自吸式內循環超重場氣液反應器的製作方法

2023-10-10 18:55:09

專利名稱：自吸式內循環超重場氣液反應器的製作方法
技術領域：
本發明涉及化工、石油化工、環境、製藥、輕工等領域的氣液反應裝置， 特別涉及具有傳質性能好，自吸能力強，帶有超重力場的一種自吸式內循環超 重場氣液反應器。
背景技術：
在化工、石油化工、環境、製藥、輕工等許多領域都廣泛涉及氣液反應， 常規的氣液反應器包括氣體以氣泡形態分散在液相中的鼓泡塔反應器、攪拌 鼓泡釜式反應器和板式反應器，液體以液滴狀分散在氣相中的噴霧、噴射和文 氏反應器等，液體以膜狀運動與氣相進行接觸的填料塔反應器和降膜反應器等。 近年來，出現了自吸式氣液反應器、環流反應器、超重力旋轉床反應器等新型 反應器。
在很多場合，要求在反應器內能處理大量液體時， 一般選用鼓泡塔和攪拌 鼓泡釜式反應器。常用的釜式反應器的氣流均由壓縮機或其它氣體輸送機械供 應，在一定的容器內以機械攪拌進行料液混合與氣體分散，達到反應的目的。 這種方式供應的氣流均需要專門的機械設備以及相應的安裝場地、輔助設施、 動力消耗和維護管理，有的還存在著材料腐蝕問題。因此，不用氣體輸送機械 而以反應器的機械攪拌在運轉過程中直接引入氣體的氣液接觸設備開始受到人 們的重視。基於此問題就出現了自吸式氣液反應器。
常規自吸式反應器的主要部件為多稜形空心渦輪攪拌器，在容器中它將反 應料液以一定速度混合時，不斷將液體和氣體吸入而排出，在反應器中形成氣 液混合體系，實現氣液接觸。它比普通鼓泡攪拌器相比，實現了氣體自動吸入， 氣液接觸傳質面積有了提高，改善了氣液反應，但由於吸入機構是渦輪，轉速 受到軸穩定性的限制，所以抽吸力度不夠，尤其在化學反應過程中，如料液溫 度達到沸點而其飽和蒸汽壓接近大氣壓時，如氣源為常壓，則不能吸氣。
常規環流反應器是傳統的鼓泡塔基礎上發展起來的一種新型反應器，按結 構可以分為內環流和外環流反應器兩種形式。如內環流氣升式中心進氣的反應 器，內部無攪拌裝置，是在傳統的鼓泡塔中加入導流筒構成的。當氣體通過氣 體分布器進入中心導流筒後，造成管內流體密度比管外低，在靜壓差和進入氣 體的動量作用下，使液體攜帶氣泡在反應器內形成循環流動，從而達到較好的 氣液混合。環流反應器具有比較好的宏觀流動，但不能提供強力剪切分散，所 以不能獲得細小的氣泡或氣泡群。
常規超重力旋轉床反應器是利用轉子高速旋轉產生的超重力場(離心力場) 代替傳統氣液傳質設備所處的重力場，使重力加速度"g"轉變為離心力場中的離
心加速度"g"，，它就不再是常數，其大小(g，=m)2)隨旋轉角速度co和床層結構
的不同而改變，突破了重力場中"g"的限制，從而使傳質過程的強化稱為可能並獲得重大突破，是化學設備的"電晶體"。但是，該反應器對設備加工工藝要求很 高，旋轉密封的地方較多，而且密封件更換頻繁，這成為超重力技術攻關點。

發明內容
本發明的目的是提供一種自吸式內循環超重場氣液反應器，兼有自吸式反 應器、環流反應器和超重力反應器的主要功能，同時克服它們的有關缺點。使 整體設備結構緊湊，加工工藝簡單，性能可靠。
按照本發明所提供設計方案，所述自吸式內循環超重場氣液反應器包括反 應器容器的主體、動力轉子、定子、導流筒、氣體進口管、驅動機構和密封機 構，其特徵在於驅動機構位於主體的上面，驅動機構的軸伸入主體內，在軸 的下端安裝動力轉子，在軸的外面有安裝於主體上的連接管，定子安裝於聯接 管的下端，動力轉子位於定子內，在定子的上面、連接管的外面有導流筒，在 定子的下面有氣體進口管，在主體與軸的結合部設置密封機構。
所述反應器容器的主體的內壁設有擋板。擋板的數量為兩塊或4塊或6塊，
或6塊以上。所述的定子的上部開有進液口，定子的底板上開有氣體進口，氣
體進口與氣體進口管相連，定子的周向側面開有若干氣液兩相出口的定子小孔。 所述動力轉子帶有葉片、葉輪及外圓環，葉片的內端與葉輪相切，葉片的外端 與外圓環相連，外圓環上開有若干轉子小孔，定子的周向側面開有若干氣液兩 相出口的定子小孔，轉子小孔在軸向上與定子小孔的位置錯位。
所述的動力轉子和定子的安裝間隙在0.5~2mm。所述導流筒的上端開有若 幹個V型溢流槽。所述的驅動機構包括高速電機、連軸器、機座、測速盤、軸、 滾動軸承、軸套、聯接管、四氟滑動軸承，其中高速電機利用連軸器與軸連接， 滾動軸承和四氟滑動軸承分別安裝在軸的上部和下部，測速盤固定在連軸器的 下方。所述的密封機構為旋轉軸密封；旋轉軸密封包括填充改性的四氟乙烯油 封，或機械密封。所述容器主體包含內筒體、位於內筒體外面的夾套及位於內 筒體內壁上的若干平行於軸的擋板。
本發明有益效果是引入了高速旋轉的動力轉子和定子的組合，定子結構上 有進液口和進氣口，動力轉子的高速旋轉提供強大的動力，動力轉子隨直徑方 向的動能增加而位能減少，從而使動力轉子外圍高動能的流體壓力低於轉子中 心低動能的壓力，產生空位狀態，流體由動力轉子中心向轉子外圍流動，導致 轉子中心空位，形成該區域的真空，液體和氣體分別從進料口吸入，形成本裝 置的自吸能力；兩相流體經過動力轉子帶有小孔的外圓環流出，在動力轉子和 定子小間隙(0.5 2mm)腔體內剪切、碾磨、撞擊，由動力轉子中心到該區域離 心加速度不斷增大，氣液兩相呈現超重力場，同時分散成細小氣泡，增大氣液 傳質面積、傳質係數，提高了氣液反應速率；動力轉子的小孔與定子的小孔位 置錯位，使得流體在動力轉子和定子的間隙停留時間加長；兩相流體再從定子 的小孔噴出，形成密集的小氣泡在反應器容器主體由下而上流動，經擋板折流 消除容器宏觀漩渦，增長了停留時間、抑制了氣泡的聚並形成均勻的氣液混合 體系；上升的流體經過反應後，氣含量較少的液體溢流到容器液面下的流體導 流筒，提供給定子的進液口，形成液相流體的循環，導流筒的V型槽使流體剪
5切力和剪切長度提高，同時導流筒可防止容器內的短路循環。通過這些機構和 作用使得氣液反應在本發明裝置實現自吸、內循環、超重力的多功能，達到提 高氣液傳質速率、增大氣液接觸面積、加快氣液反應的效果。


圖1為自吸式內循環超重場氣液反應器結構示意圖； 圖2為動力轉子的結構；
圖3為圖2的俯視圖； 圖4為定子的結構；
圖5為圖4的俯視圖。
具體實施例方式
圖1所示為自吸式內循環超重場氣液反應器結構示意圖，主要由反應器容
器主體l、動力轉子5、定子6、導流筒2、氣體進口管7、驅動機構4和密封機 構3組成，其特徵在於主體1與驅動機構4和密封機構3相連，動力轉子5 與驅動機構4的軸4.9連接，並且安裝在定子6內，定子6與驅動機構4的聯接 管4.7相連，導流筒2與定子6相連，氣體進口管7設在定子6的下部。
所述容器主體1包含內筒體1.1、位於內筒體1.1外面的夾套1.2及位於內 筒體l.l內壁上的若干平行於軸4.9的擋板1.3。相關工藝管口主要有進液口 1.4、 出氣口 1.5、進氣口7和出液口 1.6等。反應器容器主體l內設有擋板1.3，數量 可為二塊，也可四塊或者六塊，擋板數量可根據容器大小來確定，防止容器內 流體的漩渦形成，增大氣液兩相的接觸時間，抑制了氣泡的聚並形成均勻的氣 液混合體系。
圖4、 5所示為定子的結構，定子6上部開有4個進液口6.1，下部定子底板6.4 上開有氣體進口6.3，而周向側面開有每排16個共4排氣液兩相出口的小孔6.2。 此結構形成的腔體使氣液兩相由各自的進口向徑向流動，再從小孔6.2噴出，達 到形成密集的小氣泡且具有足夠動能的目的。
圖2、 3所示為動力轉子的結構，動力轉子5帶有葉片5.1、葉輪5.4及外圓 環5.3，葉片5.1的內端與葉輪相切，葉片5.1的外端與外圓環5.3連接成整體， 外圓環5.3上開有每排16個共3排的轉子小孔5.2，該轉子小孔5.2在軸向上與 圖3所示的定子小孔6.2的位置錯位。葉片5.1因相切而偏離中心，如圖2順時 針旋轉可使得旋轉時流體被作用的面積加大，流體獲得的動能加大。
圖2、 3和圖4、 5所示的動力轉子5和定子6加工安裝間隙在0.5 2mm。 間隙腔體內具有剪切、碾磨、撞擊，由動力轉子中心到該區域離心加速度不斷 增大，氣液兩相呈現超重力場，同時分散成細小氣泡，增大氣液傳質面積、傳 質係數，提高了氣液反應速率。
導流筒2設在定子6上，並在其上端開有數個V型溢流槽2.1，其高度位於 液面下，由定子6噴出後的兩相流體在容器內上升後，氣含量較少的液體溢流 到容器液面下的導流筒2，提供給定子6的進液口，形成液相流體的循環，導流 筒2的V型溢流槽2.1使流體剪切力和剪切長度提高，同時導流筒2可防止容 器內的短路循環。驅動機構4由高速電機4.1、連軸器4.2、機座4.3、測速盤4.4、軸4.9、滾 動軸承4.5、軸套4.6、聯接管4.7、四氟滑動軸承4.8組成，其中高速電機4.1 通過連軸器4.2與軸4.9連接，2隻滾動軸承4.5和四氟滑動軸承4.8安裝在軸 4.9的上部和下部，滾動軸承之間有軸套4.6，測速盤4.4固定在連軸器4.2的下 方。高速電機為直流伺服電機，速度可調，軸的轉速通過測速盤和外加的測速 探頭測定轉速。2隻滾動軸承和四氟滑動軸承的組合，為了提高懸臂軸的旋轉穩 定性。滑動軸承採用聚四氟乙烯材料，考慮其摩擦係數低和物料可能有腐蝕。
為了避免洩漏，密封機構3主要指旋轉軸密封，其型式為填充改性的四氟 乙烯油封，或機械密封，安裝在聯接管4.7上部。圖1所示的為填充改性的四氟 乙烯油封，最大使用旋轉線速度30m/s，最大使用壓力2.0MPa，適應大多數氣 液反應的要求。其它靜密封部位，使用柔性墊片或O型圈可方便解決。
工作時，將各自物料液體和氣體與容器1上的管口連接好，液體物料首先 加入容器l，開啟高速電機4.1，動力轉子5高速旋轉提供強大的動力，動力轉 子隨直徑方向的動能增加而位能減少，從而使動力轉子外圍高動能的流體壓力 低於轉子中心低動能的壓力，產生空位狀態，流體由動力轉子中心向轉子外圍 流動，導致轉子中心空位，形成該區域的真空，液體從導流筒2的V型槽溢入， 進入定子6的進液口 6.1，定子腔內充滿液體後，使中心區域的真空度加大，這 時開啟氣體進氣管7，氣體很快被定子的進氣口6.3吸入，形成了自吸能力。兩 相流體經過動力轉子外圓環5.3的轉子小孔5.2流出，在動力轉子和定子的間隙 (0.5mm)腔體內剪切、碾磨、撞擊，由動力轉子中心到該區域離心加速度不斷 增大，當轉速為6000rpm和轉子直徑50mm時，離心加速度9860m/s2即1000g 氣液兩相呈現超重力場，同時分散成細小氣泡，增大氣液傳質面積、傳質係數， 提高了氣液反應速率。動力轉子的轉子小孔5.2與定子小孔6.2的位置錯位，使 得流體在動力轉子和定子的間隙停留時間加長。兩相流體再從定子的小孔噴出， 形成密集的小氣泡在反應器容器主體由下而上流動，經擋板1.3折流消除容器宏 觀漩渦，增長了停留時間、抑制了氣泡的聚並形成均勻的氣液混合體系。上升 的流體經過反應後，氣含量較少的液體溢流到容器液面下的導流筒，提供給定 子的進液口，形成液相流體的循環，導流筒的V型槽使流體剪切力和剪切長度 提高，同時導流筒可防止容器內的短路循環。由此實現自吸、內循環、超重力 的多功能，達到提高氣液傳質速率、增大氣液接觸面積、加快氣液反應的效果。 工藝操作溫度由夾套1.2加熱、冷卻介質控制。
利用本發明裝置處理甘油法製取環氧氯丙烷工藝中的甘油和氯化氫取代反 應，結果表明相同工藝下，該氣液反應達到相同甘油轉化率99%，使用本發 明裝置的反應時間由普通氣液攪拌鼓泡反應器的4小時縮短到1.5小時，同時二 氯丙醇的選擇性提高了25%。
權利要求
1、一種自吸式內循環超重場氣液反應器，包括反應器容器的主體(1)、動力轉子(5)、定子(6)、導流筒(2)、氣體進口管(7)、驅動機構(4)和密封機構(3)，其特徵在於驅動機構(4)位於主體(1)的上面，驅動機構(4)的軸(4.9)伸入主體(1)內，在軸(4.9)的下端安裝動力轉子(5)，在軸(4.9)的外面有安裝於主體(1)上的連接管(4.7)，定子(6)安裝於聯接管(4.7)的下端，動力轉子(5)位於定子(6)內，在定子(6)的上面、連接管(4.7)的外面有導流筒(2)，在定子(6)的下面有氣體進口管(7)，在主體(1)與軸(4.9)的結合部設置密封機構(3)。
2、 根據權利要求l所述自吸式內循環超重場氣液反應器，其特徵在於所 述主體(1)的內壁設有擋板(1.3)。
3、 根據權利要求2所述自吸式內循環超重場氣液反應器，其特徵在於擋 板(1.3)的數量為兩塊或4塊或6塊，或6塊以上。
4、 根據權利要求l所述自吸式內循環超重場氣液反應器，其特徵在於所 述的定子(6)的上部開有進液口 (6.1)，定子(6)的底板(6.4)上開有氣體 進口 (6.3)，氣體進口 (6.3)與氣體進口管(7)相連，定子(6)的周向側面 開有若干氣液兩相出口的定子小孔(6.2)。
5、 根據權利要求l所述自吸式內循環超重場氣液反應器，其特徵在於所 述動力轉子(5)帶有葉片(5.1)、葉輪(5.4)及外圓環(5.3)，葉片(5.1)的 內端與葉輪(5.4)相切，葉片(5.1)的外端與外圓環(5.3)相連，外圓環(5.3) 上開有若干轉子小孔(5.2)，定子(6)的周向側面開有若干氣液兩相出口的定 子小孔(6.2)，轉子小孔(5.2)在軸向上與定子小孔(6.2)的位置錯位。
6、 根據權利要求l所述自吸式內循環超重場氣液反應器，其特徵在於所 述動力轉子(5)和定子(6)的安裝間隙在0.5 2mm。
7、 根據權利要求l所述自吸式內循環超重場氣液反應器，其特徵在於所 述導流筒(2)的上端開有若干個V型溢流槽(2.1)。
8、 根據權利要求l所述自吸式內循環超重場氣液反應器，其特徵在於所 述的驅動機構(4)包括高速電機(4.1 )、連軸器(4.2)、機座(4.3)、測速盤(4.4)、 軸(4.9)、滾動軸承(4.5)、軸套(4.6)、聯接管(4.7)、四氟滑動軸承(4.8)， 其中高速電機(4.1)利用連軸器(4.2)與軸(4.9)連接，滾動軸承(4.5)和 四氟滑動軸承(4.8)分別安裝在軸(4.9)的上部和下部，測速盤(4.4)固定在 連軸器(4.2)的下方。
9、 根據權利要求l所述自吸式內循環超重場氣液反應器，其特徵在於所 述的密封機構(3)為旋轉軸密封；旋轉軸密封包括填充改性的四氟乙烯油封， 或機械密封。
10、 根據權利要求1所述自吸式內循環超重場氣液反應器，其特徵在於所述容器主體(1)包含內筒體(1.1)、位於內筒體(1.1)外面的夾套(1.2)及位於內筒體(1.1)內壁上的若干平行於軸(4.9)的擋板(1.3)。
全文摘要
本發明涉及一種自吸式內循環超重場氣液反應器，該反應器由反應器容器主體、動力轉子、定子、導流筒、氣體進口管、驅動機構和密封機構幾部分組成。利用驅動機構產生的高速旋轉，帶動轉子產生的高離心力，使容器內的液體被快速離心摔出，氣體進口管所對的轉子中心形成真空，氣體從下部被自動吸入，液體也同時從上部吸入，氣液兩相在轉子內高湍流流動，經開有小孔的定子限流，氣液兩相在轉腔內進行超重力接觸，達到高強度的物理傳質和化學反應，再由定子的小孔噴出，被強力分散形成很大的相接觸面積，在容器內進一步反應，流體在容器內上部合適部位經導流筒吸流到轉子內，形成了流體內循環。本發明能廣泛用於化工、石油化工、環境、製藥、輕工等領域涉及氣液反應的場合。
文檔編號B01J10/00GK101293190SQ20081001871
公開日2008年10月29日 申請日期2008年1月22日 優先權日2008年1月22日
發明者任國曉, 倪邦慶, 劉學民, 方銀軍, 文 溫, 蔣惠亮 申請人:江南大學;浙江贊宇科技股份有限公司