[发明专利]一种管道超声反应器

说明书

本发明涉及超声反应设备技术领域，公开了一种管道超声反应器，包括流体管道和超声发生机构，超声发生机构布置在流体管道的外部，流体管道的内壁上布置有用于吸附气泡核的粗糙面，粗糙面的粗糙度Ra为1－200um，超声发生机构产生的超声频率f为10－1000kHz，粗糙面的粗糙度与超声发生机构产生的超声频率的乘积为0.01－100mm·kHz。在流体管道的内壁上布置有粗糙面，粗糙面的粗糙度Ra为1－200um，该粗糙度下的粗糙面极易吸附、束缚大量微小的气泡核，气泡核在超声作用下形成大量的空化气泡，从而增强了超声的混合效果，同时摩擦面成型在流体管道的内壁上，避免在流体管道的内部放置填充物，不会增加流体管道内部结构的复杂性而导致压降，避免流体在流体管道内发生堵塞。

技术领域

本发明涉及超声反应设备技术领域，特别是涉及一种管道超声反应器。

背景技术

基于微小管道的连续式反应器由于传热传质速度快、多相流行可控、过程安全、设备成本低、操作简单、快速放大等优点，在精细化学品和医药材料合成领域正在得到了广泛应用，然而这些管式反应器也存在对流混合弱、容易被固体堵塞等问题，特别是在流速比较低、流动状态未达到湍流的情况下。

为了增强管道内流体的混合，常见的做法是在管道内设置一些混合结构，如将管道弯折、变形，或者在管道内布置静态混合构件、挡板等，这些混合结构在流体经过时能切割流体或产生局部涡流，达到增强流体混合的效果。这种混合方法通常称作被动式混合，但是该方法有几个缺点，首先，微小管道本身就很容易被固体颗粒物堵塞，设置这些混合结构会进一步增加管道堵塞的风险；其次，这种混合方法极度依赖流体的流速，只有在流速较大时才有较好的混合效果，导致其操作弹性差、操作窗口窄，不利于流体停留时间较长的过程。

主动式混合器通过外场来强化管道内的流体混合，混合效果主要由外场强度决定，不依赖于流体流速，因此流体混合效果和停留时间可以分开调节，操作区间大、弹性好，同时适合低流速或高流速操作。在多种主动式混合器中，基于超声的管式混合器最有前景，因为超声是一种机械波，安全可靠；同时超声清洗机等设备已经在工业界大规模实用，产生超声的设备技术成熟、成本低。目前已有多个专利公开了不同结构的超声管式反应器设备，如中国专利201410103187.8，世界专利WO2011023761、WO2017144720A1，德国专利DE10243837A1，这些设备已被广泛用于化工、食品、医药等行业，用来强化流体的混合与分散。

超声强化流体混合的原理是在超声作用下，管道内的流体中溶解的小气泡或者管壁粘附的气泡核生长形成空化气泡，空化气泡在管内剧烈振动、跳动，像一个搅拌子一样产生强劲的扰动和涡流，从而快速混合流体。然而，由于流体中溶解的和管壁粘附的气泡核数目有限，导致超声作用下产生的空化气泡较少，混合效果仍有进一步提升的空间。在1mm的管道中，超声作用下流体的混合时间(将两股不同流体混合均匀所需要的时间)为0.2－1s，比没有超声时的混合时间(20－30s)要快两个数量级。然而0.2－1s的混合时间仍不能满足一些快速化学反应的要求，如一些沉淀、硝化、自由基反应等，反应时间在10－100ms量级，这些反应需要流体的混合时间与该量级相当或小于该量级，而现有的超声混合方法无法满足这个要求。

为了进一步增强超声对管道内流体的混合效果，中国专利201410102972.1在管道中通过一个或者几个入口通入气体，在管道内形成大量尺寸均匀的气泡，这些气泡在超声作用下产生与空化气泡相同的振荡和混合效果。然而，在常见的超声频率范围(20－200kHz)下，能产生显著超声空化效应的气泡尺寸在10－300um范围。在管道中生成如此小的气泡是不容易的。

中国专利202010516802.3在管道中放置多孔固体填充物，在超声的作用下，固体填充物表面粘附的小气泡核在超声作用下形成空化气泡，从而增加了超声空化气泡的数量和混合效果，另外多孔固体填充物作为静态混合内构件，也可以扰动和分割流体，因此在固体填充物和超声的协同作用下流体能实现快速混合。虽然该方法混合效果非常好，但固体填充物放置在管道中会增加了管道结构的复杂性，同时增大流体流经管道的压降，对于管道直径较小的反应器会出现堵塞的风险。