结晶技术领域，特别涉及一种连续式活塞流漩涡流反应装置、硝化反应装置、氟化铵生产装置和硫酸钠与氯化钠分离系统。

背景技术

目前，传统物料的混合、反应、及结晶的主要设备是反应釜，通过反应釜的搅拌及反应釜夹套加热或冷却以达到物料混合、反应、及结晶处理目的。实际上物料在传统的反应釜内的流动状态都是层流状态，传质非常不均匀，且加热或冷却温度曲线无法得到精确控制。

传统物料混合、反应、及结晶所用的反应釜还存在如下缺点：

1、物料只能批次性配料处理，无法连续式计量生产。

2、物料在反应釜内传质差，处理速率不高。

3、针对高温、高压、危险物料的反应合成，反应釜设备造价高昂，且操作环境危险。

4、针对含气相、固相等多物料混合反应，反应釜需配置专用的搅拌、均质机构，由此导致基本反应单元设备庞杂。

5、产品工艺线配套较多的反应釜造成物料生产工艺系统庞杂，占地空间大，且需要配置专用的就位清洗系统，导致生产设备投入、运行成本及人工成本高昂。

发明内容

根据本发明实施例，提供了一种连续式活塞流漩涡流反应装置，包含：

反应模块，反应模块的输入端输入物料，反应模块的输出端输出经反应后的产品；

活塞装置，活塞装置与反应模块并联，活塞装置的一端与反应模块的输入端相连通，活塞装置的另一端与活塞装置的输出端相连通，用于提供活塞推拉动力使物料流动并充分混合、反应；

换热模块，换热模块设置在反应模块中，用于调节反应模块中的反应温度。

进一步，反应模块包含：若干个串联的反应管，串联的首个反应管的输入端输入物料并与活塞装置的一端相连通，串联的最后的反应管的输出端输出反应后的产品并与活塞装置的另一端相连通。

进一步，反应管包含：

管体；

反应芯体，反应芯体固定设置在管体内部；

物料进口，物料进口设置在管体上，用于输入物料；

物料出口，物料出口设置在管体上，用于输出物料或输出反应后的产品；

保温层，保温层包裹在管体的外表面。

进一步，反应管还包含：过程分析接口，过程分析接口设置在管体上，用于对反应管中的反应进行观察和过程分析。

进一步，还包含：传感器，传感器设置在过程分析接口，用于采集反应管中的反应数据和状态。

进一步，反应芯体包含：

若干块震荡板，若干块震荡板平行设置在管体内部，若干块震荡板将管体的内部沿管体的径向分隔成若干段；

多根震荡板固定杆，每根震荡板固定杆沿管体的径向，穿过并固定若干块震荡板；

一对管板，一对管板分别设置在管体的两端。

进一步，换热模块包含：若干个全部或部分串联的换热模组，每个换热模组设置在反应管中，换热模组用于流通换热介质，换热模组的串联方向与反应管的串联方向相同。

进一步，换热模组包含：

若干根换热管，若干根换热管沿管体的径向穿过若干块震荡板，每根换热管的两端分别穿过一对管板；

一对封头组件，一对封头组件分别连接在一对管板的外侧，一对封头组件分别与每根换热管的两端相连通。

进一步，封头组件包含：封头和封头接管，封头用于连通换热管，封头接管用于输入或输出换热介质。

进一步，每块震荡板都设有若干通孔，若干通孔分别用于穿设震荡板固定杆和换热管，以及用于物料流通。

根据本发明又一实施例，提供了一种硝化反应装置，包含上述任一项连续式活塞流漩涡流反应装置，还包含：分离过滤回路，分离过滤回路与活塞装置以及反应模块相并联，分离过滤回路的两端分别与活塞装置的两端相连通。

进一步，分离过滤回路包含：分离过滤器，分离过滤器的两端通过管道分别与活塞装置的两端相连通，用于将反应模块中反应后的产品进行固液分离，收集固体产品并将废酸重新回收进入反应模块中。

根据本发明又一实施例，提供了一种氟化铵生产装置，包含上述任一项连续式活塞流漩涡流反应装置，还包含：氟化铵分离过滤回路，氟化铵分离过滤回路与活塞装置以及反应模块相并联，氟化铵分离过滤回路的两端分别与活塞装置的两端相连通。

进一步，氟化铵分离过滤回路包含：氟化铵分离过滤器，氟化铵分离过滤器的两端通过管道分别与活塞装置的两端相连通，用于将反应模块中反应后的产品进行固液分离，收集固体产品并将废酸重新回收进入反应模块中。

根据本发明再一实施例，提供了一种硫酸钠与氯化钠分离系统，包含串联的氯化钠分离装置和硫酸钠分离装置；

氯化钠分离装置包含上述任一项连续式活塞流漩涡流反应装置和氯化钠分离过滤器，氯化钠分离过滤器的输入端与连续式活塞流漩涡流反应装置的反应模块的输出端相连，氯化钠分离过滤器用于将反应模块中反应后的产品进行固液分离，收集固体氯化钠并将盐水重新回收进入硫酸钠分离装置中；

硫酸钠分离装置包含另一个上述任一项连续式活塞流漩涡流反应装置和硫酸钠分离过滤器，另一个连续式活塞流漩涡流反应装置的反应模块的输入端与氯化钠分离过滤器的输出端相连，另一个连续式活塞流漩涡流反应装置的反应模块的输出端与硫酸钠分离过滤器的输入端相连，硫酸钠分离过滤器用于将产品进行固液分离，收集固体硫酸钠并将盐水排出。

根据本发明实施例的连续式活塞流漩涡流反应装置，体积紧凑，大大节约了占地面积，并且简单可靠易维护；同时，工艺时间大幅缩短，效率更高且易于控制。

要理解的是，前面的一般描述和下面的详细描述两者都是示例性的，并 且意图在于提供要求保护的技术的进一步说明。

附图说明

图1为根据本发明实施例连续式活塞流漩涡流反应装置的结构示意图；

图2为图1中反应模块和换热模块的结构示意图；

图3为图2中的外壳示意图；

图4为图2中的内部示意图；

图5为图1中震荡板的结构示意图；

图6为根据本发明实施例连续式活塞流漩涡流反应装置的物料流型示意图；

图7为根据本发明实施例连续式活塞流漩涡流反应装置应用于生物酶蛋白合成生产的结构示意图；

图8为根据本发明实施例硝化反应装置的结构示意图；

图9为根据本发明实施例氟化铵生产装置的结构示意图；

图10为根据本发明实施例硫酸钠与氯化钠分离系统的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，详细描述本发明的优选实施例，对本发明做进一步阐述。

首先，将结合图1~7描述根据本发明实施例的连续式活塞流漩涡流反应装置，用于化学反应，应用场景很广。

如图1所示，本发明实施例的连续式活塞流漩涡流反应装置，具有反应模块1、活塞装置2和换热模块3。

具体地，如图1所示，反应模块1的输入端输入物料，反应模块1的输出端输出经反应后的产品，具有：若干个串联的反应管11，串联的首个反应管11的输入端输入物料并与活塞装置2的一端相连通，串联的最后的反应管11的输出端输出反应后的产品并与活塞装置2的另一端相连通，体积紧凑，大大节约了占地面积，并且简单可靠易维护。

进一步，如图2~4所示，反应管11包含：管体111、反应芯体112、物料进口113、物料出口114和保温层115，其中，反应芯体112固定设置在管体111内部；物料进口113设置在管体111上，用于输入物料；物料出口114设置在管体111上，用于输出物料或输出反应后的产品；保温层115包裹在管体111的外表面。

进一步，如图1~3所示，反应管11还包含：过程分析接口116，过程分析接口116设置在管体111上，用于对反应管11中的反应进行观察和过程分析。在本实施例中，本发明实施例的连续式活塞流漩涡流反应装置，还具有传感器4，传感器4设置在过程分析接口116，采用过程分析技术，用于采集反应管11中的反应数据和状态，比如：原材料、中间体及最终产物的数据，以便于了解工艺变量对于基于物理、化学、生物系统的影响方式，为未知中间体、机理与终点的检测提供了机会，可在研发、放大生产与工艺控制过程中采用。

进一步，如图2、4所示，反应芯体112包含：若干块震荡板1121、多根震荡板固定杆1122、一对管板1123。其中，若干块震荡板1121平行设置在管体111内部，若干块震荡板1121将管体111的内部沿管体111的径向分隔成若干段，因此，多个震荡板1121之间就相当于形成了多个串联的小反应釜；每根震荡板固定杆1122沿管体111的径向，穿过并固定若干块震荡板1121；一对管板1123分别设置在管体111的两端。

具体地，如图1所示，活塞装置2与反应模块1并联，活塞装置2的一端与反应模块1的输入端相连通，活塞装置2的另一端与活塞装置2的输出端相连通，用于提供活塞推拉动力使物料流动并充分混合、反应。

具体地，如图1、2、4所示，换热模块3设置在反应模块1中，用于调节反应模块1中的反应温度，具有：若干个全部或部分串联的换热模组31，每个换热模组31设置在反应管11中，换热模组31用于流通换热介质，换热模组31的串联方向与反应管11的串联方向相同，进一步使得体积紧凑，简单可靠易维护。在本实施例中，当所有换热模组31全部串联时，采用同一种换热介质；当多个换热模组31部分串联时，相互串联的部分采用同一种换热介质，根据需要采用不同种换热介质，以达到更好的换热效果。

进一步，如图1、2、4所示，换热模组31包含：若干根换热管311、一对封头组件312。

其中，如图1、2、4所示，若干根换热管311沿管体111的径向穿过若干块震荡板1121，每根换热管311的两端分别穿过一对管板1123，因此，由于换热管311的分割，从而使得任意两个震荡板1121之间相当于形成了多个并联的小反应釜，而多个震荡板1121之间相当于形成了多个串联的小反应釜，再加上活塞装置2的主动混合，如图6所示，从而使物料流体在反应芯体112处以活塞流及漩涡流形式进行充分反应，而活塞流传质效果相当于多个连续釜式反应器串联，混合次数及传质速率均高于大型釜式反应器的1~2个数量级，且流体分散系数小，停留时间宽泛10s-10h，可以顺流反应，也可以逆流反应，从而使得工艺时间大幅缩短，效率更高且易于控制。

如图1、2、4所示，一对封头组件312分别连接在一对管板1123的外侧，一对封头组件312分别与每根换热管311的两端相连通，在本实施例中，封头组件312具有：封头3121和封头接管3122，封头3121用于连通换热管311，封头接管3122用于输入或输出换热介质。在生产伴有放热或吸热反应的物料时，适当的控制反应可以防止形成热点或冷点，物料在反应芯体112处以活塞流及漩涡流形式流动有效提升了物料与换热管311内换热介质之间换热系数，可以精确控温解决温度梯度问题，并且可以通过对换热介质流通通道的隔离、串联、并联以灵活设置温区，实现多种类型的升温或降温曲线。

进一步，如图5所示，每块震荡板1121都设有若干通孔11211，若干通孔11211分别用于穿设震荡板固定杆1122和换热管311，以及用于物料流通。

当工作时，如图7所示，以生物酶蛋白合成生产工艺为例，将三种物料从物料进口113进入由管体111、管板1123、震荡板1121、震荡板固定杆1122、换热管311构成的腔室以内，并在腔室内震荡板1121上的通孔处作往复运动，从而完成混合、换热、反应、结晶等过程，并通过物料出口114排出，其中，换热介质通过封头3121和封头接管3122进入换热管311内，经过反应芯体112另一端的封头3121和封头接管3122流出，完成换热过程。

如上，在根据本发明实施例的连续式活塞流漩涡流反应装置中，体积紧凑，大大节约了占地面积，并且简单可靠易维护；同时，工艺时间大幅缩短，效率更高且易于控制。

以上结合附图1~7描述了根据本发明实施例的连续式活塞流漩涡流反应装置。进一步地，本发明还可以应用于硝化反应装置。

如图8所示，本发明实施例的硝化反应装置，具有上述实施例的连续式活塞流漩涡流反应装置，还包含：分离过滤回路5，其与活塞装置2以及反应模块1相并联，其两端分别与活塞装置2的两端相连通。在本实施例中，连续式活塞流漩涡流反应装置的工作原理与本发明实施例的连续式活塞流漩涡流反应装置相同，此处不再赘述。

进一步，如图8所示，分离过滤回路5包含：分离过滤器51，其两端通过管道分别与活塞装置2的两端相连通，用于将反应模块1中反应后的产品进行固液分离。

如图8所示，硝化反应是向有机物分子中引入硝基的反应过程，硝化是强放热反应，其放热集中，当工作时，将混酸和苯送入连续式活塞流漩涡流反应装置，完成物料换热、反应合成，并通过传感器4对物料换热、反应合成过程中温度、压力参数进行监控以实现控制，由于硝化是放热反应，而且反应速率快，通过连续式活塞流漩涡流反应装置的换热模块3，能够保持一定的硝化温度，从而避免生成多硝基物和氧化等副反应。反应后，通过分离过滤器51进行固液分离，通过收集槽收集固体分离出的硝基苯，并将废酸重新回收进入反应模块1中。

以上结合附图8描述了根据本发明实施例的硝化反应装置。进一步地，本发明还可以应用于氟化铵生产装置。

如图9所示，本发明实施例的氟化铵生产装置，包含上述实施例的连续式活塞流漩涡流反应装置，还包含：氟化铵分离过滤回路6，其与活塞装置2以及反应模块1相并联，其两端分别与活塞装置2的两端相连通。在本实施例中，连续式活塞流漩涡流反应装置的工作原理与本发明实施例的连续式活塞流漩涡流反应装置相同，此处不再赘述。

进一步，如图9所示，氟化铵分离过滤回路6包含：氟化铵分离过滤器61，其两端通过管道分别与活塞装置2的两端相连通，用于将反应模块1中反应后的产品进行固液分离。

当工作时，如图9所示，将物料HF与氨气输入连续式活塞流漩涡流反应装置，经换热、反应合成过程后，并通过传感器4对物料换热、反应合成过程中温度、压力、PH参数进行监控以实现控制，在本实施例中，连续式活塞流漩涡流反应装置中采用两种换热介质对物料进行换热。反应后，通过氟化铵分离过滤器61进行固液分离，再通过收集槽收集分离出的氟化铵结晶体，并将废酸重新回收进入反应模块1中。

以上结合附图9描述了根据本发明实施例的氟化铵生产装置。进一步地，本发明还可以应用于硫酸钠与氯化钠分离系统。

如图10所示，本发明实施例的硫酸钠与氯化钠分离系统，具有串联的氯化钠分离装置7和硫酸钠分离装置8；

氯化钠分离装置7包含上述实施例的连续式活塞流漩涡流反应装置和氯化钠分离过滤器71，氯化钠分离过滤器71的输入端与连续式活塞流漩涡流反应装置的反应模块1的输出端相连。

硫酸钠分离装置8包含另一个上述实施例的连续式活塞流漩涡流反应装置和硫酸钠分离过滤器81，另一个连续式活塞流漩涡流反应装置的反应模块1的输入端与氯化钠分离过滤器71的输出端相连，另一个连续式活塞流漩涡流反应装置的反应模块1的输出端与硫酸钠分离过滤器81的输入端相连。

当工作时，如图10所示，将氯化钠、硫酸钠过饱和液输入氯化钠分离装置7的连续式活塞流漩涡流反应装置中，经反应后，由氯化钠分离过滤器71将反应模块1中反应后的产品进行固液分离，收集固体氯化钠并将盐水输入硫酸钠分离装置8中，再经硫酸钠分离装置8的连续式活塞流漩涡流反应装置反应，经反应后，硫酸钠分离过滤器81将产品进行固液分离，收集固体硫酸钠并将盐水排出。

以上，参照图1~10描述了根据本发明实施例的连续式活塞流漩涡流反应装置，体积紧凑，大大节约了占地面积，并且简单可靠易维护；同时，工艺时间大幅缩短，效率更高且易于控制。

需要说明的是，在本说明书中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包含……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种连续式活塞流漩涡流反应装置，其特征在于，包含：

反应模块，所述反应模块的输入端输入物料，所述反应模块的输出端输出经反应后的产品；

活塞装置，所述活塞装置与所述反应模块并联，所述活塞装置的一端与所述反应模块的输入端相连通，所述活塞装置的另一端与所述活塞装置的输出端相连通，用于提供活塞推拉动力使物料流动并充分混合、反应；

换热模块，所述换热模块设置在所述反应模块中，用于调节所述反应模块中的反应温度；

所述反应模块包含若干个串联的反应管，串联的首个所述反应管的输入端输入物料并与所述活塞装置的一端相连通，串联的最后的所述反应管的输出端输出反应后的产品并与所述活塞装置的另一端相连通；

所述反应管包含，

管体；

反应芯体，所述反应芯体固定设置在所述管体内部；

物料进口，所述物料进口设置在所述管体上，用于输入物料；

物料出口，所述物料出口设置在所述管体上，用于输出物料或输出反应后的产品；

保温层，所述保温层包裹在所述管体的外表面；

所述反应芯体包含，

若干块震荡板，所述若干块震荡板平行设置在所述管体内部，所述若干块震荡板将所述管体的内部沿所述管体的径向分隔成若干段；

多根震荡板固定杆，所述每根震荡板固定杆沿所述管体的径向，穿过并固定所述若干块震荡板；

一对管板，所述一对管板分别设置在所述管体的两端；

所述换热模块包含若干个全部或部分串联的换热模组，所述每个换热模组设置在所述反应管中，所述换热模组用于流通换热介质，所述换热模组的串联方向与所述反应管的串联方向相同；

所述换热模组包含，

若干根换热管，所述若干根换热管沿所述管体的径向穿过所述若干块震荡板，所述每根换热管的两端分别穿过所述一对管板；

一对封头组件，所述一对封头组件分别连接在所述一对管板的外侧，所述一对封头组件分别与所述每根换热管的两端相连通；

所述每块震荡板都设有若干通孔，所述若干通孔分别用于穿设所述震荡板固定杆和所述换热管，以及用于物料流通。

2.如权利要求1所述连续式活塞流漩涡流反应装置，其特征在于，所述反应管还包含：过程分析接口，所述过程分析接口设置在所述管体上，用于对所述反应管中的反应进行观察和过程分析。

3.如权利要求2所述连续式活塞流漩涡流反应装置，其特征在于，还包含：传感器，所述传感器设置在所述过程分析接口，用于采集所述反应管中的反应数据和状态。

4.如权利要求1所述连续式活塞流漩涡流反应装置，其特征在于，所述封头组件包含：封头和封头接管，所述封头用于连通所述换热管，所述封头接管用于输入或输出换热介质。

5.一种硝化反应装置，其特征在于，包含权利要求1~4任一项所述连续式活塞流漩涡流反应装置，还包含：分离过滤回路，所述分离过滤回路与所述活塞装置以及所述反应模块相并联，所述分离过滤回路的两端分别与所述活塞装置的两端相连通。

6.如权利要求5所述硝化反应装置，其特征在于，所述分离过滤回路包含：分离过滤器，所述分离过滤器的两端通过管道分别与所述活塞装置的两端相连通，用于将所述反应模块中反应后的产品进行固液分离，收集固体产品并将废酸重新回收进入所述反应模块中。

7.一种氟化铵生产装置，其特征在于，包含权利要求1~4任一项所述连续式活塞流漩涡流反应装置，还包含：氟化铵分离过滤回路，所述氟化铵分离过滤回路与所述活塞装置以及所述反应模块相并联，所述氟化铵分离过滤回路的两端分别与所述活塞装置的两端相连通。

8.如权利要求7所述氟化铵生产装置，其特征在于，所述氟化铵分离过滤回路包含：氟化铵分离过滤器，所述氟化铵分离过滤器的两端通过管道分别与所述活塞装置的两端相连通，用于将所述反应模块中反应后的产品进行固液分离，收集固体产品并将废酸重新回收进入所述反应模块中。

9.一种硫酸钠与氯化钠分离系统，其特征在于，包含串联的氯化钠分离装置和硫酸钠分离装置；

所述氯化钠分离装置包含权利要求1~4任一项所述连续式活塞流漩涡流反应装置和氯化钠分离过滤器，所述氯化钠分离过滤器的输入端与所述连续式活塞流漩涡流反应装置的反应模块的输出端相连，所述氯化钠分离过滤器用于将所述反应模块中反应后的产品进行固液分离，收集固体氯化钠并将盐水重新回收进入所述硫酸钠分离装置中；

所述硫酸钠分离装置包含另一个权利要求1~4任一项所述连续式活塞流漩涡流反应装置和硫酸钠分离过滤器，所述另一个连续式活塞流漩涡流反应装置的反应模块的输入端与所述氯化钠分离过滤器的输出端相连，所述另一个连续式活塞流漩涡流反应装置的反应模块的输出端与所述硫酸钠分离过滤器的输入端相连，所述硫酸钠分离过滤器用于将产品进行固液分离，收集固体硫酸钠并将盐水排出。