一种新型管壁式碳化硅反应器及其制造方法
阅读说明：本技术 一种新型管壁式碳化硅反应器及其制造方法 (Novel pipe wall type silicon carbide reactor and manufacturing method thereof ) 是由 闫永杰 于 2020-12-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种新型管壁式碳化硅反应器及其制造方法,包括反应管,反应管是由碳化硅内管和碳化硅外管经一体化制成的管壁式通道管,碳化硅内管和碳化硅外管之间形成有反应槽流道,反应槽流道在反应管两端的端口处通过封头密封,封头均设有与反应槽流道相连通的通道。制造方法为：内、外素胚管成型；内素胚管加工；内素胚管烧结和精加工；外素胚管加工；内素胚管和外素胚管一体化烧结。本产品采用碳化硅材质高温一体化焊接,提高了反应槽的抗压能力；碳化硅内管的尺寸增大,提高了反应器的通量；该反应器能够很好的应用在苛刻工况如高温,温度最高可达250℃,同时该反应器适应强腐蚀条件,通量大,成本低,能够很好的应用在工业化微通道系统。(The invention discloses a novel pipe wall type silicon carbide reactor and a manufacturing method thereof, and the novel pipe wall type silicon carbide reactor comprises a reaction pipe, wherein the reaction pipe is a pipe wall type channel pipe which is integrally manufactured by a silicon carbide inner pipe and a silicon carbide outer pipe, a reaction tank flow passage is formed between the silicon carbide inner pipe and the silicon carbide outer pipe, the reaction tank flow passage is sealed by end sockets at the end openings of two ends of the reaction pipe, and the end sockets are provided with passages communicated with the reaction tank flow passage. The manufacturing method comprises the following steps: forming an inner and outer blank embryonic tubes; processing a biotin embryonic tube; sintering and fine machining the biotin embryonic tube; processing an exohormone embryonic tube; and integrally sintering the endostatin embryo tube and the exo-biotin embryo tube. The product adopts silicon carbide material high-temperature integrated welding, so that the pressure resistance of the reaction tank is improved; the size of the silicon carbide inner tube is increased, and the flux of the reactor is improved; the reactor can be well applied to harsh working conditions such as high temperature, the temperature can reach 250 ℃ at most, and meanwhile, the reactor is suitable for strong corrosion conditions, has large flux and low cost, and can be well applied to an industrialized microchannel system.)
技术领域
本发明涉及化工装备领域，尤其涉及一种新型管壁式碳化硅反应器及其制造方法。
背景技术
在精细化工领域，很多反应对于温度的要求非常苛刻，其介质往往具有强酸或强碱特性，并且反应的过程中产生较高的压力，对反应器核心材料提出了非常高的要求。
碳化硅陶瓷具有高导热和全面的耐酸碱腐蚀特性，特别适用强酸、强碱、强腐蚀、高速气体冲刷、颗粒磨损等苛刻工况条件。可处理包括氢氟酸、KOH等强腐蚀性物质，因此，成为微通道反应器首选。
碳化硅反应器目前几乎都是采用板式结构，密封形式在低压情况下采用O型圈或者镜面密封，但通常压力不超过15BAR；压力更高的情况下，采用高温热压焊接的方式，能够用到40BAR。但该结构形式很难做到高通量，反应板大型化制造成本高，焊接成本高，而且存在较大的焊接应力，很难做到大型工业化。耐高压力的高通量微通道反应器制约了碳化硅反应器的发展。
因此，急需找到一种新的反应器结构，以充分发挥碳化硅材料的优势，提高耐压能力，提高通量，而且要降低成本，促进碳化硅反应器在工业微通道的规模化推广。
发明内容
为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种新型管壁式碳化硅反应器。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种新型管壁式碳化硅反应器，包括反应管，反应管是由碳化硅内管和碳化硅外管经一体化制成的管壁式通道管，碳化硅内管和碳化硅外管之间形成有反应槽流道，反应槽流道在反应管两端的端口处通过封头密封，封头均设有与反应槽流道相连通的通道。
进一步地，反应槽流道是在碳化硅内管和碳化硅外管之间经高温焊接工艺加工而成的且反应槽流道型为螺旋式的槽流道，反应槽流道在反应管的一端的端口处形成有至少一个进料口，反应槽流道在反应管的另一端的端口处形成有至少一个出料口，反应管的两端端口均通过封头密封，一侧的封头上设有进物料管，进物料管通过进料口与反应槽流道相连通，另一侧的封头上设有出物料管，出物料管通过出料口与反应槽流道相连通。
进一步地，反应管的两端的封头之间通过外管连接，外管设置在反应管的外围，外管至少有两个且均与反应管平行设置，反应管的两端端口与封头的接触面间均匹配设置有垫片和密封圈，垫片设置在反应管与封头之间，密封圈设置在外管与封头之间，封头上远离垫片的一端设有用于提升密封压力的紧固支撑件。
进一步地，反应管的碳化硅内管上设置有一号介质进口和一号介质出口，碳化硅外管上设置有二号介质进口和二号介质出口。
进一步地，反应管的直径不小于100mm，反应管的长度为100mm-3000mm,反应管1内的密封压力不大于20BAR，反应管内的温度不大于250℃。
进一步地，外管采用碳钢或不锈钢材质，反应管采用碳化硅材质，封头采用聚四氟乙烯材质。
一种新型管壁式碳化硅反应器的制造方法，制造方法如下：
a.内、外素胚管成型：采用直接等静压或者挤出成型碳化硅陶瓷素胚管材,作为碳化硅内管的内素胚管和碳化硅外管的外素胚管；
b.内素胚管加工：采用四轴加工中心的加工方法在内素胚管表面加工所需结构的反应槽流道以及物料的进料口、出料口，其中物料的进料口、出料口根据反应类型设为单进单出或多进单出，加工反应槽流道的类型；
c.内素胚管烧结和精加工：将内素胚管的管壁加工后的素胚管材进行高温烧结致密化，烧结后外圆无心磨加工，得到相同外径的碳化硅内管；
d.外素胚管加工：将外素胚管的内径进行精加工形成碳化硅外管，使碳化硅外管的内径比烧结后碳化硅内管的内径大3-10％；
e.内素胚管和外素胚管一体化烧结：将烧结后的碳化硅内管和外素胚管加工后的碳化硅外管匹配，在高温烧结炉中烧结，烧结温度和内管烧结的制度相同，得到带有管壁式反应槽流道结构的反应管。
本发明公开了一种新型管壁式碳化硅反应器及其制造方法，该反应器内管采用碳化硅材质高温一体化焊接，提高了反应槽的抗压能力，压力最高可达20BAR；碳化硅内管的尺寸增大，提高了反应器的通量；该反应器能够很好的应用在苛刻工况如高温，温度最高可达250℃，同时该反应器适应强腐蚀条件，通量大，成本低，能够很好的应用在工业化微通道系统。
附图说明
图1为本发明的正视图。
图2为本发明的立体图。
图3为碳化硅内管的正视图。
图4为碳化硅内管为单进单出的反应槽流道的立体图。
图5为碳化硅内管为双进单出的反应槽流道的立体图。
图中：1、反应管；2、碳化硅内管；3、碳化硅外管；4、反应槽流道；5、封头；6、进物料管；7、出物料管；8、外管；9、垫片；10、密封圈；11、紧固支撑件；12、一号介质进口；13、一号介质出口；14、二号介质进口；15、二号介质出口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一，如图1-3所示的新型管壁式碳化硅反应器，包括反应管1，反应管1是由碳化硅内管2和碳化硅外管3经一体化制成的管壁式通道管，其中，反应管1由碳化硅内管2的管壁带有反应槽流道4的碳化硅管材和配合的碳化硅外管3组成，由此，在碳化硅内管2和碳化硅外管3之间形成有反应槽流道4，反应槽流道4是在碳化硅内管2和碳化硅外管3之间经高温焊接工艺加工而成的且反应槽流道4型为螺旋式的槽流道；
反应槽流道4在反应管1两端的端口处通过封头5密封，封头5均设有与反应槽流道4相连通的通道；反应槽流道4在反应管1的一端的端口处形成有一个进料口，如图4所示，反应槽流道4在反应管1的另一端的端口处形成有一个出料口，形成单进单出的反应槽流道4，反应管1的两端端口均通过封头5密封，一侧的封头上设有进物料管6，进物料管6通过进料口与反应槽流道4相连通，另一侧的封头上设有出物料管7，出物料管7通过出料口与反应槽流道4相连通。
优选的，反应管1的两端的封头之间通过外管8连接，外管8设置在反应管1的外围，外管8至少有两个且均与反应管1平行设置，反应管1的两端端口与封头5的接触面间均匹配设置有垫片9和密封圈10，垫片9设置在反应管1与封头5之间，密封圈10设置在外管8与封头5之间，封头5上远离垫片9的一端设有用于提升密封压力的紧固支撑件11。
反应管1和外管8通过聚四氟乙烯材质的垫片9，利用紧固支撑件11和封头5连接在一起，封头的物料进出口和内管的物料进口连接。该碳化硅反应器通过内管管壁的槽流道作为物料的反应通道，碳化硅内管2和碳化硅外管3的通道作为加热或者冷却的介质通道，达到物料反应的目的。
优选的，反应管1的碳化硅内管2上设置有一号介质进口12和一号介质出口13，碳化硅外管3上设置有二号介质进口14和二号介质出口15。
本实施例的反应管1的直径为100mm，反应管1的长度为2000mm,反应管1内的密封压力为18BAR，反应管1内的温度为200℃。
本实施例的外管8采用不锈钢材质，反应管1采用碳化硅材质，封头5采用聚四氟乙烯材质。
实施例二，如图1-3所示的新型管壁式碳化硅反应器，包括反应管1，反应管1是由碳化硅内管2和碳化硅外管3经一体化制成的管壁式通道管，其中，反应管1由碳化硅内管2的管壁带有反应槽流道4的碳化硅管材和配合的碳化硅外管3组成，由此，在碳化硅内管2和碳化硅外管3之间形成有反应槽流道4，反应槽流道4是在碳化硅内管2和碳化硅外管3之间经高温焊接工艺加工而成的且反应槽流道4型为螺旋式的槽流道；
反应槽流道4在反应管1两端的端口处通过封头5密封，封头5均设有与反应槽流道4相连通的通道；如图5所示，反应槽流道4在反应管1的一端的端口处形成有两个进料口，反应槽流道4在反应管1的另一端的端口处形成有一个出料口，形成双进单出的反应槽流道4，反应管1的两端端口均通过封头5密封，一侧的封头上设有进物料管6，进物料管6通过进料口与反应槽流道4相连通，另一侧的封头上设有出物料管7，出物料管7通过出料口与反应槽流道4相连通。
优选的，反应管1的两端的封头之间通过外管8连接，外管8设置在反应管1的外围，外管8至少有两个且均与反应管1平行设置，反应管1的两端端口与封头5的接触面间均匹配设置有垫片9和密封圈10，垫片9设置在反应管1与封头5之间，密封圈10设置在外管8与封头5之间，封头5上远离垫片9的一端设有用于提升密封压力的紧固支撑件11。
反应管1和外管8通过聚四氟乙烯材质的垫片9，利用紧固支撑件11和封头5连接在一起，封头的物料进出口和内管的物料进口连接。该碳化硅反应器通过内管管壁的槽流道作为物料的反应通道，碳化硅内管2和碳化硅外管3的通道作为加热或者冷却的介质通道，达到物料反应的目的。
优选的，反应管1的碳化硅内管2上设置有一号介质进口12和一号介质出口13，碳化硅外管3上设置有二号介质进口14和二号介质出口15。
本实施例的反应管1的直径为200mm，反应管1的长度为3000mm,反应管1内的密封压力为20BAR，反应管1内的温度为250℃。
本实施例的外管8采用碳钢材质，反应管1采用碳化硅材质，封头5采用聚四氟乙烯材质。
上述新型管壁式碳化硅反应器的制造方法，制造方法如下：
a.内、外素胚管成型：采用直接等静压或者挤出成型碳化硅陶瓷素胚管材,作为碳化硅内管的内素胚管和碳化硅外管的外素胚管；
b.内素胚管加工：采用四轴加工中心的加工方法在内素胚管表面加工所需结构的反应槽流道以及物料的进料口、出料口，其中物料的进料口、出料口根据反应类型设为单进单出或多进单出，加工反应槽流道的类型；
c.内素胚管烧结和精加工：将内素胚管的管壁加工后的素胚管材进行高温烧结致密化，烧结后外圆无心磨加工，得到相同外径的碳化硅内管；
d.外素胚管加工：将外素胚管的内径进行精加工形成碳化硅外管，使碳化硅外管的内径比烧结后碳化硅内管的内径大3-10％；
e.内素胚管和外素胚管一体化烧结：将烧结后的碳化硅内管和外素胚管加工后的碳化硅外管匹配，在高温烧结炉中烧结，烧结温度和内管烧结的制度相同，得到带有管壁式反应槽流道结构的反应管。
本发明公开了一种新型管壁式碳化硅反应器及其制造方法，相比传统的板式结构的微通道反应器，本发明具有高通量、高密封压力、高传热的效果，具体为通过在碳化硅管壁设计反应槽流道，也就是物料的反应通道，能够很容易增加通量；传统的板式结构的微通道反应器，尺寸达到300mm已经非常难以焊接，并且成本很高；本产品的结构参数数据在外径100mm、长度300mm条件下就可以达到传统的板式结构的微通道反应器相同的通量；对于管壁式结构，反应管是通过两根碳化硅管高温烧结而成，密封通道形成高压力；反应管和外管是通过垫片、密封圈和紧固支撑件压紧，具有强密封性，反应管的内外表面都有介质进出口，因此能够对反应管进行加热或冷却，传热效率要高于传统的板式结构的微通道反应器的面传热。
上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。
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