一種攪拌式反應器裝置的製作方法

2023-05-04 18:55:16 1

本實用新型涉及一種攪拌式反應器裝置，屬於化學工程、生物工程和環境工程領域。

背景技術：

攪拌設備在工業生產中應用廣泛，很多化學反應過程、生物反應過程和物理工藝過程都需要用到攪拌操作。攪拌設備在許多場合是作為反應器來應用的，例如在三大合成材料的生產中，攪拌設備作為反應器，約佔反應器總數的90％，在通風發酵領域也基本都要用到攪拌式反應器。

考慮到攪拌設備應用的廣泛性，其反應器內的流場性能及相關內構件的性能參數的研究是非常重要的。攪拌式反應器可根據用途和尺寸分為不同的型式，如實驗室中3L～20L不等的小試罐型、數十升甚至數百升的中試罐型及數噸至數百噸的工業生產罐型。通常中大型反應器都是由高強度的材料製成，以保證其機械強度。而實驗室中的小試罐則分為玻璃材質和不鏽鋼材質等材料。從流場實驗的角度，玻璃材質的罐體是方便觀測的。

然而，利用實驗室中玻璃罐體的反應器僅可以得到部分性能，如攪拌器的臨界分散轉速或氣泛點、體積傳質係數、混合時間等，受其結構所限，液速、功率等很多攪拌流場參數不能測量。

攪拌式反應器流場測試的內容大致包括：單相流中攪拌流場流型的觀測、攪拌軸功率的測定、攪拌流場流速的測定、混合時間、傳熱速率等；氣液兩相流中的臨界分散轉速、氣泛點、氣含率、通氣攪拌功率溶氧體積傳質係數等；液固兩相流中的臨界懸浮轉速、混合時間、均一度等；氣液固三相流中的上述各相參數。隨著技術的發展，上述參數也基本能夠得到準確的測量。使用玻璃罐體可以實現攪拌流型的觀測，安裝扭矩儀可以實現攪拌軸功率的測定，使用粒子圖像速度場儀(Particle Image Velocimetry，PIV)PIV技術可以實現流速的測定，使用電導法或脫色法等可以實現混合時間的測定，使用非穩態法可以測定體積傳質係數。

目前，國內很多科研單位甚至企業都有了自己的冷模流場測試系統，但又都存在很大不足。因為這些單位的測試系統都是將圓柱罐體置於一個方形水池中以消除光的折射幹擾，這樣就給電極裝置的接入帶來極大的不便，也增加了裝置的不穩定性。基於以上問題，本實用新型設計了一種易觀測、多用途的攪拌式反應器裝置。

技術實現要素：

為解決上述問題，本實用新型設計了一套新的攪拌反應器流場測試裝置。該裝置由罐體、攪拌系統和動力系統三部分組成，包含扭矩儀、電極孔、可移動橢圓封頭、防折射玻璃夾套等構件，可以方便、全面地進行流場參數的測量。本實用新型採用了在反應器壁外圍180度範圍內安裝了方形夾套，一方面解除了曲面觀測變形的問題，另一方面保留有足夠空間布置電極和測量參數。

本實用新型的攪拌反應器裝置由罐體、攪拌系統和動力系統三部分組成；所述罐體主要包含上部的圓柱形筒體、下部的第一橢圓封頭及支座；所述圓柱形筒體由有機玻璃製成，圓柱形筒體的正面和右側面配有平面的有機玻璃夾套，圓柱形主體的後面和/或左側面安有電極孔，圓柱形筒體的內部安裝有固定的或者能夠拆卸的第二橢圓封頭；所述動力系統包括電機和減速機；所述的攪拌系統包含攪拌軸、安裝在攪拌軸上的攪拌器、聯軸器、扭矩儀，扭矩儀安裝在聯軸器的上端。

在一種實施方式中，下部的第一橢圓封頭和支座由不鏽鋼製成。

本實用新型的裝置的罐體包含上部的圓柱形筒體和下部的第一橢圓封頭及支座。圓柱形筒體由有機玻璃製成，可以直觀方便的觀測流場。攪拌流型、臨界轉速等參數都可通過觀測法得到。底部的第一橢圓封頭和支座由不鏽鋼製成，具有較高的機械強度。支座與底部的一塊面積較大的鋼板連接在一起，增加了整個裝置的穩定性。

在一種實施方式中，有機玻璃夾套配有入水口和出水口。

在一種實施方式中，在圓柱形筒體的正面的有機玻璃夾套平面與在圓柱形筒體的右側面的有機玻璃夾套平面連接且呈90°角；這兩個平面的另一端分別通過其他平面與圓柱形筒體連接，且所述其他平面對圓柱形筒體的左側面和後面的遮擋面積≤二分之一的圓柱形筒體的左側面和後面的面積。這樣的設置方式保證了有足夠空間布置電極和測量參數。

通過在圓柱形筒體的正面和右側面配有平面的有機玻璃夾套，內部可以裝入潔淨的去離子水，以防止光的折射。這種設計是為粒子圖像速度場儀(Particle Image Velocimetry，PIV)系統準備的。使用PIV系統測流場速度時，雷射從罐體的右側面發射形成片光，照亮流場需要觀測的區域，在罐體的正面安裝一架可快速連拍的高速相機，通過拍到的兩張照片之間的示蹤粒子的位移及時間計算液速。本實用新型所述裝置的設計恰好能使用PIV測速技術實現流場速度的精確測量。

在一種實施方式中，所述電極孔包括以下任意一種或者多種：溫度電極孔、溶氧(Dissolved Oxygen，DO)電極孔、pH電極插孔、電導電極插孔。

在一種實施方式中，電極孔在數量和軸向位置上可以不同。

在一種實施方式中，電極孔的個數一般在2～6之間。

通過在圓柱形筒體的後面和左側面各有一列電極插孔，可以插入溫度、DO、pH或電導等電極，從而進行流場內不同軸向位置的溫度、DO、pH或電導率等參數的測量。通過這些參數的變化，可以計算得到體積傳質係數、傳熱速率、混合時間等數據。

在一種實施方式中，所述第二橢圓封頭的安裝高度是能夠調節的。

在一種實施方式中，所述第二橢圓封頭為有機玻璃材質。

本實用新型可以在罐體內部根據需要配置一塊有機玻璃製成的、安裝高度可調節的第二橢圓封頭，安裝該第二橢圓封頭的目的是可以方便地測出封頭區域的流速分布及流型型式。玻璃封頭與罐壁的縫隙用玻璃膠等材質填充。

在一種實施方式中，圓柱形筒體的內部有安裝高度能夠調整的擋板。

在一種實施方式中，所述擋板為有機玻璃材質。

在一種實施方式中，所述擋板有四塊。

在一種實施方式中，所述擋板在圓柱形筒體內部均勻分布，擋板的型式和材質可根據需要選配。

在一種實施方式中，不研究擋板型式的影響時，可使用標準的長方體擋板。擋板的寬度為罐徑的1/10，材質為透明的有機玻璃。

罐體內部裝配有四塊擋板以滿足全擋板條件。

本實用新型中，擋板可以配合第二橢圓封頭的位置調整安裝高度。也可選用不同型式擋板以研究擋板型式對流場的影響。使用PIV系統測流場速度時，擋板由有機玻璃製成，使流場透明，從而不影響流場速度的測定。

在一種實施方式中，圓柱形筒體的內部裝配有一根固定的或者可拆卸的分布有多個通氣孔的氣體分布環。

本實用新型中，氣體分布環可以向攪拌流場中輸入空氣或其他氣體。

在一種實施方式中，所述通氣孔的的數量一般在6～12之間。通氣流量可通過氣體流量計調節。

在一種實施方式中，氣體分布環與一根由罐口伸入的管道連接，該管道末端裝有氣體流量計及減壓閥，再通過管道與空壓機連接。

在一種實施方式中，在測量單相流場時，可將氣體分布環取出。

在一種實施方式中，所述的動力系統包括電機和減速機。

本實用新型中，電機提供攪拌器旋轉所需要的動力，減速機可以控制攪拌過程的轉速。

在一種實施方式中，所述的攪拌系統包含攪拌軸、安裝在攪拌軸上的攪拌器。

在一種實施方式中，所述攪拌器為單層攪拌器或者多層攪拌器。

本實用新型中，攪拌系統中既可以安裝單層攪拌器，也可以安裝多層攪拌器的組合，攪拌器的層數一般在1～5之間，以實現攪拌器對流場影響的研究和測定不同攪拌器及其組合的性能參數。

在一種實施方式中，所述攪拌器可以是徑向流攪拌器，也可以是軸向流攪拌器，或者多種攪拌器的組合。

在一種實施方式中，所述扭矩儀為應變式扭矩儀。應變式扭矩儀可以測定軸扭矩的大小。

在一種實施方式中，所述應變式扭矩儀的上端與動力系統的減速機相連。

本實用新型的裝置可將電極和扭矩儀的信號集成到電腦控制柜上並實時顯示數據，也可通過控制櫃實時控制攪拌轉速及通氣流量。

在一種實施方式中，所述裝置還包括PIV系統雷射器和相機。

在一種實施方式中，PIV系統雷射器安裝於圓柱形筒體的右側面、相機安裝於圓柱形筒體體的正面；PIV系統雷射器與相機成90°夾角。

PIV系統雷射器可置於圓柱形筒體的右側面，發射一道豎直片光，照亮流場觀測區域；高速相機置於圓柱形筒體的正面。雷射器與高速相機的擺放位置成90°夾角。

在一種實施方式中，PIV系統雷射器安裝於圓柱形筒體的正面或右側面、相機安裝於圓柱形筒體的上方；PIV系統雷射器與相機成90°夾角。

在一種實施方式中，也可將PIV系統的雷射器置於圓柱形筒體的正面或右側面，發射一道水平的片光，照亮觀測區域，高速相機置於圓柱形筒體的上方。雷射器與高速相機的擺放位置成90°夾角。

在一種實施方式中，在不使用PIV測速時，可將透明的第二橢圓封頭取出。

在一種實施方式中，圓柱形筒體的上面為敞口型式，可根據需要加蓋。

在一種實施方式中，圓柱形筒體可裝入不同性質的流體，如水、黃原膠溶液等。

本實用新型還要求保護含有所述攪拌式反應器裝置的設備。

本實用新型的有益效果：

(1)本實用新型的攪拌式反應器，可用於各種流場測試；所述裝置包含動力系統、攪拌系統和罐體等部分；罐體由透明的有機玻璃製成，方便流場觀測；有機玻璃夾套，防止PIV實驗時光在圓柱體折射產生的變形，後面與左側面配有電極孔，便於測量溫度、DO、pH和電導率等參數。罐體內部配有擋板、可調節高度的玻璃的第二橢圓封頭和通氣環，可研究擋板型式和通氣流量對攪拌流產的影響。攪拌系統可使用單層槳，也可使用多層槳的組合，可研究不同槳型及其組合的性能；軸頂端配有扭矩儀，便於測量軸扭矩。動力系統配有電機和減速機，便於調節轉速。

(2)本實用新型的裝置，採用由幾個平面構成的平面夾套，目的是為了解除曲面對反應器內構造觀察的變形影響，防止了常規圓柱體夾套帶來的不利檢測的影響。

(3)本實用新型的裝置，包含扭矩儀、電極孔、可移動擋板和第二橢圓封頭、平面夾套等構件，可以方便地調節不同的攪拌器型式、不同的擋板型式、不同的第二橢圓封頭安裝高度、不同的攪拌轉速和通氣流量，並測定攪拌流場在上述各種情況下的軸功率、混合時間、臨界轉速、流速分布、傳熱速率、體積傳質係數等各項性能參數。

(4)本實用新型的特點在於可調節範圍廣、可測量參數多，可以方便、全面的研究攪拌式反應器的各項流場參數，為攪拌器的設計、擋板設計、反應器設計等提供幫助，具有易觀測、多用途的特點，為反應器的放大提供借鑑。

附圖說明

圖1：本實用新型的攪拌式反應器裝置的正視示意圖；其中，1動力系統、2攪拌系統、3罐體、4圓柱形筒體、5支座、6管道、7電極孔、8電機、9減速機、10扭矩儀、11聯軸器、12攪拌軸、13擋板、14攪拌器、15有機玻璃夾套、16氣體分布環、17第二橢圓封頭、18支腿、19第一橢圓封頭、20放水孔、21鋼板；

圖2：本實用新型的攪拌式反應器裝置部分部件的俯視示意圖。

具體實施方式

實施例1：

如圖1和圖2所示，本實用新型所涉及的攪拌式反應器裝置包括動力系統(1)、攪拌系統(2)和罐體(3)三部分，其中罐體(3)包括圓柱形筒體(4)和下部的第一橢圓封頭和支座部分(5)。

如圖2所示，圓柱形筒體(4)由有機玻璃製成，方便觀測流場。在圓柱形筒體(4)的正面和右側面裝配有平面的有機玻璃夾套(15)，夾套(15)內裝入潔淨的去離子水可以防止光的折射作用，為PIV測速提供優良的實驗環境。在圓柱形筒體(4)的後面和左側面各配有一列電極孔(7)，可以插入電極測量攪拌介質的DO、pH和電導率等各項參數。每列電極孔(7)的數量可以在2～6個之間，可根據需要調整。各個電極可將信號輸出到控制櫃(未畫出)，並實時顯示。

如圖1所示，罐體下部的第一橢圓封頭和支座部分(5)是由不鏽鋼製成的。金屬材質可以增強裝置的機械強度和穩定性。第一橢圓封頭(19)通過法蘭與圓柱形筒體(4)連接，其底部有放水孔(20)。第一橢圓封頭(19)下面與四根不鏽鋼支腿(18)相連，支腿(18)底部固定在一塊較大的鋼板(21)上，使裝置比較穩定。

圓柱形筒體(4)內部可根據需要配置一塊有機玻璃材質的第二橢圓封頭(17)，該第二橢圓封頭(17)的安裝高度可以調節，增加了實驗的可操作性。增加了玻璃的第二橢圓封頭後，第二橢圓封頭以上的部分為觀測的區域，第二橢圓封頭(17)與圓柱形筒體(4)的罐壁之間的縫隙可以用玻璃膠等物質填充，以防止上下流體的流動。

圓柱形筒體(4)內部配置有四塊擋板(13)，擋板(13)沿圓周均勻分布，形成全擋板條件。研究擋板型式和尺寸對攪拌流場的影響時，也可安裝其他型式的擋板。在使用PIV系統測流場速度時，擋板需使用透明的有機玻璃材質。

圓柱形筒體(4)內部還可配置一個氣體分布環(16)，氣體分布環(16)上有多個沿圓周均勻分布的小孔，通常這些小孔的個數為6～12個，也可根據具體情況調整。氣體分布環(16)通過一根由頂部伸入的管道(6)與空壓機(未畫出)相連，中間配有減壓閥、空氣流量計(未畫出)等設備和儀表，以使空氣流量穩定和便於監控。

如圖1所示，所述裝置的攪拌系統(2)包括攪拌器(14)、攪拌軸(12)、聯軸器(11)和扭矩儀(10)等四部分。攪拌器(14)可以是單層攪拌器，也可以是多層攪拌器；可以是徑向流攪拌器，可以是軸向流攪拌器，也可以是多種攪拌器的組合。可以通過該裝置研究單個攪拌器或不同攪拌器組合型式的各項參數。通常安裝的攪拌器層數為1～4層，也可根據具體情況調整。攪拌器(14)固定在攪拌軸(12)上，攪拌軸通過聯軸器(11)與扭矩儀(10)相連。扭矩儀(10)可以測定軸扭矩，通過軸扭矩可以計算得到攪拌功率。扭矩儀(10)的信號可以輸出到控制櫃(未畫出)的電腦上，並實時顯示。扭矩儀(10)上端與減速機(9)相連，減速機(9)與電機(8)共同構成所述裝置的動力系統(1)。動力系統的作用是使攪拌軸(12)以一定的轉速轉動。攪拌轉速可通過控制櫃控制，並顯示實時轉速。

PIV系統雷射器可置於圓柱形筒體(4)的右側面，發射一道豎直片光，照亮流場觀測區域；高速相機置於圓柱形筒體(4)的正面。雷射器與高速相機的擺放位置成90°夾角。

也可將PIV系統的雷射器置於圓柱形筒體(4)的正面或右側面，發射一道水平的片光，照亮觀測區域，高速相機置於圓柱形筒體(4)的上方。雷射器與高速相機的擺放位置成90°夾角。

在測量單相流場時，可將氣體分布環(16)取出。

在不使用PIV測速時，可將透明的第二橢圓封頭(17)取出。

圓柱形筒體(4)後面和左側面的電極孔在數量和軸向位置上可以不同。

不研究擋板(13)型式的影響時，可使用標準的長方體擋板。擋板(13)的寬度為罐徑的1/10，材質為透明的有機玻璃。

圓柱形筒體(4)的上面為敞口型式，可根據需要加蓋。

罐體(3)可裝入不同性質的流體，如水、黃原膠溶液等。

此外，發明人還用該攪拌式反應器流場測試裝置測試了一種新型氣液分散攪拌器的各項參數。其中使用可移動透明玻璃橢圓封頭、標準擋板(有機玻璃)、單層攪拌器、通氣環、DO電極、PIV系統等，測量了該攪拌器在不同轉速和通氣流量下的不通氣攪拌功率和通氣攪拌功率、臨界分散轉速和氣泛點、氣含率、DO變化速率等，並通過計算得出了攪拌器的功率準數、不同轉速下的相對功率需求、體積傳質係數等參數。並且通過PIV系統測出了單相流中的不同轉速時的流速分布、混合時間等。

雖然本實用新型已以較佳實施例公開如上，但其並非用以限定本實用新型，任何熟悉此技術的人，在不脫離本實用新型的精神和範圍內，都可做各種的改動與修飾，因此本實用新型的保護範圍應該以權利要求書所界定的為準。