CN111111602B - 连续流反应模块、反应装置及填块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种连续流反应模块、反应装置及填块，其中反应模块包括外管体和交替地固定在该外管体内腔中的多个填块一和填块二。填块一的端面上设有与外管体的管腔走向一致的通孔。填块二的侧壁上设有与外管体的管腔走向一致的多个槽。反应液由外管体的一端流入管腔后，经过填块一上的通孔流入下游型腔中，再由该型腔沿径向向外分流而经过填块二上的槽流向下游型腔，接着再由填块一的通孔流向下游型腔，再按如如此次序循环进行。如此设计反应液的流动动态，能够使得反应液在连续流动中不断地借助一汇聚一分散的整流形式充分地进行混合、充分反应，能达到改善连续流动的液体的混合效果的目的，该模块结构简单、能够分别被加工制造且组装工艺简单。

Description

连续流反应模块、反应装置及填块

技术领域

本发明涉及连续流反应装置领域，具体而言其涉及到的是一种能够促进流体在连续流动过程中混合效果的反应模块，以及安装有该连续流反应模块的装置和设在该连续流反应模块内的重要填块部件。

背景技术

管式反应器和釜式反应器等是当前化工、制药领域常用的流体反应设备。

其中，釜式反应器一般会在反应釜中装入搅拌装置，用于液相反应物混合，存在合成物纯度、反应转化率较低，能耗和污染较为严重的问题。由于化工、制药领域对产品的纯度要求较高，因此连续流管式反应器相对成为使用更多的反应设备类型。

鉴于管式反应器内的化学反应物浓度与反应速率随管长变化。因此为达到要求的效果，管式反应器内一般设置了需要满足化学反应所需要的管长。为保证效果，现有的直管反应器或U形管反应器如果要做到内部设置较长的管长，则整个反应器的体积必然要足够大。另外，因为反应管内反应物的流动的状态会直接影响不间断混合效果和反应的传热速率，所以为避免反应装置的体积过于庞大，亟待作出相关设计，以期在保证管长基本不变的情形下，通过改变管道内部的结构来达到改善混合效果、反应速率的目的。

发明内容

本发明提供了一种连续流反应模块，其相对现有的管式反应器，能够在管长基本一致的情况下，达到改善连续流动的液体的混合效果的目的。而且，该连续流反应模块结构简单，便于制作、加工和安装。本专利还涉及到了使用该连续流反应模块的装置及置于该连续流反应模块内的起到改变液体流动形态和混流方式的填块。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种连续流反应模块，包括外管体和交替地固定在该外管体内腔中的多个填块一和填块二，所述填块一、填块二的侧壁与所述外管体的内壁接触。

实际应用中常用的一种方案是，在外管体的管腔内每设置一个填块一便相应地设置一个填块二，所以整个外管体内设置的填块一的个数与填块二的个数一样多或者相差一个，同时，在液体流动方向（即自上游至下游）上填块一与填块二之间的轴向间距可以是均匀一致的，也可以是不断变大的或者不断变小的，具体需要根据液体的粘稠度、反应状况等灵活确定。

所述填块一的端面上设有与所述外管体的管腔走向一致的至少一个通孔。所述填块二的侧壁上设有与所述外管体的管腔走向一致的多个槽。所述填块二的侧壁与所述外管体的管腔内壁接触在一起后，所述填块二侧壁上的槽与所述外管体的内壁围合形成了槽孔。

反应液由外管体的一端流入管腔后，经过填块一上设置的通孔流入该填块一与下游相邻的填块二之间构成的型腔中，再由该型腔沿径向向外分流而经过填块二侧壁上的槽流向下游，即进入该填块二与下游相邻的填块一之间构成的型腔中。接着再由该下游的填块一的通孔流向其与下游相邻的填块二之间构成的型腔，再按如上次序依次循环进行。如此设计反应液的流动动态，能够使得反应液在连续流动中不断地借助一汇聚一分散的整流形式充分地进行混合、反应，达到改善连续流动的液体的混合效果的目的。所以为保证反应液循环地进行自管腔的轴心处向外分散至径向外端再汇至轴心处，再分散至径向外端的循环流动过程对混合效果的促进作用，建议尽可能地将填块一上所设置通孔的位置靠近或者处于填块一的轴心处。

为使得单位长度的外管体内能够容纳尽可能多的填块，同时又能保证反应液的顺利流动，在具体实施中可以使得所述填块一的两端面均呈球面槽状，同时所述填块二的两端面亦均呈球面槽状。这样的设置能够使得处于相邻的填块一与填块二相对面之间形成的型腔成为腰鼓形，能增加型腔的体积，利于反应液在循环地进行汇聚、分散流动进程中充分进行混合，以便充分反应。

如果所述填块一上设有一个通孔，则该通孔的轴线处于所述填块一的轴心处，通孔的轴线最好与填块一的轴心线重合。

如果所述填块一上设有多个通孔，则可分作如下多种情形：（1）其中一个通孔的轴线处于所述填块一的轴心处，其他通孔分布设置在所述填块一的轴心外围；（2）所有的通孔均设在所述填块一的轴心外围。

上述两种情形下，如有设在所述填块一轴心处的通孔，则使该通孔的轴线沿所述填块一的轴心线方向，没有则略过。同时，凡被设在所述填块一轴心外围的通孔，使得该类通孔的轴线相对所述填块一的轴向倾斜设置且使该类通孔的轴线处于下游的一端靠向所述填块一的轴心处。

一般而言，被设置在填块二侧壁上的槽的延伸走向是与填块二的轴心线走向一致的，即槽的延伸方向（线）在垂直面上的投影与所述填块二的轴心线相对平行或重合。但在部分实施例中，于所述填块二侧壁上所设槽的延伸方向（线）在垂直面上的投影与所述填块二的轴心线相交叉。所指垂直面一般理解为过填块二的轴心线的垂直面，如果理解为与过填块二的轴心线的垂直面相对平行或相对垂直的平行面，则需要将槽的延伸方向（线）与填块二的轴心线一起投影到该垂直面上理解。需要情调的是，可以使得设置在同一外管体内的相邻两个填块二（中间有一个填块一）上所设槽的倾斜方向相反，以便通过不断改变反应液在径向上的流动方向来进一步改善反应液的混合效果。

其他部分实施例中，还可使得于所述填块二侧壁上所设槽为螺旋槽。将槽设为螺旋槽能够使得反应液形成湍流，提高流速，使反应液中的不同组分呈一定的分离状态后再向轴心方向汇聚混合，能起到进一步改善混合效果的目的。而且可以使得设置在同一外管体内的相邻两个填块二（中间有一个填块一）上所设槽的螺旋方向相反，通过不断改变旋流方向能起到更好地改善反应液混合效果的目的。还可以使得沿反应液流动方向，顺次设置的部分填块二上的槽的螺旋方向一致（如顺时针螺旋），接下来顺次设置的部分填块二上的槽的螺旋方向与前面的相反（逆时针螺旋），再接下来的部分填块二上的槽的螺旋方向又跟它们前面的相反（顺时针螺旋），如此循环设置。所谓的部分填块一或填块二，该“部分”所指的填块的个数包括一致的情况，也包括不一致的情况。螺旋方向相同的槽的螺旋曲线可以不同。

实际实施中，在外管体的管腔内如果填块一有不同的具体结构样式或者填块二有不同的具体结构样式，或者填块一和填块二均具有不同的具体结构样式，则在排列两填块时在遵循每设置一个填块一便设置一个填块二的规则前提下，处于同一填块二两侧的两个填块一的具体结构样式可以不一样，或者处于同一填块一两侧的两个填块二的具体结构样式可以不一样，或者同一填块一两侧的填块二的结构样式不一样同时同一填块二两侧的填块一的结构样式不一样，或者沿反应液流向使得顺次排列的部分填块一的结构样式为一种，接下来顺次排列的部分填块一的结构样式为另一种，此时相对应地置于相邻的两填块一之间的多个填块二的结构样式可以为一种也可以为多种；或者沿反应液流向使得顺次排列的部分填块二的结构样式为一种，接下来顺次排列的部分填块二的结构样式为另一种，此时相对应地置于相邻的两填块二之间的多个填块一的结构样式可以为一种也可以为多种，如此等等关于填块一、填块二的布置形式均落入本专利中关于连续流反应模块的独立权利要求的保护范围内。

此外，（1）关于“包括外管体和交替地固定在该外管体内腔中的多个填块一和填块二”因理解为：a、包含在外管体的管腔内每设置一个填块一便相应地设置一个填块二的情形；b、还包含每连续设置两个或更多个填块一便相应地设置一个或多个填块二的情形，或者每连续设置两个或更多个填块二便相应地设置一个或多个填块一的情形。特别是填块一的具体结构样式（主要是指通孔的设置形式）有多种时，填块二的具体结构样式（主要是指槽的设置形式）有多种时。（2）关于“所述填块二的侧壁上设有与所述外管体的管腔走向一致的多个槽”应理解为：a、不仅包含在填块二的侧面上开设的径向截面呈三角状或梯形或U形或]形或其他不规则或者规则的形状的槽口的情形；b、还应认为包括在靠近填块二侧壁面内圈附近设置的惯用填块二两端面的槽孔，且该槽孔的径向截面形状包含为任何形状的情形。

一种连续流反应装置，其包含有上述所提及的某种形式的连续流反应模块，即该连续流反应装置中可以仅含有上述提及的一种形式的连续流反应模块，也可以同时含有上述提及的多种形式的连续流反应模块。

一种填块，该填块的上端面和下端面均呈球面槽状，同时，所述填块的端面上设有沿轴向的至少一个通孔或者所述填块的侧壁上设有与轴向走向一致的多个槽。优选地，所述填块上设有一个通孔且该通孔的轴线处于所述填块的轴心处。于所述填块侧壁上所设槽的延伸方向在垂直面上的投影与填块的轴心线相交叉或为螺旋槽。

在本专利中，理解所提及通孔的轴心线方向时，对限定该通孔沿填块的轴向的表述，应理解为含有通孔的轴心线方向与填块的轴向相对平行或重合的情形，以及通孔的轴心线方向相对填块的轴向倾斜的情形（包括通孔的轴心线下游端靠近或远离填块轴心处的情况）。理解所提及槽的走向（延伸方向）时，对限定该槽沿填块轴向的表述，应理解为含有槽的延伸方向与填块的轴向相对平行或投影相交叉的情形（螺旋槽的延伸方向可以理解为两端口连线）。

有益效果：本发明所提供的连续流反应模块，其相对现有的管式反应器，能够在管长基本一致的情况下，达到改善连续流动的液体的混合效果和反应速率的目的。而且，该连续流反应模块包含的配件种类少，结构均较简单、容易加工，且分别加工制造后再装配到一起时要求的工艺简单，故而该连续流反应模块加工制造方便、成本低，有益于维修更换。使用该连续流反应模块的连续流反应装置，其在实现相同混合效果的情况下能够使得装置的整体体积减小，反应管采购成本能够得到降低。

附图说明

图1为本专利方案中所涉及到的连续流反应模块的剖面结构示意图。

图2为本专利方案中所涉及到的填块一的实施方式一剖面结构示意图。

图3为本专利方案中所涉及到的填块二的实施方式一剖面结构示意图。

图4为本专利方案中所涉及到的填块一的实施方式一俯视结构示意图。

图5为本专利方案中所涉及到的填块二的实施方式一俯视结构示意图。

图6为本专利方案中所涉及到的填块一的实施方式一立体结构示意图。

图7为本专利方案中所涉及到的填块二的实施方式二立体结构示意图。

图8为本专利方案中所涉及到的填块一的实施方式二剖面结构示意图。

图9为本专利方案中所涉及到的填块一的实施方式二俯视结构示意图。

图10为本专利方案中所涉及到的填块二的实施方式三剖面结构示意图。

图11为本专利方案中所涉及到的填块二的实施方式四主视结构示意图。

图中：1外管体，2填块一，21通孔，3填块二，31槽。

具体实施方式

说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“前”、“后”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1所示一种连续流反应模块，包括外管体1和交替地固定在该外管体1内腔中的多个填块一2和填块二3，所述填块一2、填块二3的侧壁均与所述外管体1的内壁接触。多采用热装配工艺，使得填块的侧壁与外管体的内壁压紧在一起，以保证使用中填块不会相对在管腔内移动。当然，如果外管体为两侧半管扣合的结构，则还可以在外管体外对应设置填块的位置设置抱紧箍的方式使得填块的侧壁与外管体的内壁压紧在一起。所指的外管体可以理解为通过螺纹结构或插接结构顺次连接在一起的多个单元管，此时，相衔接的两个单元管的相对端，应符合整外管体内填块一和填块二的交替布置规律。将外管体设置为单元形式，能够放方便组装，方便将填块放入管内且又便于在操作中把握相邻两填块之间的轴向间距。具体装配工艺中，不排除事先将填块顺次地通过连接筋连接成整体，然后一块塞入外管体或单元管内的操作。

实际实施中，如图1，在外管体1的管腔内每设置一个填块一2便相应地设置一个填块二3，所以整个外管体1内设置的填块一2的个数与填块二3的个数是一样多或者是填块一多一个或填块二多一个。在液体流动方向上（即，自上游至下游的方向）填块一与填块二之间的轴向间距可以是均匀一致的，也可以是不断变大的或者不断变小的，甚至也可以是部分地一致部分地地有相对变大或变小了，具体需要根据液体的粘稠度、反应状况等灵活确定。

所述填块一2的端面上设有与所述外管体1的管腔走向（轴向）一致的至少一个通孔21。所述填块二3的侧壁上设有与所述外管体1的管腔走向（轴向）一致的多个槽31。所述填块二3的侧壁与所述外管体1的管腔内壁接触在一起后，所述填块二3侧壁上的槽31与所述外管体1的内壁围合形成了槽孔。通孔21可为如图示的圆柱孔，也可以为圆锥孔或三角孔或棱柱孔或异形孔等。槽31的径向横截面形状可以为图示的U形，也可以为V形或梯形或齿槽（与齿轮轮齿啮合的槽）状等等。

如图1所示，填块的轴向与外管体1的轴向是一致的。反应液由外管体1的一端流入管腔后，经过填块一2上设置的通孔21流入该填块一2与其下游相邻的填块二3之间构成的型腔中，再由该型腔沿径向向外分流而经过填块二3侧壁上的槽31流向下游，即进入该填块二3与其下游相邻的填块一2之间构成的型腔中。接着再由该下游的填块一2的通孔21流向其与下游相邻的填块二3之间构成的型腔，再按如上次序依次循环进行。如此设计反应液的流动形态，能够使得反应液在连续流动的过程中不断地借助一朝中心汇聚一沿径向向外围分散的整流形式充分地使得反应液进行混合、反应，达到改善连续流动的液体的混合效果的目的。故而，为保证反应液循环地进行自管腔的轴心处向外分散至径向外端再汇至轴心处，再分散至径向外端的循环流动过程对混合效果的促进作用，建议尽可能地将填块一2上所设置通孔21的位置靠近或者处于填块一2的轴心处（图1所示的通孔的轴心线与填块一的轴心线重合）。

为使得单位长度的外管体内能够容纳尽可能多的填块，同时又能保证反应液的顺利流动，如图1至图11所示，使得所述填块一2的两端面均呈球面槽状，同时所述填块二3的两端面亦均呈球面槽状。这样的设置能够使得处于相邻的填块一与填块二相对面之间形成的型腔成为腰鼓形，能增加型腔的体积，利于反应液在循环地进行汇聚、分散流动进程中充分进行混合，以便充分反应。一方面能够顺利使得反应液向中心汇聚，另一方面又使得在沿径向向外分散式爬升一定幅度，使得部分反应液有回流而能与后面流入的液体继续混合。

如图2、图4、图6所示，在沿填块一2的轴心线方向设置了一个通孔21。填块一2的两端面（A1面、A2面）形成的凹槽弧形基本一致。

如图3、图5所示，在填块二3的侧壁上相间地设置了多个槽31，槽31的走向与填块二3的轴向一致。如图6所示，侧壁上设置的槽31的走向）是倾斜的，该走向上的延长线相对填块二3的轴向（线）在垂直面内的投影是相交叉的。填块二3的两端面（B1面、B2面）形成的凹槽弧形基本一致。

对比图2、图3可知，填块一2的端面（A1面、A2面）形成的凹槽弧形是与填块二3的端面（B1面、B2面）形成的凹槽弧形不同的。实际应用中，也可以使得填块一2的端面（A1面、A2面）形成的凹槽弧形与填块二3的端面（B1面、B2面）形成的凹槽弧形相同。

如图9所示，填块二3的B1面形成的凹槽弧形与B2面形成的凹槽弧形不同。同理，填块一2的A1面形成的凹槽弧形与A2面形成的凹槽弧形也可不同。

如图1、图2、图4、图6所示，如果所述填块一2上设有一个通孔21，则该通孔21的轴线处于所述填块一2的轴心处，且将通孔21的轴线设为与填块一2的轴心线重合。

如图8、图9所示，所述填块一2上设有多个通孔，将其中一个通孔21的轴线处于所述填块一2的轴心处，其他通孔21分布设置在所述填块一的轴心外围形成一圈（除图示的圆圈外，还可呈三角状、多边形状等）。还可使得其他的通孔相对轴心处的通孔排列形成一字或或排列成“+”号或排列成“x”号等等情形。

此外，如果所述填块一2上设有多个通孔，还可将所有的通孔均设在所述填块一的轴心外围形成一圈或多圈，或围成三角或围成多边形，或排列形成一字或排列成“＝”号或排列成“+”号或排列成“x”号等等情形。

如图8所示，针对设在所述填块一2轴心外围的通孔21，最好使得该类通孔的轴线相对所述填块一2的轴向倾斜设置且使该类通孔的轴线处于下游的一端靠向所述填块一的轴心处。

一般而言，如图1、图3、图5所示，被设置在填块二3侧壁上的槽31的延伸走向是与填块二3的轴心线走向一致的，即槽31的延伸方向（线）在垂直面上的投影与所述填块二3的轴心线相对平行或重合。但在实际应用中的部分实施例中，于所述填块二侧壁上所设槽的延伸方向（线）在垂直面上的投影与所述填块二的轴心线相交叉（如图7）。所指垂直面一般理解为过填块二的轴心线的垂直面，如果理解为与过填块二的轴心线的垂直面相对平行或相对垂直的平行面，则需要将槽的延伸方向（线）与填块二的轴心线一起投影到该垂直面上理解。需要情调的是，可以使得设置在同一外管体内的相邻两个填块二（中间有一个填块一）上所设槽的倾斜方向相反，以便通过不断改变反应液在径向上的流动方向来进一步改善反应液的混合效果。

如图11所示，还可使得于所述填块二3侧壁上所设槽31为螺旋槽。将槽31设为螺旋槽能够使得反应液形成湍流，提高流速，使反应液中的不同成分分离后再向轴心方向汇聚，能起到进一步改善混合效果的目的。而且可以使得设置在同一外管体内的相邻两个填块二（中间有一个填块一）上所设槽的螺旋方向相反，通过不断改变旋流方向能起到更好地改善反应液混合效果的目的。

实际实施中，如果填块一有不同的具体结构样式（如图2、图8）或者填块二3有不同的具体结构样式（如图3、图7、图10、图11）），或者填块一和填块二均具有不同的具体结构样式（如图2、图8、图3、图7、图10、图11）），则在排列两填块时在遵循每设置一个填块一便设置一个填块二的规则前提下，同时可以使得处于同一填块二两侧的两个填块一的具体结构样式可以不一样，或者处于同一填块一两侧的两个填块二的具体结构样式可以不一样。

一种连续流反应装置，其包含有图1所示的连续流反应模块，也包含将图2至图11所示的有不同具体结构的填块替换地用到图1后构成的新方案结构的连续流反应模块。

如图2至图11所示的填块，该填块的上端面和下端面均呈球面槽状，同时，所述填块的端面上设有沿轴向的至少一个通孔21或者所述填块的侧壁上设有与轴向走向一致的多个槽31。优选地，所述填块上设有一个通孔21且该通孔21的轴线处于所述填块的轴心处。于所述填块侧壁上所设槽31的延伸方向在垂直面上的投影与填块的轴心线相交叉或为螺旋槽。

在本专利中，理解所提及通孔的轴心线方向时，对限定该通孔沿填块的轴向的表述，应理解为含有通孔的轴心线方向与填块的轴向相对平行或重合的情形，以及通孔的轴心线方向相对填块的轴向倾斜的情形（包括通孔的轴心线下游端靠近或远离填块轴心处的情况）。理解所提及槽的走向（延伸方向）时，对限定该槽沿填块轴向的表述，应理解为含有槽的延伸方向与填块的轴向相对平行或投影相交叉的情形（螺旋槽的延伸方向可以理解为两端口连线）。

上述实施方式仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。本发明还有许多方面可以在不违背总体思想的前提下进行改进，对于熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，可对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种连续流反应模块，其特征在于：包括外管体和交替地固定在该外管体内腔中的多个填块一和填块二；所述填块一、填块二的侧壁与外管体的内壁接触；所述填块一的端面上设有与所述外管体的管腔走向一致的至少一个通孔；所述填块二的侧壁上设有与所述外管体的管腔走向一致的多个槽；

所述填块一的两端面均呈球面槽状；所述填块二的两端面亦均呈球面槽状；

相邻的所述填块一与所述填块二之间的相对面在轴向上的内凹方向相反，而使处于相邻的填块一与填块二相对面之间形成的型腔成为腰鼓形。

2.根据权利要求1所述的连续流反应模块，其特征在于：所述填块一上设有一个通孔且该通孔的轴线处于所述填块一的轴心处。

3.根据权利要求2所述的连续流反应模块，其特征在于：于所述填块二侧壁上所设槽的延伸方向在垂直面上的投影与所述填块二的轴心线相交叉，或者于所述填块二侧壁上所设槽为螺旋槽。

4.根据权利要求1所述的连续流反应模块，其特征在于：所述填块一上设有多个通孔，其中一个通孔的轴线处于所述填块一的轴心处，其他通孔分布设置在所述填块一的轴心外围，或者所有的通孔均设在所述填块一的轴心外围。

5.根据权利要求4所述的连续流反应模块，其特征在于：被设在所述填块一轴心外围的通孔的轴线相对所述填块一的轴向倾斜且处于下游的一端靠向所述填块一的轴心处。

6.根据权利要求1所述的连续流反应模块，其特征在于：于所述填块二侧壁上所设槽的延伸方向在垂直面上的投影与所述填块二的轴心线相交叉，或者于所述填块二侧壁上所设槽为螺旋槽。

7.根据权利要求6所述的连续流反应模块，其特征在于：所述填块一上设有多个通孔，其中一个通孔的轴线处于所述填块一的轴心处，其他通孔分布设置在所述填块一的轴心外围，或者所有的通孔均设在所述填块一的轴心外围。

8.一种连续流反应装置，其特征为，包含有权利要求1至7中所涉及的连续流反应模块。