專利名稱：高效自吸式氣液攪拌裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種高效自吸式氣液攪拌裝置，尤其適用于石油、化工、醫(yī)藥及其生物工程行業(yè)中的氣一液、氣一液一固非均相反應(yīng)過(guò)程，例如，液相催化加氫、氧化、胺化、氟化、烷基化等。
技術(shù)背景氣液分散與反應(yīng)問(wèn)題在石油、生物、醫(yī)藥化工中是經(jīng)常遇到的，例如催化加氫過(guò)程、催化氧化過(guò)程、生物發(fā)酵過(guò)程等。但由于涉及到氣體分散、氣-液傳質(zhì)以及固體懸浮等過(guò)程，比較復(fù)雜，理論研究工作很不系統(tǒng)。并且由于各研究者的研究對(duì)象、幾何結(jié)構(gòu)、操作因素和研究范圍等的不同，所得結(jié)論不盡相同，有些甚至是矛盾的，成為攪拌領(lǐng)域的難點(diǎn)。近年來(lái)，隨著對(duì)氣體分散、固體懸浮等單元過(guò)程研究的深入以及聚合反應(yīng)工程和生化工程等的蓬勃發(fā)展，結(jié)合一些具體的工藝過(guò)程，對(duì)氣液、氣液固體系攪拌分散的研究越來(lái)越多。
由于氣液的不相容性，氣液反應(yīng)器中未反應(yīng)的氣體聚積在反應(yīng)器內(nèi)的上部空間，嚴(yán)重影響反應(yīng)速率和效率。自吸式氣液反應(yīng)器是一種不用額外的氣體輸送機(jī)械而能自行吸入反應(yīng)器上部空間氣體進(jìn)行氣液接觸的反應(yīng)裝置，通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的空心渦輪攪拌器在進(jìn)行料液混合的同時(shí)不斷吸入外界的氣體，達(dá)到氣液分散、反應(yīng)的目的。
文獻(xiàn)(何志敏，李可求，“自吸式氣液反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用”，中國(guó)醫(yī)藥工業(yè)雜志，2000，31(1)34-36)介紹了自吸式氣液反應(yīng)器的原理、結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和成功地應(yīng)用于化學(xué)制藥、染料、食品油脂等工業(yè)的氫化、胺化、氟化、烷基化等生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)例。采用了單層空心渦輪攪拌器，攪拌器外徑Di/釜內(nèi)徑DT＝1/3，渦輪高度h＝Di/4，渦輪與反應(yīng)器底部距離y＝Di，吸氣口直徑Φ＝3Di/8。與常規(guī)攪拌反應(yīng)器相比，明顯縮短了氣液反應(yīng)時(shí)間。
中國(guó)專利(ZL87211458U)提供了一種自吸循環(huán)深層分散式加氫反應(yīng)器，由葉輪和負(fù)壓管構(gòu)成。用于氫化時(shí)氫氣利用率高、催化劑消耗少。中國(guó)專利(ZL92231345.8)提出的自吸氣攪拌裝置在槽體上裝有由帶有導(dǎo)流葉片和循環(huán)孔的穩(wěn)流器、帶有大小葉片的葉輪和進(jìn)氣吊管，用于大噸位的空氣氧化反應(yīng)過(guò)程。負(fù)壓管的存在使結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。
中國(guó)專利(ZL97226395.0)提供一種渦輪槳自吸式攪拌器，包括帶吸氣孔的接頭、與接頭連結(jié)的空心轉(zhuǎn)軸、垂直固定在空心轉(zhuǎn)軸下端并與其連通的返回管、返回管外壁上固定有與空心轉(zhuǎn)軸平行的左右葉片。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、能夠降低空心轉(zhuǎn)軸的強(qiáng)度要求和攪拌功率，適合高固含量體系，顯著提高氣液接觸效率。中國(guó)專利(ZL99232050.X)提供了一種氣液反應(yīng)加速增效裝置，其特征在于裝置包括氣液反應(yīng)釜、裝于反應(yīng)釜內(nèi)的與電動(dòng)機(jī)連結(jié)且其山有葉輪的空心攪拌軸、空心攪拌軸周壁上有若干小孔，可提高有機(jī)合成氣液兩相物資在反應(yīng)釜中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的效率。攪拌軸上直接開(kāi)吸氣孔勢(shì)必影響攪拌軸的強(qiáng)度。
綜合分析上述的自吸式氣液反應(yīng)器，已有的技術(shù)存在以下的弊端1、由于氣體的密度遠(yuǎn)小于液體，依賴于氣體的離心力，為增加氣體的吸入量攪拌轉(zhuǎn)速一般很高，液相攪拌功率偏大。因此，已有的技術(shù)很難解決吸氣量與攪拌轉(zhuǎn)速的協(xié)調(diào)問(wèn)題。
2、吸氣孔直接開(kāi)在空心攪拌軸上，嚴(yán)重影響了攪拌軸的強(qiáng)度；專利(ZL87211458U，ZL92231345.8)采用了實(shí)心攪拌軸與負(fù)壓管的組合，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
3、攪拌軸的無(wú)底支撐結(jié)構(gòu)，攪拌運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不夠穩(wěn)定，并且極易損壞，給反應(yīng)器的大型化設(shè)計(jì)也帶來(lái)困難。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種高效自吸式氣液攪拌裝置。
它依次具有攪拌驅(qū)動(dòng)裝置、聯(lián)軸器、空心攪拌軸、自吸式攪拌器、輔助攪拌器、，自吸式攪拌器為空心渦輪型或空心風(fēng)車型，自吸式攪拌器的下側(cè)開(kāi)有下進(jìn)液孔，或者空心渦輪型自吸式攪拌器上側(cè)開(kāi)有上進(jìn)液孔。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)1)與氣體外循環(huán)技術(shù)比較，本實(shí)用新型節(jié)約了氣體輸送設(shè)備及其附件，相應(yīng)地節(jié)約了投資和能源、以及設(shè)備的維護(hù)管理；2)采用本實(shí)用新型提出的高效自吸式氣液攪拌裝置的反應(yīng)過(guò)程，都在不同程度上縮短了反應(yīng)時(shí)間。與非自吸式攪拌氣液反應(yīng)器比較，高效自吸式反應(yīng)器的操作時(shí)間縮短1/3至1/2，從而大大提高反應(yīng)器的時(shí)空生產(chǎn)能力，能耗也明顯降低；3)采用本實(shí)用新型提出的高效自吸式氣液攪拌裝置，氣液接觸良好，氣泡直徑小且分布均勻，界面更新速率快，傳質(zhì)效率提高，化學(xué)反應(yīng)更加完全，從而產(chǎn)品的收率顯著提高。如采用高效自吸式攪拌的反應(yīng)器由CO2制備納米碳酸鈣，可獲得粒度分布均勻及粒度可控的納米碳酸鈣，縮短反應(yīng)時(shí)間50％以上，提高CO2利用率70％以上；
4)充分掌握控制吸氣的規(guī)律，使吸氣量與攪拌轉(zhuǎn)速、攪拌能耗的協(xié)調(diào)變得簡(jiǎn)單，反應(yīng)控制比較嚴(yán)格，產(chǎn)品質(zhì)量好，副產(chǎn)物減少。


圖1是采用本實(shí)用新型的高效氣液、氣液固反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型的高效自吸式氣液攪拌器、帶氣孔聯(lián)軸器的原理、結(jié)構(gòu)圖；圖3是空心攪拌軸上帶加強(qiáng)環(huán)的吸氣孔結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本實(shí)用新型的自吸式攪拌器的不同構(gòu)型示意圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的關(guān)鍵部件是空心渦輪攪拌器，在容器中旋轉(zhuǎn)時(shí)促使液流激烈湍動(dòng)，使攪拌器葉輪周圍的動(dòng)能增加而位能減少，從而使葉輪周圍高動(dòng)能的液體壓力低于葉輪中心低動(dòng)能的液體壓力，形成負(fù)壓狀態(tài)，通過(guò)與空心渦輪聯(lián)接的空心軸及其軸上部的進(jìn)氣孔吸入氣液反應(yīng)器上部空間的氣體，由空心渦輪的外側(cè)開(kāi)口不斷排出，在渦輪葉片的末端附近以最大的周邊速度被液流粉碎，分散成為細(xì)小氣泡，并與料液充分混合，徑向流動(dòng)至器壁附近，再經(jīng)擋板折流涌向液面。這樣，氣體在反應(yīng)器內(nèi)不斷被吸入至深層液相，并被攪拌分散，周而復(fù)始，形成均勻的氣液混合體系。實(shí)現(xiàn)高效氣液接觸，強(qiáng)化氣液傳質(zhì)過(guò)程，縮短氣液反應(yīng)時(shí)間。這種自吸式攪拌器吸氣能力的大小，取決于結(jié)構(gòu)型式、安裝方式、攪拌轉(zhuǎn)速和料液性質(zhì)等多種因素。如攪拌器葉輪與反應(yīng)器直徑比愈大、攪拌轉(zhuǎn)速愈高、液柱高度愈低、料液比重愈大、氣體的比重愈小，則吸氣量愈大、吸程高度愈高。
高效自吸式空心渦輪的上側(cè)或/和下側(cè)開(kāi)有上進(jìn)液孔或/和下進(jìn)液孔(圖2)。空心渦輪攪拌器旋轉(zhuǎn)時(shí)吸入液體，在離心力的作用下空心渦輪內(nèi)的液體被噴射出渦輪。在液體噴射的同時(shí)，一方面空心渦輪中心形成強(qiáng)烈的負(fù)壓，吸氣能力大大增加；另一方面氣體被噴射液體夾帶，噴射進(jìn)入料液中，強(qiáng)化了氣液分散性能。進(jìn)一步，因此，進(jìn)液孔的大小可以調(diào)節(jié)，很容易解決已有技術(shù)中存在的吸氣量與攪拌轉(zhuǎn)速的協(xié)調(diào)問(wèn)題。
高效自吸式氣液攪拌裝置反應(yīng)器上部空間氣體的進(jìn)氣孔設(shè)置于連軸器(圖2)中，很好地解決了由于空心攪拌軸由于開(kāi)設(shè)進(jìn)氣孔引起的強(qiáng)度下降問(wèn)題。當(dāng)聯(lián)軸器中不便開(kāi)孔時(shí)，本實(shí)用新型提出采用圖3所示的在空心攪拌軸吸氣孔開(kāi)孔位置設(shè)置加強(qiáng)環(huán)的結(jié)構(gòu)，對(duì)空心攪拌軸的開(kāi)孔進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。
自吸式渦輪攪拌器與非自吸式輔助攪拌器的組合，在擋板的協(xié)同下，進(jìn)一步強(qiáng)化反應(yīng)液的全槽混合、氣液分散、以及催化劑等顆粒物料的固液懸浮，提高催化劑效率。自吸式渦輪攪拌器的上部設(shè)立非自吸式輔助攪拌器可以強(qiáng)化料液混合，自吸式渦輪攪拌器的下部設(shè)立非自吸式輔助攪拌器可以強(qiáng)化固液懸浮。非自吸式輔助攪拌器優(yōu)選采用軸流型攪拌器。
攪拌軸的底部設(shè)立底支撐，提高攪拌器高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)定性，同時(shí)也利于反應(yīng)器的大型化。
高效自吸式氣液攪拌裝置，與容器、作為換熱部件的換熱夾套和/或內(nèi)換熱盤(pán)管等結(jié)合，可以構(gòu)成高效的氣液、氣液固反應(yīng)器(圖1)。夾套換熱部件優(yōu)選采用螺旋擋板夾套或半管夾套。一般的容器均為受壓容器，對(duì)于污水處理的氧化反應(yīng)及其他場(chǎng)合，也可為敞口的矩形槽。
在圖1的氣液、氣液固攪拌反應(yīng)器中，耐壓氣密型容器由立式圓筒6、上下封頭組成；攪拌驅(qū)動(dòng)部分包括電動(dòng)機(jī)1、減速裝置2、密封等必要組件；視需要可設(shè)置夾套10、內(nèi)換熱盤(pán)管8作為換熱部件。本實(shí)用新型提出的高效自吸式氣液反應(yīng)器的關(guān)鍵部件由空心渦輪自吸式作用攪拌器9、帶吸氣口的聯(lián)軸器5、空心攪拌軸7、輔助攪拌器12、底支撐13、以及擋板11所組成。另外，針對(duì)一定的操作壓力還附設(shè)包括安全閥、爆破膜在內(nèi)的安全防護(hù)裝置。
圖2中具體描述了高效自吸式攪拌運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)氣體、液體的流動(dòng)狀況。反應(yīng)器內(nèi)液面上部的氣體從下聯(lián)軸器5的進(jìn)氣口吸入、經(jīng)空心攪拌軸7、被空心渦輪自吸式攪拌器9分散于液相中；液體自空心渦輪的上或下進(jìn)液口吸入，在離心力的作用下噴射入液相，強(qiáng)化氣體分散和液相混合。
當(dāng)聯(lián)軸器中不便開(kāi)孔時(shí)，可采用圖3所示的在空心攪拌軸設(shè)置加強(qiáng)環(huán)的吸氣孔結(jié)構(gòu)，對(duì)空心攪拌軸的開(kāi)孔進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。
高效自吸式攪拌器的構(gòu)型可采用圖4所示的渦輪型和風(fēng)車型，葉片數(shù)為3～12，葉片形狀可以是直葉片也可以是后掠式。
實(shí)施例1有效容積為0.5m3的對(duì)硝基甲苯催化加氫反應(yīng)裝置，為提高反應(yīng)速率采用了700rpm的高速推進(jìn)式攪拌器，電機(jī)功率7.5kw，反應(yīng)時(shí)間5小時(shí)，每噸產(chǎn)品的攪拌功耗超過(guò)75kw·hr。采用3m3自吸式攪拌氣液反應(yīng)器，電機(jī)功率15kw，反應(yīng)時(shí)間8小時(shí)，每噸產(chǎn)品的攪拌功耗降低到30kw·hr，且產(chǎn)品中苯胺等低沸含量由原來(lái)的0.4％下降到0.2％。
實(shí)施例2容積3m3的對(duì)硝基苯甲酸催化加氫的反應(yīng)裝置，采用A315攪拌器，反應(yīng)時(shí)間為16小時(shí)，反應(yīng)過(guò)程中需補(bǔ)加催化劑，反應(yīng)結(jié)束后氫氣余壓比較高，造成氫氣的浪費(fèi)。改用圖1所示的自吸式攪拌結(jié)構(gòu)，反應(yīng)時(shí)間縮短到5小時(shí)以內(nèi)；反應(yīng)過(guò)程中無(wú)需補(bǔ)加催化劑，催化劑消耗量明顯下降；反應(yīng)結(jié)束后氫氣余壓比改造前降低0.3MPa，氫氣利用率也得以提高。
權(quán)利要求1.一種高效自吸式氣液攪拌裝置，其特征在于它依次具有攪拌驅(qū)動(dòng)裝置、聯(lián)軸器(4)、空心攪拌軸(7)、自吸式攪拌器(9)、輔助攪拌器(12)，自吸式攪拌器為空心渦輪型或空心風(fēng)車型，自吸式攪拌器的下側(cè)開(kāi)有下進(jìn)液孔(17)，或者自吸式攪拌器上側(cè)開(kāi)有上進(jìn)液孔(14)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高效自吸式攪拌器，其特征在于所說(shuō)自吸式攪拌器的內(nèi)葉片形狀為直葉片或者后掠式，優(yōu)選為后掠式；葉片數(shù)為3～12，優(yōu)選為6～8片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高效自吸式氣液攪拌裝置，其特征在于所說(shuō)輔助攪拌器為多層徑流型或軸流型，優(yōu)選軸流型；輔助攪拌器的數(shù)量至少是一層且位于自吸式攪拌器的下方，或者自吸式攪拌器的上下各設(shè)置一層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高效自吸式氣液攪拌裝置，其特征在于所說(shuō)的聯(lián)軸器(4)上設(shè)有反應(yīng)器上部空間氣體的進(jìn)氣孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高效自吸式氣液攪拌裝置，其特征在于所說(shuō)的空心攪拌軸設(shè)有吸氣孔，并設(shè)有加強(qiáng)環(huán)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高效自吸式氣液攪拌裝置，其特征在于所說(shuō)的空心攪拌軸的下端部設(shè)有底支撐(13)，底支撐固定在反應(yīng)器底部。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種高效自吸式氣液攪拌裝置，它依次具有攪拌驅(qū)動(dòng)裝置、聯(lián)軸器、空心攪拌軸、自吸式攪拌器、輔助攪拌器，自吸式攪拌器為空心渦輪型或空心風(fēng)車型，自吸式攪拌器的下側(cè)開(kāi)有下進(jìn)液孔，或者空心渦輪型自吸式攪拌器上側(cè)開(kāi)有上進(jìn)液孔。本實(shí)用新型氣液接觸良好，氣泡直徑小且分布均勻，界面更新速率快，傳質(zhì)效率提高，化學(xué)反應(yīng)更加完全，從而產(chǎn)品的收率顯著提高。如采用高效自吸式攪拌的反應(yīng)器由CO
文檔編號(hào)B01F7/18GK2649170SQ200320109378
公開(kāi)日2004年10月20日 申請(qǐng)日期2003年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月28日
發(fā)明者趙建明, 黃宣東, 馮連芳, 程邁 申請(qǐng)人:杭州原正化學(xué)工程技術(shù)裝備有限公司