阅读说明：本技术 一种超声强化撞击流反应系统及其工艺方法 (Ultrasonic reinforced impinging stream reaction system and process method thereof ) 是由 曾宏伟 陈律名 于 2021-10-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种超声强化撞击流反应系统,包括第一反应液原液桶、第二反应液原液桶、产物桶、蠕动泵、可见光分光光度计、超声波发生装置、泰勒反应器和撞击流反应器；所述撞击流反应器的下端两侧分别设有第一进口和第二进口,下方为出口,第一反应液原液桶通过蠕动泵与第一进口连接,第二反应液原液桶通过蠕动泵与第二进口连接,超声变幅杆的一端从撞击流反应器的上端插入,另一端与超声波发生装置连接,反应器出口与泰勒反应器连接,然后通入产物桶与可见光分光光度计连接。本发明超声的引入可以对撞击滞流区产生一个强扰动,有效改善撞击流反应器内的混合效果,达到强化反应的作用。同时引入泰勒反应器,对于反应的传质有很好的强化作用。(The invention discloses an ultrasonic-enhanced impinging stream reaction system, which comprises a first reaction liquid stock solution barrel, a second reaction liquid stock solution barrel, a product barrel, a peristaltic pump, a visible spectrophotometer, an ultrasonic generating device, a Taylor reactor and an impinging stream reactor; the two sides of the lower end of the impinging stream reactor are respectively provided with a first inlet and a second inlet, an outlet is arranged below the impinging stream reactor, a first reaction liquid stock solution barrel is connected with the first inlet through a peristaltic pump, a second reaction liquid stock solution barrel is connected with the second inlet through the peristaltic pump, one end of an ultrasonic amplitude transformer is inserted from the upper end of the impinging stream reactor, the other end of the ultrasonic amplitude transformer is connected with an ultrasonic generating device, the outlet of the reactor is connected with a Taylor reactor, and then the ultrasonic amplitude transformer is introduced into a product barrel to be connected with a visible light spectrophotometer. The introduction of the ultrasonic wave can generate strong disturbance to the impact stagnant zone, effectively improve the mixing effect in the impact flow reactor and achieve the effect of enhancing the reaction. Meanwhile, the Taylor reactor is introduced, so that the mass transfer of the reaction is well enhanced.)

一种超声强化撞击流反应系统及其工艺方法

技术领域

本发明属于反应器开发和化工流体力学领域，其具体涉及一种超声强化撞击流反应系统及其工艺方法。

背景技术

撞击流反应器自问世以来，因其具有良好的传递特性以及优异的混合效果，已广泛应用于混合、液相萃取、吸收与解吸、超细粉体和纳米材料的制备等工业过程，其中流动和混合对该型反应器中的沉淀和结晶反应有着重要的影响。

但在传统的撞击流反应中，在撞击区域的上端会有一个明显的滞流区(如图3所示)，导致撞击流反应不充分，从而使得反应产物的粒径偏大，在某些对产品粒径要求较高的应用领域，如某些催化剂及超细粉体制备领域的产品性能不高，从而使得撞击流反应器应用受到一定的限制，因此亟待开发一种强化撞击流反应器内反应物混合效果及反应程度，提高产物性能的装置。近年来，过程强化得到了越来越多的重视，因此各国学者通过对多种反应器进行开发研究，来强化传递过程，目前成为研究的热点。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种超声强化撞击流反应系统及其工艺方法，该反应系统通过在撞击流反应器内引入超声场以及泰勒反应器来进一步强化微观混合性能。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种超声强化撞击流反应系统，包括第一反应液原液桶、第二反应液原液桶、产物桶、蠕动泵、可见光分光光度计、超声波发生装置、超声变幅杆、泰勒反应器和撞击流反应器；所述撞击流反应器的下端两侧分别设有第一进口和第二进口，撞击流反应器的下方为撞击流反应器的出口，第一反应液原液桶通过蠕动泵与第一进口连接，第二反应液原液桶通过蠕动泵与第二进口连接，超声变幅杆的一端从撞击流反应器的上端插入撞击流反应器中，另一端与超声波发生装置连接，出口与泰勒反应器连接，泰勒反应器出口通入产物桶与可见光分光光度计连接。

进一步地，撞击流反应器的内部上方设有固定结构，用于固定超声变幅杆。

进一步地，所述的第一进口与蠕动泵的连接处、第二进口与蠕动泵的连接处、出口处皆设有压力表。

进一步地，泰勒反应器上方有一个可根据需求所配备的电动机，根据需求选定电动机的型号。

本发明还提供了上述超声强化撞击流反应系统的工艺方法，主要包括如下步骤：

(1)配置所需要的酸、碱反应原液，置于第一反应液原液桶、第二反应液原液桶；

(2)打开超声波发生装置，设置好超声波发生装置的超声输出功率；

(3)根据所需的雷诺数Re，调整蠕动泵的流量；

(4)打开两台蠕动泵，使得酸碱反应液在撞击流反应器的中间部位产生撞击发生反应；

(5)同时根据所需的速度调节泰勒反应器的电动机转速；

(6)待流量流动稳定后，从产物桶取出产物，用可见光分光光度计检测产物中目标产物的浓度；

(7)根据不同的雷诺数Re，进行多次实验，测得所需要的产物浓度值。

本发明采用超声来提高撞击流反应器的微观混合形成，因为超声具有高穿透性、高能量密度、工艺方便和安全可靠等诸多优点被视为增加微反应器内混合传质性能的优秀手段，其主要通过超声空化效应在空化气泡振动(稳态空化)或空化气泡崩溃(瞬态空化)时对周围流场产生剧烈声流涡旋引起流体湍动从而强化混合与传质。

当超声作用与撞击流反应器相结合时，由于超声的空化效应，可进一步强化撞击流反应器内的混合效果，使得产物更好。最明显的效果为超细粉体的颗粒直径将会更小，当制备催化剂材料时，可提高其比表面积。

而泰勒反应器是基于泰勒涡流原理制得的一类反应器。在相对旋转的两同轴筒体之间(通常情况为内圆筒旋转而外圆筒静止)，当内圆通转速高于某个临界速度后，离心力作用将在沿圆筒轴线方向上诱导产生一系列正反交替、有序排列的环形涡(即泰勒涡)，如附图4所示，这种强于沿转轴旋转主体流动上的二次流动就被称为泰勒流。泰勒反应器近年已被应用于化工、生物、材料等诸多领域，且有良好的发展趋势。与传统的反应器相比较，泰勒反应器有诸多优点。在层流泰勒流状态下运行时，泰勒反应器内介质流动接近理想平推流；泰勒反应器可同时保证较高的传质系数和较小的剪切应力；进行多相反应时，泰勒反应器还可以维持固体催化剂颗粒的均匀流化，但与在流化床中不同，颗粒在泰勒反应器中主要是依靠泰勒涡作用而不是轴向流作用来维持悬浮状态，因此即使在极低的轴向流速下，也能通过调节圆筒转速来获得良好的流化效果，突破了流化床中最低轴向流速的限制。

因此为了强化撞击流反应器内的沉淀与结晶的性能，本发明通过在撞击流反应器内引入超声场来强化撞击流反应器内的微观混合性能，同时引入泰勒反应器来强化传质来进一步强化微观混合性能。

本发明的有益效果在于：本发明采用超声强化撞击流反应器的两端流体撞击区域，在传统的撞击流(如附图3所示)相比较，在撞击区域的上端会有一个明显的滞流区，超声的引入可以有效的在该滞流区产生一个强扰动，将有效的改善撞击流反应器内的混合效果，达到强化反应的作用。同时引入泰勒反应器，对于反应的传质有一个很好的强化作用。

附图说明

图1为本发明的整个系统的示意图；

图2为本发明的撞击流反应器与超声振幅杆装配示意图；

图3为传统撞击流的速度矢量示意图；

图4为泰勒流动示意图；

图5为实施例中不同雷诺数Re下测得的离集指数比较图(采用超声与未采用超声)。

图中：1、第一反应液原液桶；2、第二反应液原液桶；3、产物桶；4、蠕动泵；5、压力表；6、可见光分光光度计；7、超声波发生装置；8、超声变幅杆；9、泰勒反应器；10、第一进口；11、第二进口；12、出口；13、撞击流反应器。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明做进一步地说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。

如图1和图2所示，一套超声强化撞击流反应系统，包括第一反应液原液桶1、第二反应液原液桶2、产物桶3、蠕动泵4、可见光分光光度计6、超声波发生装置7、超声变幅杆8、泰勒反应器9和撞击流反应器13；第一反应液原液桶1通过蠕动泵4与第一进口10连接，第二反应液原液桶2通过蠕动泵4与撞击流反应器第二进口11连接，超声变幅杆8的一端从撞击流反应器的上端插入撞击流反应器中，另一端与超声波发生装置7连接，撞击流反应器的出口12与泰勒反应器9连接，然后通入产物桶3，产物桶3与可见光分光光度计6连接，另外在第一进口10与蠕动泵4的连接处、第二进口11与蠕动泵4的连接处、出口12处皆设有压力表5。

图2为撞击流反应器与超声振幅杆装配示意图，超声变幅杆的作用如图2中所示，变幅杆的前端端面在反应器两端入口之后的交界区，当超声发生装置打开时，超声变幅杆的前端会以一个较高的频率振动。前端的高强振动，与传统的未施加超声装置(如图3)相比较，会在其撞击区域的底端滞流区形成一个强扰动，可达到强化反应的效果。

应用实施例1

碘化钾、碘酸盐平行竞争反应体系

一种超声强化撞击流反应系统的应用，反应系统应用于碘反应体系中，该反应体系为平行竞争反应体系，由以下三步反应组成：

进一步地，其中反应(1)是酸碱中和反应，是瞬时反应，反应速率k₁＝10¹¹L/(mol·s)，反应(2)的反应速率其中，k₂和离子强度I_s有如下关系：

反应(3)的反应速率为在25℃时有

进一步地，在酸不足的情况下，碘的产率用来衡量微观混合均匀程度，在部分离析时，碘的产率Y为：

在完全离析时，碘的产率为：

定义离集指数X_s表征微观混合的程度，则：

离集指数X_s的值的范围为0≤X_s≤1，在最佳的条件下(即完全混合)，X_S＝0，这意味着根据第一反应方程式，酸被硼酸盐溶液瞬间分散和消耗，整个溶液此时为无色液体，此时的I₂和I-₃的量为0，在最差的情况下(即完全分离时)，X_S＝1。

本实施例在具体操作时采用如下步骤：

1.配置所需要的酸、碱反应原液，(其中酸反应液为浓度为0.05mol/L的H₂SO₄溶液，碱反应液为0.1818mol/L H₃BO₃、0.0909mol/LNaOH、0.01167mol/L KI、0.00233mol/L KIO₃的混合液)，将其分别置于第一反应液原液桶1、第二反应液原液桶2；

2.根据自己所需的雷诺数Re，调整蠕动泵4的流量；

3.打开两台蠕动泵4，使得酸碱反应液在撞击流反应器的中间部位产生撞击发生反应；

4.同时根据所需的速度调节泰勒反应器9的电动机转速；

5.待流量流动稳定后，从产物桶3取出产物，用可见光分光光度计6检测产物中碘的浓度；

6.根据不同的雷诺数Re，进行多次实验，测得所需要的产物浓度值；

7.打开超声波发生装置7，设置好超声波发生装置7的超声输出功率，重复2.3.4.5.6的步骤，测出产物中碘的浓度，从而换算得到离集指数，其结果如图5所示。

由图5可以看出，在不同的雷诺数Re下，经过施加超声场作用，得到的离集指数比没有施加超声作用得到的离集指数都要低，可见经过超声作用，能够使得反应液混合更充分，起到强化反应的作用。