一种连续反应器内分散相停留时间的监测装置及方法

本发明涉及反应器领域，具体涉及一种连续反应器内分散相停留时间的监测装置及方法。

背景技术：

1、固液或液液连续反应器是一种用于在固体和液体或液体与液体之间进行化学反应的设备，前者通常用于处理悬浮固体颗粒或颗粒床中的反应过程，后者通常用于处理不相容的液体的反应过程，通过连续加入原料、产物和反应剂，并连续排出产物，在反应器内控制反应条件，实现持续的反应过程。连续反应器在处理原料混合时的效率直接会影响到产品的品质和生产成本。在反应过程中，反应物的转化率是提高生产效率和确保产品质量的关键因素，这不仅需要对反应条件如浓度、温度和压力进行精确控制，而且需要对流体的流动特性有较为深入地理解，尤其是物料在反应器内的停留时间分布。

2、停留时间分布是连续操作反应的重要参数之一。分散相从进入反应器到离开反应器所经历的时间为停留时间，由于分散相在反应器内流速分布不均、分散相的扩散以及反应器内存在死区等因素，致使分散相在反应器中的停留时间不同，从而形成了停留时间的分布。反应器中分散相的停留时间分布会直接影响反应效率和产物的选择性，因此，对反应器内分散相停留时间进行测定十分重要。

3、分散相停留时间的测量方法主要包括示踪物法、稀释法、间断的取样分析法以及反应器模型和数学建模。cn 110672542a公开了一种在线测定液液和气液连续反应器内停留时间分布的装置和方法。通过电动六通阀将定量环中的示踪剂注入液体b中，流体a与含示踪剂的液体b在连续反应器内混合，混合物从连续反应器流出后，经在线相分离器迅速进行分相，在线相分离器流出含示踪剂的液体b，经过在线检测器检测实时的示踪剂浓度，在线检测器与电脑连接，实时记录示踪剂浓度随时间变化数据，并计算获得停留时间分布数据。但该发明提供的装置与方法并不适用于测定固液两相反应器内颗粒停留时间分布情况，具有一定的局限性。

4、传统的分散相停留时间的测定还依赖于间断的取样分析，但取样分析通常操作复杂、时间消耗大，并可能因为样本的取出而扰动反应系统。

5、利用反应器模型和数学建模可以推断分散相在反应器内的运动路径和停留时间分布，如cn 110879929a公开的一种预测纤丝状生物质颗粒在转筒内停留时间的数值模拟方法，包括：构建纤丝状生物质颗粒与转筒的物理模型；纤丝状生物质颗粒由多个球状的“集结体”组成；通过欧拉-拉格朗日方法分析气流和集结体在转筒内的运动规律，得到气固两相流动的数值计算模型；利用软球模型处理集结体之间的碰撞，得到纤丝状生物质颗粒在转筒内运动规律的数学模型；建立颗粒动力学方程、气相流动数学方程、集结体碰撞作用力和气-固间作用力方程；求解颗粒在滚筒内的平均停留时间。该方法尽管在一定程度上能预测流体行为，但简化的假设往往无法准确反映出实际工业条件下的流体动力学特性。

6、因此，针对现有技术的不足，亟需提供一种既能不对反应系统造成干扰、又能保证精确度、同时适用固液及液液体系中分散相停留时间的监测装置。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种连续反应器内分散相停留时间的监测装置及方法，既能不对反应系统造成干扰，又能保证监测的精确度，以实现对反应条件的精细优化，提高反应效率。

2、为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种连续反应器内分散相停留时间的监测装置，所述监测装置包括沿物料流向依次连接的原料储存装置、进料控制装置、连续反应器、出料控制装置、平板管道以及收集装置；所述监测装置还包括高速相机，所述高速相机用于拍摄所述平板管道上的非均相混合物，所述高速相机连接有计算机。

4、本发明提供的监测装置，创新性地结合在线监测装置，通过高速相机与计算机的数字化检测来实现快速高效、不对反应系统造成干扰的分散相停留时间的监控，能够满足连续反应器在实时调控和稳定性上的需求，显著提升了操作效率和反应结果的一致性；基于图像识别技术，实现了连续反应器内的高频率采样，通过计算非均相混合物中分散相的浓度，进一步能够获得连续反应器内分散相停留时间分布情况，对优化反应条件、提高反应效率具有重要的指导意义。

5、优选地，所述原料储存装置的数量≥1个，例如可以是1个、2个、3个、4个或5个，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

6、优选地，所述原料储存装置包括原料罐。

7、优选地，所述进料控制装置包括齿轮泵。

8、本发明中，由于进料不含固相颗粒，因此可以采用齿轮泵控制进料速度。

9、优选地，所述监测装置还包括蠕动泵，所述蠕动泵用于控制原料由原料储存装置进入反应器。

10、优选地，所述出料控制装置包括蠕动泵或齿轮泵。

11、本发明中，当出料包含固相颗粒时，选用蠕动泵控制出料速度，出料不包含固相颗粒时，选用蠕动泵或齿轮泵控制出料速度。

12、优选地，所述收集装置包括收集槽。

13、本发明中，所述收集装置为本工序结束的终止装置，也可以作为下一工序开始的原料装置。

14、优选地，所述高速相机设置有反光装置。

15、优选地，所述反光装置包括反光板。

16、本发明中，所述平板管道能够使得固液混合物薄薄地平铺，方便高速相机拍摄固液混合物的组成；反光装置使高速相机的拍摄背景干净纯洁，方面后期观察处理；计算机连接高速相机，可以调节高速相机参数并查看与保存拍摄效果。

17、优选地，所述连续反应器设置有进料口与出料口。

18、优选地，所述进料口与出料口的数量分别独立地≥1个，例如可以是1个、2个、3个、4个或5个，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

19、所述进料口与出料口可根据实际的反应过程设置合理的数量。

20、优选地，所述连续反应器的内部设置有搅拌电机以及与所述搅拌电机连接的搅拌桨。

21、优选地，所述连续反应器的容积为0.2-50l，例如可以是0.2l、1l、7.2l、10l、20l、30l、40l或50l，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

22、第二方面，本发明提供了一种连续反应器内分散相停留时间的监测方法，所述监测方法通过第一方面所述的监测装置进行，所述监测方法包括如下步骤：

23、控制原料进入连续反应器进行混合反应，然后控制所得非均相混合物进入平板管道，拍摄非均相混合物的组成并通过计算获得非均相混合物中分散相的停留时间分布密度函数e(t)、停留时间累积分布函数f(t)以及平均停留时间τ；所述非均相混合物流出平板管道后进行收集。

24、本发明提供的连续反应器内分散相停留时间的监测方法，能够实现快速、不对反应系统造成干扰的颗粒停留时间的监控，满足连续反应器在实时调控和稳定性上的需求，显著提升了操作效率和反应结果的一致性；基于图像识别的手段，可以计算拍摄得到的非均相混合物中分散相的质量并换算分散相的浓度，进一步计算可以得到分散相的停留时间分布密度函数e(t)、停留时间累积分布函数f(t)以及平均停留时间τ，通过标准化的数据分析，减少了人为误差，相比于传统间断取样分析，可以避免因测量后期分散相浓度降低而导致难以精准取样测量的问题，同时能够实现高频率采样，以实现对反应条件的精细优化，提高反应效率。

25、优选地，所述原料的进料速度为240-360ml/min，例如可以是240ml/min、280ml/min、320ml/min、340ml/min或360ml/min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

26、优选地，所述非均相混合物的出料速度为240-360ml/min，例如可以是240ml/min、280ml/min、320ml/min、340ml/min或360ml/min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

27、所述非均相混合物包括固液混合物或不相容的液液混合物。

28、优选地，所述固液混合物中颗粒分散相的粒径为0.2-1mm，例如可以是0.2mm、0.4mm、0.6mm、0.8mm或1mm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

29、优选地，所述固液混合物中颗粒分散相的密度为1.15-1.38g/cm3，例如可以是1.15g/cm3、1.2g/cm3、1.25g/cm3、1.3g/cm3或1.38g/cm3，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

30、优选地，所述固液混合物的固含量为1-3％，例如可以是1％、1.5％、2％、2.5％或3％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

31、优选地，所述固液混合物中颗粒分散相的种类包括pvc颗粒、pa66颗粒或ps颗粒中的至少一种。

32、优选地，所述固液混合物中还包括含量为0.05-2％的dtab表面活性剂，例如可以是0.05％、0.1％、0.5％、1％、1.5％或2％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

33、所述不相容的液液混合物中液滴分散相包括硅油、煤油或甘油中的至少一种，连续相与液滴分散相不相容。

34、所述不相容的液液混合物中液滴分散相的形态包括球形或饼形。

35、优选地，所述液滴分散相的粒径＜1mm时，液滴分散相为球形，例如可以是0.8mm、0.6mm、0.5mm、0.3mm或0.1mm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

36、优选地，所述液滴分散相的粒径≥1mm时，液滴分散相为饼形，例如可以是1.1mm、1.3mm、1.5mm、1.8mm或2mm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

37、本发明中，由于液滴分散相的形状会随着粒径的增大而其球形度降低，为了更准确地拍摄和分析液滴分散相的形态，本发明采用厚度为1mm的平板管道进行液滴分散相的拍摄，根据实验标准，当液滴分散相的粒径小于1mm时，可以认为其为球形；而当液滴分散相的粒径大于等于1mm时，则液滴分散相形态趋向于饼形。

38、优选地，所述不相容的液液混合物中液滴分散相的密度为0.6-0.9g/cm3，例如可以是0.6g/cm3、0.76g/cm3、0.8g/cm3或0.9g/cm3，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

39、优选地，所述不相容的液液混合物中液滴分散相的质量分数为0.1-5％，例如可以是0.1％、1％、2％、3％或5％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

40、优选地，使用脉冲法测量连续反应器内固液混合物中颗粒分散相的停留时间分布，所述固液混合物中颗粒分散相的停留时间分布密度函数e(t)的计算公式如下：

41、

42、其中，c(t)为t时刻颗粒分散相的浓度；为加入颗粒分散相的总浓度。

43、优选地，所述固液混合物中颗粒分散相的停留时间分布密度函数e(t)的换算公式如下：

44、

45、其中，m(t)为t时刻颗粒分散相的质量，单位为g；为加入颗粒分散相的总质量，单位为g。

46、由于颗粒分散相的总质量易测量，颗粒分散相的停留时间计算基于颗粒分散相的质量，因此可以通过以上公式进行换算。

47、优选地，所述t时刻颗粒分散相的质量m(t)的计算公式如下：

48、m(t)＝ρ×v(t)；

49、其中，ρ为颗粒分散相的密度，单位为g/cm3；v(t)为t时刻目标张数照片中所有颗粒分散相的体积，单位为cm3。

50、由于本发明中通过智能拍摄计算获得的参数为出口颗粒分散相的体积，因此可以通过以上公式进行换算。

51、进一步地，所述固液混合物中颗粒分散相的停留时间分布密度函数e(t)的计算公式如下：

52、

53、优选地，所述t时刻目标张数照片中所有颗粒分散相的体积v(t)的计算公式如下：

54、

55、其中，k为照片的目标张数；nj为第j张照片中颗粒分散相的个数；dij为第j张照片中第i个颗粒分散相的粒径，单位为cm。

56、优选地，所述固液混合物中颗粒分散相的停留时间累积分布函数f(t)的计算公式如下：

57、

58、其中，t为时间，e(t)为固液混合物中颗粒分散相的停留时间分布密度函数。

59、优选地，所述固液混合物中颗粒分散相的平均停留时间τ的计算公式如下：

60、

61、其中，t为时间，e(t)为固液混合物中颗粒分散相的停留时间分布密度函数。

62、本发明中，可以根据不同分散相的形态使用不同的拟合方式，比如颗粒分散相为球形，拍摄得到类球形颗粒，进而可以得到直径，根据直径再进一步计算标准球体的体积，并换算质量，然后得到停留时间分布密度函数e(t)；每3-5min调用高速相机拍照，调节帧率，每张照片使用计算机自动识别并统计颗粒分散相的个数和平均直径，作为当前时刻的停留时间分布密度函数e(t)。另外，由于蠕动泵在工作时会产生周期性的脉冲流动，过短时间内的颗粒统计会存在偏差，因此需要统计16-25s间距的颗粒流动变化作为当前时刻停留时间分布密度函数e(t)。实验时间为80-150min，设定体系相对稳定即连续四次统计颗粒质量之差小于0.01g为实验结束。

63、优选地，使用阶跃法测量连续反应器内不相容的液液混合物中液滴分散相的停留时间分布，所述不相容的液液混合物中液滴分散相的停留时间累积分布函数f(t)的计算公式如下：

64、

65、其中，c(t)为t时刻液滴分散相的浓度；c0为液滴分散相的初始浓度；c∞为达到稳态时液滴分散相的浓度。

66、优选地，所述t时刻液滴分散相的浓度c(t)的计算公式如下：

67、

68、其中，v(t)为t时刻目标张数照片中所有液滴分散相的体积，单位为cm3；v0为t时刻目标张数照片中液液混合物的总体积，单位为cm3。

69、优选地，所述液滴分散相为球形时，t时刻目标张数照片中所有球形液滴分散相的体积v(t)的计算公式如下：

70、

71、其中，k为照片的目标张数；nj为第j张照片中球形液滴分散相的个数；dij为第j张照片中第i个球形液滴分散相的粒径，单位为cm。

72、优选地，所述液滴分散相为饼形时，t时刻目标张数照片中所有饼形液滴分散相的体积v(t)的计算公式如下：

73、

74、其中，k为照片的目标张数；nj为第j张照片中饼形液滴分散相的个数；aij为第j张照片中第i个饼形液滴分散相的底面积，单位为cm2；h为饼形液滴分散相的高度，单位为cm。

75、优选地，所述不相容的液液混合物中液滴分散相的停留时间分布密度函数e(t)的计算公式如下：

76、

77、其中，t为时间，f(t)为不相容的液液混合物中液滴分散相的停留时间累积分布函数。

78、优选地，所述不相容的液液混合物中液滴分散相的平均停留时间τ的计算公式如下：

79、

80、其中，t为时间，e(t)为不相容的液液混合物中液滴分散相的停留时间分布密度函数。

81、本发明中通过计算并比较平均停留时间τ与理论平均停留时间τ＇，当实验得到的τ与理论时间τ＇数值接近时，则可以确定分散相停留时间的监测装置精确度较高。

82、所述理论平均停留时间τ＇的计算公式如下：

83、

84、其中，vr为连续反应器的体积，q为泵料速度。

85、本发明中，对于不相容的液液混合物中液滴分散相的停留时间测量，因为液滴分散相可能存在粘度较大的问题，脉冲法效果欠佳，使用阶跃法来测量不相容液液体系中液滴分散相的停留时间分布，可以根据不同分散相的形态使用不同的拟合方式，确定液滴分散相为球形或饼形后再进一步计算液滴分散相的体积，然后得到停留时间累积分布函数f(t)；每3-5min调用高速相机拍照，调节帧率，每张照片使用计算机自动识别并统计液滴分散相的个数和平均直径，作为当前时刻的停留时间累积分布函数f(t)。

86、优选地，所述收集得到的非均相混合物作为后道工序的原料。

87、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

88、本发明提供的监测装置，创新性地结合在线监测装置，通过高速相机与计算机的数字化检测来实现快速、不对反应系统造成干扰的分散相停留时间的监控，能够满足连续反应器在实时调控和稳定性上的需求，显著提升了操作效率和反应结果的一致性；基于图像识别的手段，可以计算拍摄得到的非均相混合物中分散相的质量并换算分散相的浓度，进一步计算可以得到分散相的停留时间分布密度函数e(t)、停留时间累积分布函数f(t)以及平均停留时间τ，通过标准化的数据分析，减少了人为误差，相比于传统间断取样分析，可以避免因测量后期分散相浓度降低而导致难以精准取样测量的问题，同时能够实现高频率采样，以实现对反应条件的精细优化，提高反应效率。