一种连续磺化反应微通道混合装置

本技术涉及一种化工混合反应装置，特别是涉及一种连续磺化反应微通道混合装置。

背景技术：

1、微流控技术由于其在微米尺度上极高的比表面积，展现出卓越的传热和传质效率，已广泛应用于精细化工领域。微混合器作为微流控系统的核心单元，其性能直接影响整个系统的反应效率和分析精度。现有技术主要致力于实现微量流体的快速均匀混合与精准浓度调控，以满足对高通量与微量化操作的需求。

2、在微通道中，由于通道尺度小且流速低，流体通常处于层流状态，混合主要依赖分子扩散作用。为了提升混合效果，微混合器设计逐渐分为主动式和被动式两类。被动式微混合器通过改变通道几何结构来扰动流场，诱导二次流、横向流动以及混沌对流，从而增强混合效果，具有结构简单、易于制造、无需外部能量输入等优点，是微化工过程集成化的理想选择。

3、在磺化反应等强放热反应过程中，尤其是低雷诺数和高黏度流体条件下，传统微混合器存在混合效率不足、压降过大以及传热不良等问题。由于传热效果差，反应器内部可能出现局部过热或温度不均匀，导致反应速率的不稳定，甚至可能引发副反应或降低反应选择性。例如，斜沟槽微混合器能够通过形成特定的流场几何构型诱导混沌对流以增强混合，但在低雷诺数条件下，依然存在二次流强度不足、流动死区等问题，这不仅影响了混合效果，还加剧了热量的积累和不均匀分布，进而影响了反应的效率和选择性。若通过增加沟槽深度或密度来提升混合效率，虽然能够改善混合效果，但也会显著增加压降，导致能耗提升。因此，如何在低雷诺数条件下提升混合效率与传热效果，同时保持低压降，仍然是一个亟待解决的技术挑战。

4、现有技术，专利号cn106732208b、cn109351316a、cn115414882a等公开了多种磺化反应器，但尚没有研究过低雷诺数条件下混合效率与压降之间的问题。现有技术中普遍存在被动式微混合器在低雷诺数条件下存在的混合效率低、能耗高、产品质量不稳定、流动死区问题、压降损失大以及对高黏度流体适应性差等技术缺陷。

技术实现思路

1、本实用新型的目的在于提供一种连续磺化反应微通道混合装置，本实用新型用于连续磺化反应的t型交错螺旋斜沟槽微通道混合微反应器，在超低雷诺数条件下实现高效磺化反应；通过优化涡流诱导机制与死区抑制，显著提高了混合和传热效率，确保反应过程中的热量均匀分布，避免局部过热，同时保持低流动阻力。

2、本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种连续磺化反应微通道混合装置，所述该装置包括第一反应物进料装置、第二反应物进料装置、平流泵、另一平流泵、止回阀、另一止回阀、t型交错螺旋斜沟槽微反应器、螺旋盘管、旋蒸仪、恒温水浴；所述微反应器采用t型交错螺旋斜沟槽诱导流体形成螺旋涡流结构；微反应器为t型交错螺旋斜沟槽结构，由入口通道一、入口通道二、混合部和出口通道构成；入口通道一与入口通道二的管壁内表面分别设有第一螺旋斜沟槽、第二螺旋斜沟槽，入口通道一的末端与混合部的第一侧壁连通，入口通道二的末端与混合部的第二侧壁连通，且两入口通道的中心轴线平行；混合部为直通式腔体结构，其末端与出口通道的起始端同轴连通；所述出口通道由三段连续通道构成：第一段为涡旋维持段，其管壁内表面设有螺旋斜沟槽；第二段为平滑过渡段，通道内壁无沟槽且表面光滑；第三段为涡流重组段，其管壁内表面设有螺旋交错斜沟槽，且沟槽方向相对于第一段螺旋斜沟槽偏转15–60°。

4、所述的一种连续磺化反应微通道混合装置，所述装置第一螺旋斜沟槽、第二螺旋斜沟槽、第三螺旋斜沟槽及螺旋交错斜沟槽的凹槽深度为所在通道内径的5%–30%，凹槽宽度为所在通道内径的8%–40%，螺旋升角为20°–75°；入口通道一与入口通道二的中心轴线平行，且入口通道内的第一螺旋斜沟槽、第二螺旋斜沟槽延伸方向相反；所述出口通道的第一段螺旋斜沟槽与第三段螺旋交错斜沟槽的沟槽方向相对偏转15–60°。

5、所述的一种连续磺化反应微通道混合装置，所述装置第一螺旋斜沟槽和第二螺旋斜沟槽分别位于入口通道一和入口通道二，其轴向投影与通道中心线之间的夹角均为30°–75°的恒定值；第一螺旋斜沟槽、第二螺旋斜沟槽、第三螺旋斜沟槽及螺旋交错斜沟槽的横截面形状为矩形，且混合部的腔体截面积与入口通道一截面积相同，入口通道一、入口通道二、混合部及出口通道均为矩形横截面。

6、本实用新型的优点与积极效果是：

7、本实用新型通过构建“逆向螺旋碰撞入口+三段式涡流重组出口”的几何协同，在低雷诺数、低流速及高黏度条件下诱发并持续维持强三维扰动与稳定二次涡；出口通道按“涡旋维持—流态稳定—涡流重组”顺序组织流场，使混合动能得到承接与整流并在末段重构，无需提高雷诺数即可实现深度混合，在保证混合质量的同时抑制无效扰动、降低压降与能耗，从而满足连续磺化对快速、充分初混与强化传质的要求，并在多因素协同条件下形成稳定的运行窗口。

8、本实用新型四壁面协同的螺旋沟槽布局在通道内诱导覆盖面广的 dean 涡，并与“涡旋维持—流态稳定—涡流重组”的三段式出口协同重组流场，可有效扫掠近壁与角部区域，抑制流动死区、收窄停留时间分布，从而在连续磺化体系中减少由不均一引发的副反应，提升产品一致性与选择性；在此机理基础上，可建立几何构型与工艺条件的定量对应关系：通过对传热、混合与传质的数值模拟，将沟槽深度、宽度、螺旋升角、段长比例等结构参数与流量比、温度、雷诺数等操作参数关联至混合效率和产物质量指标，形成面向连续磺化的预测性设计与优化路径，进而支撑装置参数与工艺参数的协同优化与放大。

9、本实用新型不仅在提升反应效率的同时，具备更高的传热效率，还显著降低了能耗并提高了反应稳定性，成为精细化工领域反应过程中的理想解决方案，有效降低了生产成本并提升了产品质量。通过优化反应器结构设计，本实用新型有效解决了这些技术难题。特别是在超低雷诺数条件下，本实用新型不仅实现了高效的混合与低阻力的流动，还通过优化涡流诱导和传热机制，显著提升了传热效果，确保了反应过程中的热量均匀分布，减少了局部过热现象，从而降低了副反应的发生。此外，本实用新型亦适用于高黏度流体工况，大幅度提高了反应稳定性和产品质量，同时有效降低了能耗和压降，满足了连续磺化反应过程对高效、节能和稳定性的需求。

1.一种连续磺化反应微通道混合装置，其特征在于，所述该装置包括第一反应物进料装置（1）、第二反应物进料装置（2）、第一平流泵（3）、第二平流泵（10）、第一止回阀（4）、第二止回阀（9）、t型交错螺旋斜沟槽微反应器（5）、螺旋盘管（6）、旋蒸仪（7）、恒温水浴（8）；所述微反应器（5）采用t型交错螺旋斜沟槽诱导流体形成螺旋涡流结构；微反应器（5）为t型交错螺旋斜沟槽结构，由入口通道一（501）、入口通道二（504）、混合部（505）和出口通道（509）构成；入口通道一（501）与入口通道二（504）的管壁内表面分别设有第一螺旋斜沟槽（502）、第二螺旋斜沟槽（503），入口通道一（501）的末端与混合部（505）的第一侧壁连通，入口通道二（504）的末端与混合部（505）的第二侧壁连通，且两入口通道的中心轴线平行；混合部（505）为直通式腔体结构，其末端与出口通道（509）的起始端同轴连通；所述出口通道（509）由三段连续通道构成：第一段为涡旋维持段（506），其管壁内表面设有第三螺旋斜沟槽；第二段为平滑过渡段（507），通道内壁无沟槽且表面光滑；第三段为涡流重组段（508），其管壁内表面设有螺旋交错斜沟槽，且沟槽方向相对于第一段螺旋斜沟槽偏转15–60°。

2.根据权利要求1所述的一种连续磺化反应微通道混合装置，其特征在于，所述第一螺旋斜沟槽（502）、第二螺旋斜沟槽（503）、第三螺旋斜沟槽及螺旋交错斜沟槽的凹槽深度（h）为所在通道内径的5%–30%，凹槽宽度（w）为所在通道内径的8%–40%，螺旋升角为20°–75°；入口通道一（501）与入口通道二（504）的中心轴线平行，且入口通道内的第一螺旋斜沟槽（502）、第二螺旋斜沟槽（503）延伸方向相反；所述第三螺旋斜沟槽与螺旋交错斜沟槽的沟槽方向相对偏转15–60°。

3.根据权利要求1所述的一种连续磺化反应微通道混合装置，其特征在于，所述第一螺旋斜沟槽（502）和第二螺旋斜沟槽（503）分别位于入口通道一（501）和入口通道二（504），其轴向投影与通道中心线之间的夹角均为30°–75°的恒定值；第一螺旋斜沟槽（502）、第二螺旋斜沟槽（503）、第三螺旋斜沟槽及螺旋交错斜沟槽的横截面形状为矩形，且混合部（505）的腔体截面积与入口通道一（501）截面积相同，入口通道一（501）、入口通道二（504）、混合部（505）及出口通道（509）均为矩形横截面。