[发明专利]一种提高高粘度反应体系传质传热效率的沸腾反应釜装置和方法

说明书

本发明涉及一种提高高粘度反应体系传质传热效率的沸腾反应釜装置和方法。本发明提出借助于沸腾作用来削弱边界层的釜式反应器，即沸腾反应釜装置。该釜的釜身加热壁面能够提供汽化核心，在釜盖和釜身之间加入隔热层，在釜盖引入冷凝部件。在反应过程中，由低沸点试剂构成的沸腾剂从釜身的加热壁面产生大量气泡，气泡长大、浮升的过程会显著消减边界层厚度，蒸气在冷凝部件的作用下又液化，返回溶剂相，形成持续的沸腾‑冷凝过程。沸腾反应釜能够提高高粘度反应体系传质传热效率，优化反应性能，具有明显的优势及工业应用价值。

技术领域

本发明属于反应釜领域，具体涉及一种能够借助沸腾作用消减边界层、提高高粘度反应体系传质传热效率的反应釜装置的构造和使用方法。

背景技术

釜式反应器，也称反应釜，是精细化工材料研发与制备领域常用的反应器之一。在常规的机械或磁力搅拌反应釜中，与釜壁接触的反应溶剂会形成边界层(见图1a)。边界层内流体温度高于釜内主体温度，且质点迁移速率偏低，因此边界层区域容易局部过热，引发副反应，污染整个反应体系。当反应溶剂体系粘度较高时，如合成橡胶、树脂等大分子聚合物或采用离子液体、深共融溶剂做溶剂，即便是强力搅拌，边界层的厚度也会很大，因溶剂粘度高而引起的传质传热问题也越发突出。因此，对于釜式反应器，消除附着在釜壁上的边界层、增强釜内整个区域传质传热的均一性，是提高反应釜性能的技术关键。

为了达到这一目标，国内外研究者主要从强化涡流搅拌的角度做了努力，但是对于高粘度溶剂体系仍不能显著消减边界层。Jinxia Zhou,Zhi Xia,Tingyu Huang,PeifangYan,Wenjuan Xu,Zhanwei Xu,Jianji Wang and Z.Conrad Zhang,Ionic Liquid-Organics-Water Ternary Biphasic System Enhances 5-Hydroxymethylfurfural Yieldin Catalytic Conversion of Glucose at High Concentration,Green Chemistry,2015,17(8),4206–42126首次提出借助于沸腾作用促进离子液体高粘度体系传质效率的办法，即在4mL玻璃反应瓶中，加入能够提供汽化核心的固体颗粒，低沸点试剂在玻璃反应瓶底部过热，在提供汽化核心的固体颗粒上产生气泡，沸腾时气泡生成、长大、浮升的过程会显著扰动边界层区域，强化传质；气泡上浮到温度较低的玻璃反应瓶顶部被液化，形成液体又返回到溶剂中。Hui Chen,Jinxia Zhou,Jingbo Mao,Jingmei Yin and Shenmin Li，Enhancement of mass transfer through bubbling effect during extraction andreaction in biphasic systems containing ionic liquid.RSC Adv.,2016,6,101485-101491和周锦霞，陈慧，李慎敏，毛璟博，尹静梅，一种萃取分离的方法CN106075951B，在4mL玻璃反应瓶中做了双相萃取研究，证实“沸腾-冷凝”循环循环作用能够提高萃取效率。

这些研究成果为提高高粘度反应体系传质传热效率的提供了理论依据。但是，上述研究中产生沸腾-冷凝的体系是在4mL玻璃反应瓶中进行的，为了提供汽化核心，向瓶中加入了固体颗粒。该体系的弊端是：(1)根据沸腾-冷凝原理，需要底部高温，使沸腾剂汽化，顶部低温，使沸腾剂蒸气冷凝。然而，4mL玻璃反应瓶很容易把底部热量传输给顶部，降低温度梯度；(2)为了提供汽化核心，往瓶中加入了固体颗粒，固体颗粒容易和催化剂混合，不利于固体催化剂回收，且在强拌作用下，固体颗粒容易脱离瓶子底部，悬浮起来，不能发挥汽化核心作用；(3)顶部冷凝靠瓶盖与空气传热，制冷效果不明显；(4)玻璃反应瓶不耐压，且没有控温、空压、进料、出料设施，功能单一。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点和不足，本发明提供一种提高高粘度反应体系传质传热效率的沸腾反应釜装置和方法，具体涉及一种能够借助沸腾作用消减边界层、提高高粘度反应体系传质传热效率的反应釜装置的构造和使用方法。