CN2649170Y - 高效自吸式气液搅拌装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高效自吸式气液搅拌装置，它依次具有搅拌驱动装置、联轴器、空心搅拌轴、自吸式搅拌器、辅助搅拌器，自吸式搅拌器为空心涡轮型或空心风车型，自吸式搅拌器的下侧开有下进液孔，或者空心涡轮型自吸式搅拌器上侧开有上进液孔。本实用新型气液接触良好，气泡直径小且分布均匀，界面更新速率快，传质效率提高，化学反应更加完全，从而产品的收率显著提高。如采用高效自吸式搅拌的反应器由CO₂制备纳米碳酸钙，可获得粒度分布均匀及粒度可控的纳米碳酸钙，缩短反应时间50％以上，提高CO₂利用率70％以上；充分掌握控制吸气的规律，使吸气量与搅拌转速、搅拌能耗的协调变得简单，反应控制比较严格，产品质量好，副产物减少。

Description

高效自吸式气液搅拌装置

                          技术领域

本实用新型涉及一种高效自吸式气液搅拌装置，尤其适用于石油、化工、医药及其生物工程行业中的气一液、气一液一固非均相反应过程，例如，液相催化加氢、氧化、胺化、氟化、烷基化等。

                          技术背景

气液分散与反应问题在石油、生物、医药化工中是经常遇到的，例如催化加氢过程、催化氧化过程、生物发酵过程等。但由于涉及到气体分散、气-液传质以及固体悬浮等过程，比较复杂，理论研究工作很不***。并且由于各研究者的研究对象、几何结构、操作因素和研究范围等的不同，所得结论不尽相同，有些甚至是矛盾的，成为搅拌领域的难点。近年来，随着对气体分散、固体悬浮等单元过程研究的深入以及聚合反应工程和生化工程等的蓬勃发展，结合一些具体的工艺过程，对气液、气液固体系搅拌分散的研究越来越多。

由于气液的不相容性，气液反应器中未反应的气体聚积在反应器内的上部空间，严重影响反应速率和效率。自吸式气液反应器是一种不用额外的气体输送机械而能自行吸入反应器上部空间气体进行气液接触的反应装置，通过特殊设计的空心涡轮搅拌器在进行料液混合的同时不断吸入外界的气体，达到气液分散、反应的目的。

文献(何志敏，李可求，“自吸式气液反应器的设计与应用”，中国医药工业杂志，2000，31(1)：34-36)介绍了自吸式气液反应器的原理、结构、设计和成功地应用于化学制药、染料、食品油脂等工业的氢化、胺化、氟化、烷基化等生产过程的实例。采用了单层空心涡轮搅拌器，搅拌器外径Di/釜内径DT＝1/3，涡轮高度h＝Di/4，涡轮与反应器底部距离y＝Di，吸气口直径Φ＝3Di/8。与常规搅拌反应器相比，明显缩短了气液反应时间。

中国专利(ZL87211458U)提供了一种自吸循环深层分散式加氢反应器，由叶轮和负压管构成。用于氢化时氢气利用率高、催化剂消耗少。中国专利(ZL92231345.8)提出的自吸气搅拌装置在槽体上装有由带有导流叶片和循环孔的稳流器、带有大小叶片的叶轮和进气吊管，用于大吨位的空气氧化反应过程。负压管的存在使结构复杂化。

中国专利(ZL97226395.0)提供一种涡轮桨自吸式搅拌器，包括带吸气孔的接头、与接头连结的空心转轴、垂直固定在空心转轴下端并与其连通的返回管、返回管外壁上固定有与空心转轴平行的左右叶片。结构简单、重量轻、能够降低空心转轴的强度要求和搅拌功率，适合高固含量体系，显著提高气液接触效率。中国专利(ZL99232050.X)提供了一种气液反应加速增效装置，其特征在于装置包括气液反应釜、装于反应釜内的与电动机连结且其山有叶轮的空心搅拌轴、空心搅拌轴周壁上有若干小孔，可提高有机合成气液两相物资在反应釜中进行化学反应的效率。搅拌轴上直接开吸气孔势必影响搅拌轴的强度。

综合分析上述的自吸式气液反应器，已有的技术存在以下的弊端：

1、由于气体的密度远小于液体，依赖于气体的离心力，为增加气体的吸入量搅拌转速一般很高，液相搅拌功率偏大。因此，已有的技术很难解决吸气量与搅拌转速的协调问题。

2、吸气孔直接开在空心搅拌轴上，严重影响了搅拌轴的强度；专利(ZL87211458U，ZL92231345.8)采用了实心搅拌轴与负压管的组合，但结构复杂。

3、搅拌轴的无底支撑结构，搅拌运转时不够稳定，并且极易损坏，给反应器的大型化设计也带来困难。

                          发明内容

本实用新型的目的是提供一种高效自吸式气液搅拌装置。

它依次具有搅拌驱动装置、联轴器、空心搅拌轴、自吸式搅拌器、辅助搅拌器、，自吸式搅拌器为空心涡轮型或空心风车型，自吸式搅拌器的下侧开有下进液孔，或者空心涡轮型自吸式搅拌器上侧开有上进液孔。

本实用新型的优点：

1)与气体外循环技术比较，本实用新型节约了气体输送设备及其附件，相应地节约了投资和能源、以及设备的维护管理；

2)采用本实用新型提出的高效自吸式气液搅拌装置的反应过程，都在不同程度上缩短了反应时间。与非自吸式搅拌气液反应器比较，高效自吸式反应器的操作时间缩短1/3至1/2，从而大大提高反应器的时空生产能力，能耗也明显降低；

3)采用本实用新型提出的高效自吸式气液搅拌装置，气液接触良好，气泡直径小且分布均匀，界面更新速率快，传质效率提高，化学反应更加完全，从而产品的收率显著提高。如采用高效自吸式搅拌的反应器由CO₂制备纳米碳酸钙，可获得粒度分布均匀及粒度可控的纳米碳酸钙，缩短反应时间50％以上，提高CO₂利用率70％以上；

4)充分掌握控制吸气的规律，使吸气量与搅拌转速、搅拌能耗的协调变得简单，反应控制比较严格，产品质量好，副产物减少。

                          附图说明

图1是采用本实用新型的高效气液、气液固反应器结构示意图；

图2是本实用新型的高效自吸式气液搅拌器、带气孔联轴器的原理、结构图；

图3是空心搅拌轴上带加强环的吸气孔结构示意图；

图4是本实用新型的自吸式搅拌器的不同构型示意图。

                        具体实施方式

本实用新型的关键部件是空心涡轮搅拌器，在容器中旋转时促使液流激烈湍动，使搅拌器叶轮周围的动能增加而位能减少，从而使叶轮周围高动能的液体压力低于叶轮中心低动能的液体压力，形成负压状态，通过与空心涡轮联接的空心轴及其轴上部的进气孔吸入气液反应器上部空间的气体，由空心涡轮的外侧开口不断排出，在涡轮叶片的末端附近以最大的周边速度被液流粉碎，分散成为细小气泡，并与料液充分混合，径向流动至器壁附近，再经挡板折流涌向液面。这样，气体在反应器内不断被吸入至深层液相，并被搅拌分散，周而复始，形成均匀的气液混合体系。实现高效气液接触，强化气液传质过程，缩短气液反应时间。这种自吸式搅拌器吸气能力的大小，取决于结构型式、安装方式、搅拌转速和料液性质等多种因素。如搅拌器叶轮与反应器直径比愈大、搅拌转速愈高、液柱高度愈低、料液比重愈大、气体的比重愈小，则吸气量愈大、吸程高度愈高。

高效自吸式空心涡轮的上侧或/和下侧开有上进液孔或/和下进液孔(图2)。空心涡轮搅拌器旋转时吸入液体，在离心力的作用下空心涡轮内的液体被喷射出涡轮。在液体喷射的同时，一方面空心涡轮中心形成强烈的负压，吸气能力大大增加；另一方面气体被喷射液体夹带，喷射进入料液中，强化了气液分散性能。进一步，因此，进液孔的大小可以调节，很容易解决已有技术中存在的吸气量与搅拌转速的协调问题。

高效自吸式气液搅拌装置：反应器上部空间气体的进气孔设置于连轴器(图2)中，很好地解决了由于空心搅拌轴由于开设进气孔引起的强度下降问题。当联轴器中不便开孔时，本实用新型提出采用图3所示的在空心搅拌轴吸气孔开孔位置设置加强环的结构，对空心搅拌轴的开孔进行补强。

自吸式涡轮搅拌器与非自吸式辅助搅拌器的组合，在挡板的协同下，进一步强化反应液的全槽混合、气液分散、以及催化剂等颗粒物料的固液悬浮，提高催化剂效率。自吸式涡轮搅拌器的上部设立非自吸式辅助搅拌器可以强化料液混合，自吸式涡轮搅拌器的下部设立非自吸式辅助搅拌器可以强化固液悬浮。非自吸式辅助搅拌器优选采用轴流型搅拌器。

搅拌轴的底部设立底支撑，提高搅拌器高速运转时的稳定性，同时也利于反应器的大型化。

高效自吸式气液搅拌装置，与容器、作为换热部件的换热夹套和/或内换热盘管等结合，可以构成高效的气液、气液固反应器(图1)。夹套换热部件优选采用螺旋挡板夹套或半管夹套。一般的容器均为受压容器，对于污水处理的氧化反应及其他场合，也可为敞口的矩形槽。

在图1的气液、气液固搅拌反应器中，耐压气密型容器由立式圆筒6、上下封头组成；搅拌驱动部分包括电动机1、减速装置2、密封等必要组件；视需要可设置夹套10、内换热盘管8作为换热部件。本实用新型提出的高效自吸式气液反应器的关键部件由空心涡轮自吸式作用搅拌器9、带吸气口的联轴器5、空心搅拌轴7、辅助搅拌器12、底支撑13、以及挡板11所组成。另外，针对一定的操作压力还附设包括安全阀、***膜在内的安全防护装置。

图2中具体描述了高效自吸式搅拌运转时气体、液体的流动状况。反应器内液面上部的气体从下联轴器5的进气口吸入、经空心搅拌轴7、被空心涡轮自吸式搅拌器9分散于液相中；液体自空心涡轮的上或下进液口吸入，在离心力的作用下喷射入液相，强化气体分散和液相混合。

当联轴器中不便开孔时，可采用图3所示的在空心搅拌轴设置加强环的吸气孔结构，对空心搅拌轴的开孔进行补强。

高效自吸式搅拌器的构型可采用图4所示的涡轮型和风车型，叶片数为3～12，叶片形状可以是直叶片也可以是后掠式。

实施例1：

有效容积为0.5m³的对硝基甲苯催化加氢反应装置，为提高反应速率采用了700rpm的高速推进式搅拌器，电机功率7.5kw，反应时间5小时，每吨产品的搅拌功耗超过75kw·hr。采用3m³自吸式搅拌气液反应器，电机功率15kw，反应时间8小时，每吨产品的搅拌功耗降低到30kw·hr，且产品中苯胺等低沸含量由原来的0.4％下降到0.2％。

实施例2：

容积3m³的对硝基苯甲酸催化加氢的反应装置，采用A315搅拌器，反应时间为16小时，反应过程中需补加催化剂，反应结束后氢气余压比较高，造成氢气的浪费。改用图1所示的自吸式搅拌结构，反应时间缩短到5小时以内；反应过程中无需补加催化剂，催化剂消耗量明显下降；反应结束后氢气余压比改造前降低0.3MPa，氢气利用率也得以提高。

Claims (6)

1.一种高效自吸式气液搅拌装置，其特征在于它依次具有搅拌驱动装置、联轴器(4)、空心搅拌轴(7)、自吸式搅拌器(9)、辅助搅拌器(12)，自吸式搅拌器为空心涡轮型或空心风车型，自吸式搅拌器的下侧开有下进液孔(17)，或者自吸式搅拌器上侧开有上进液孔(14)。

2.根据权利要求1所述的一种高效自吸式搅拌器，其特征在于所说自吸式搅拌器的内叶片形状为直叶片或者后掠式，优选为后掠式；叶片数为3～12，优选为6～8片。

3.根据权利要求1所述的一种高效自吸式气液搅拌装置，其特征在于：所说辅助搅拌器为多层径流型或轴流型，优选轴流型；辅助搅拌器的数量至少是一层且位于自吸式搅拌器的下方，或者自吸式搅拌器的上下各设置一层。

4.根据权利要求1所述的一种高效自吸式气液搅拌装置，其特征在于：所说的联轴器(4)上设有反应器上部空间气体的进气孔。

5.根据权利要求1所述的一种高效自吸式气液搅拌装置，其特征在于：所说的空心搅拌轴设有吸气孔，并设有加强环。

6.根据权利要求1所述的一种高效自吸式气液搅拌装置，其特征在于所说的空心搅拌轴的下端部设有底支撑(13)，底支撑固定在反应器底部。