專利名稱：高效自吸式氣液攪拌裝置的制作方法
技術領域：
本實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過程，例如，液相催化加氫、氧化、胺化、氟化、烷基化等。
技術背景氣液分散與反應問題在石油、生物、醫(yī)藥化工中是經(jīng)常遇到的，例如催化加氫過程、催化氧化過程、生物發(fā)酵過程等。但由于涉及到氣體分散、氣-液傳質(zhì)以及固體懸浮等過程，比較復雜，理論研究工作很不系統(tǒng)。并且由于各研究者的研究對象、幾何結構、操作因素和研究范圍等的不同，所得結論不盡相同，有些甚至是矛盾的，成為攪拌領域的難點。近年來，隨著對氣體分散、固體懸浮等單元過程研究的深入以及聚合反應工程和生化工程等的蓬勃發(fā)展，結合一些具體的工藝過程，對氣液、氣液固體系攪拌分散的研究越來越多。
由于氣液的不相容性，氣液反應器中未反應的氣體聚積在反應器內(nèi)的上部空間，嚴重影響反應速率和效率。自吸式氣液反應器是一種不用額外的氣體輸送機械而能自行吸入反應器上部空間氣體進行氣液接觸的反應裝置，通過特殊設計的空心渦輪攪拌器在進行料液混合的同時不斷吸入外界的氣體，達到氣液分散、反應的目的。
文獻(何志敏，李可求，“自吸式氣液反應器的設計與應用”，中國醫(yī)藥工業(yè)雜志，2000，31(1)34-36)介紹了自吸式氣液反應器的原理、結構、設計和成功地應用于化學制藥、染料、食品油脂等工業(yè)的氫化、胺化、氟化、烷基化等生產(chǎn)過程的實例。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，渦輪與反應器底部距離y＝Di，吸氣口直徑Φ＝3Di/8。與常規(guī)攪拌反應器相比，明顯縮短了氣液反應時間。
中國專利(ZL87211458U)提供了一種自吸循環(huán)深層分散式加氫反應器，由葉輪和負壓管構成。用于氫化時氫氣利用率高、催化劑消耗少。中國專利(ZL92231345.8)提出的自吸氣攪拌裝置在槽體上裝有由帶有導流葉片和循環(huán)孔的穩(wěn)流器、帶有大小葉片的葉輪和進氣吊管，用于大噸位的空氣氧化反應過程。負壓管的存在使結構復雜化。
中國專利(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。結構簡單、重量輕、能夠降低空心轉(zhuǎn)軸的強度要求和攪拌功率，適合高固含量體系，顯著提高氣液接觸效率。中國專利(ZL99232050.X)提供了一種氣液反應加速增效裝置，其特征在于裝置包括氣液反應釜、裝于反應釜內(nèi)的與電動機連結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，可提高有機合成氣液兩相物資在反應釜中進行化學反應的效率。攪拌軸上直接開吸氣孔勢必影響攪拌軸的強度。
綜合分析上述的自吸式氣液反應器，已有的技術存在以下的弊端1、由于氣體的密度遠小于液體，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，已有的技術很難解決吸氣量與攪拌轉(zhuǎn)速的協(xié)調(diào)問題。
2、吸氣孔直接開在空心攪拌軸上，嚴重影響了攪拌軸的強度；專利(ZL87211458U，ZL92231345.8)采用了實心攪拌軸與負壓管的組合，但結構復雜。
3、攪拌軸的無底支撐結構，攪拌運轉(zhuǎn)時不夠穩(wěn)定，并且極易損壞，給反應器的大型化設計也帶來困難。

發(fā)明內(nèi)容
本實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車型，自吸式攪拌器的下側(cè)開有下進液孔，或者空心渦輪型自吸式攪拌器上側(cè)開有上進液孔。
本實用新型的優(yōu)點1)與氣體外循環(huán)技術比較，本實用新型節(jié)約了氣體輸送設備及其附件，相應地節(jié)約了投資和能源、以及設備的維護管理；2)采用本實用新型提出的高效自吸式氣液攪拌裝置的反應過程，都在不同程度上縮短了反應時間。與非自吸式攪拌氣液反應器比較，高效自吸式反應器的操作時間縮短1/3至1/2，從而大大提高反應器的時空生產(chǎn)能力，能耗也明顯降低；3)采用本實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，化學反應更加完全，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，縮短反應時間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)變得簡單，反應控制比較嚴格，產(chǎn)品質(zhì)量好，副產(chǎn)物減少。


圖1是采用本實用新型的高效氣液、氣液固反應器結構示意圖；圖2是本實用新型的高效自吸式氣液攪拌器、帶氣孔聯(lián)軸器的原理、結構圖；圖3是空心攪拌軸上帶加強環(huán)的吸氣孔結構示意圖；圖4是本實用新型的自吸式攪拌器的不同構型示意圖。
具體實施方式
本實用新型的關鍵部件是空心渦輪攪拌器，在容器中旋轉(zhuǎn)時促使液流激烈湍動，使攪拌器葉輪周圍的動能增加而位能減少，從而使葉輪周圍高動能的液體壓力低于葉輪中心低動能的液體壓力，形成負壓狀態(tài)，通過與空心渦輪聯(lián)接的空心軸及其軸上部的進氣孔吸入氣液反應器上部空間的氣體，由空心渦輪的外側(cè)開口不斷排出，在渦輪葉片的末端附近以最大的周邊速度被液流粉碎，分散成為細小氣泡，并與料液充分混合，徑向流動至器壁附近，再經(jīng)擋板折流涌向液面。這樣，氣體在反應器內(nèi)不斷被吸入至深層液相，并被攪拌分散，周而復始，形成均勻的氣液混合體系。實現(xiàn)高效氣液接觸，強化氣液傳質(zhì)過程，縮短氣液反應時間。這種自吸式攪拌器吸氣能力的大小，取決于結構型式、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)開有上進液孔或/和下進液孔(圖2)?？招臏u輪攪拌器旋轉(zhuǎn)時吸入液體，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，一方面空心渦輪中心形成強烈的負壓，吸氣能力大大增加；另一方面氣體被噴射液體夾帶，噴射進入料液中，強化了氣液分散性能。進一步，因此，進液孔的大小可以調(diào)節(jié)，很容易解決已有技術中存在的吸氣量與攪拌轉(zhuǎn)速的協(xié)調(diào)問題。
高效自吸式氣液攪拌裝置反應器上部空間氣體的進氣孔設置于連軸器(圖2)中，很好地解決了由于空心攪拌軸由于開設進氣孔引起的強度下降問題。當聯(lián)軸器中不便開孔時，本實用新型提出采用圖3所示的在空心攪拌軸吸氣孔開孔位置設置加強環(huán)的結構，對空心攪拌軸的開孔進行補強。
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，進一步強化反應液的全槽混合、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立非自吸式輔助攪拌器可以強化料液混合，自吸式渦輪攪拌器的下部設立非自吸式輔助攪拌器可以強化固液懸浮。非自吸式輔助攪拌器優(yōu)選采用軸流型攪拌器。
攪拌軸的底部設立底支撐，提高攪拌器高速運轉(zhuǎn)時的穩(wěn)定性，同時也利于反應器的大型化。
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)換熱盤管等結合，可以構成高效的氣液、氣液固反應器(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，對于污水處理的氧化反應及其他場合，也可為敞口的矩形槽。
在圖1的氣液、氣液固攪拌反應器中，耐壓氣密型容器由立式圓筒6、上下封頭組成；攪拌驅(qū)動部分包括電動機1、減速裝置2、密封等必要組件；視需要可設置夾套10、內(nèi)換熱盤管8作為換熱部件。本實用新型提出的高效自吸式氣液反應器的關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，針對一定的操作壓力還附設包括安全閥、爆破膜在內(nèi)的安全防護裝置。
圖2中具體描述了高效自吸式攪拌運轉(zhuǎn)時氣體、液體的流動狀況。反應器內(nèi)液面上部的氣體從下聯(lián)軸器5的進氣口吸入、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液口吸入，在離心力的作用下噴射入液相，強化氣體分散和液相混合。
當聯(lián)軸器中不便開孔時，可采用圖3所示的在空心攪拌軸設置加強環(huán)的吸氣孔結構，對空心攪拌軸的開孔進行補強。
高效自吸式攪拌器的構型可采用圖4所示的渦輪型和風車型，葉片數(shù)為3～12，葉片形狀可以是直葉片也可以是后掠式。
實施例1有效容積為0.5m3的對硝基甲苯催化加氫反應裝置，為提高反應速率采用了700rpm的高速推進式攪拌器，電機功率7.5kw，反應時間5小時，每噸產(chǎn)品的攪拌功耗超過75kw·hr。采用3m3自吸式攪拌氣液反應器，電機功率15kw，反應時間8小時，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的0.4％下降到0.2％。
實施例2容積3m3的對硝基苯甲酸催化加氫的反應裝置，采用A315攪拌器，反應時間為16小時，反應過程中需補加催化劑，反應結束后氫氣余壓比較高，造成氫氣的浪費。改用圖1所示的自吸式攪拌結構，反應時間縮短到5小時以內(nèi)；反應過程中無需補加催化劑，催化劑消耗量明顯下降；反應結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車型，自吸式攪拌器的下側(cè)開有下進液孔(17)，或者自吸式攪拌器上側(cè)開有上進液孔(14)。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種高效自吸式攪拌器，其特征在于所說自吸式攪拌器的內(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置一層。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種高效自吸式氣液攪拌裝置，其特征在于所說的聯(lián)軸器(4)上設有反應器上部空間氣體的進氣孔。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種高效自吸式氣液攪拌裝置，其特征在于所說的空心攪拌軸設有吸氣孔，并設有加強環(huán)。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種高效自吸式氣液攪拌裝置，其特征在于所說的空心攪拌軸的下端部設有底支撐(13)，底支撐固定在反應器底部。
專利摘要本實用新型公開了一種高效自吸式氣液攪拌裝置，它依次具有攪拌驅(qū)動裝置、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車型，自吸式攪拌器的下側(cè)開有下進液孔，或者空心渦輪型自吸式攪拌器上側(cè)開有上進液孔。本實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，化學反應更加完全，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器由CO
文檔編號B01F7/18GK2649170SQ200320109378
公開日2004年10月20日 申請日期2003年10月28日 優(yōu)先權日2003年10月28日
發(fā)明者趙建明, 黃宣東, 馮連芳, 程邁 申請人:杭州原正化學工程技術裝備有限公司