一种搅拌式反应器装置的制作方法

本实用新型涉及一种搅拌式反应器装置，属于化学工程、生物工程和环境工程领域。

背景技术：

搅拌设备在工业生产中应用广泛，很多化学反应过程、生物反应过程和物理工艺过程都需要用到搅拌操作。搅拌设备在许多场合是作为反应器来应用的，例如在三大合成材料的生产中，搅拌设备作为反应器，约占反应器总数的90％，在通风发酵领域也基本都要用到搅拌式反应器。

考虑到搅拌设备应用的广泛性，其反应器内的流场性能及相关内构件的性能参数的研究是非常重要的。搅拌式反应器可根据用途和尺寸分为不同的型式，如实验室中3L～20L不等的小试罐型、数十升甚至数百升的中试罐型及数吨至数百吨的工业生产罐型。通常中大型反应器都是由高强度的材料制成，以保证其机械强度。而实验室中的小试罐则分为玻璃材质和不锈钢材质等材料。从流场实验的角度，玻璃材质的罐体是方便观测的。

然而，利用实验室中玻璃罐体的反应器仅可以得到部分性能，如搅拌器的临界分散转速或气泛点、体积传质系数、混合时间等，受其结构所限，液速、功率等很多搅拌流场参数不能测量。

搅拌式反应器流场测试的内容大致包括：单相流中搅拌流场流型的观测、搅拌轴功率的测定、搅拌流场流速的测定、混合时间、传热速率等；气液两相流中的临界分散转速、气泛点、气含率、通气搅拌功率溶氧体积传质系数等；液固两相流中的临界悬浮转速、混合时间、均一度等；气液固三相流中的上述各相参数。随着技术的发展，上述参数也基本能够得到准确的测量。使用玻璃罐体可以实现搅拌流型的观测，安装扭矩仪可以实现搅拌轴功率的测定，使用粒子图像速度场仪(Particle Image Velocimetry，PIV)PIV技术可以实现流速的测定，使用电导法或脱色法等可以实现混合时间的测定，使用非稳态法可以测定体积传质系数。

目前，国内很多科研单位甚至企业都有了自己的冷模流场测试系统，但又都存在很大不足。因为这些单位的测试系统都是将圆柱罐体置于一个方形水池中以消除光的折射干扰，这样就给电极装置的接入带来极大的不便，也增加了装置的不稳定性。基于以上问题，本实用新型设计了一种易观测、多用途的搅拌式反应器装置。

技术实现要素：

为解决上述问题，本实用新型设计了一套新的搅拌反应器流场测试装置。该装置由罐体、搅拌系统和动力系统三部分组成，包含扭矩仪、电极孔、可移动椭圆封头、防折射玻璃夹套等构件，可以方便、全面地进行流场参数的测量。本实用新型采用了在反应器壁外围180度范围内安装了方形夹套，一方面解除了曲面观测变形的问题，另一方面保留有足够空间布置电极和测量参数。

本实用新型的搅拌反应器装置由罐体、搅拌系统和动力系统三部分组成；所述罐体主要包含上部的圆柱形筒体、下部的第一椭圆封头及支座；所述圆柱形筒体由有机玻璃制成，圆柱形筒体的正面和右侧面配有平面的有机玻璃夹套，圆柱形主体的后面和/或左侧面安有电极孔，圆柱形筒体的内部安装有固定的或者能够拆卸的第二椭圆封头；所述动力系统包括电机和减速机；所述的搅拌系统包含搅拌轴、安装在搅拌轴上的搅拌器、联轴器、扭矩仪，扭矩仪安装在联轴器的上端。

在一种实施方式中，下部的第一椭圆封头和支座由不锈钢制成。

本实用新型的装置的罐体包含上部的圆柱形筒体和下部的第一椭圆封头及支座。圆柱形筒体由有机玻璃制成，可以直观方便的观测流场。搅拌流型、临界转速等参数都可通过观测法得到。底部的第一椭圆封头和支座由不锈钢制成，具有较高的机械强度。支座与底部的一块面积较大的钢板连接在一起，增加了整个装置的稳定性。

在一种实施方式中，有机玻璃夹套配有入水口和出水口。

在一种实施方式中，在圆柱形筒体的正面的有机玻璃夹套平面与在圆柱形筒体的右侧面的有机玻璃夹套平面连接且呈90°角；这两个平面的另一端分别通过其他平面与圆柱形筒体连接，且所述其他平面对圆柱形筒体的左侧面和后面的遮挡面积≤二分之一的圆柱形筒体的左侧面和后面的面积。这样的设置方式保证了有足够空间布置电极和测量参数。

通过在圆柱形筒体的正面和右侧面配有平面的有机玻璃夹套，内部可以装入洁净的去离子水，以防止光的折射。这种设计是为粒子图像速度场仪(Particle Image Velocimetry，PIV)系统准备的。使用PIV系统测流场速度时，激光从罐体的右侧面发射形成片光，照亮流场需要观测的区域，在罐体的正面安装一架可快速连拍的高速相机，通过拍到的两张照片之间的示踪粒子的位移及时间计算液速。本实用新型所述装置的设计恰好能使用PIV测速技术实现流场速度的精确测量。

在一种实施方式中，所述电极孔包括以下任意一种或者多种：温度电极孔、溶氧(Dissolved Oxygen，DO)电极孔、pH电极插孔、电导电极插孔。

在一种实施方式中，电极孔在数量和轴向位置上可以不同。

在一种实施方式中，电极孔的个数一般在2～6之间。

通过在圆柱形筒体的后面和左侧面各有一列电极插孔，可以插入温度、DO、pH或电导等电极，从而进行流场内不同轴向位置的温度、DO、pH或电导率等参数的测量。通过这些参数的变化，可以计算得到体积传质系数、传热速率、混合时间等数据。

在一种实施方式中，所述第二椭圆封头的安装高度是能够调节的。

在一种实施方式中，所述第二椭圆封头为有机玻璃材质。

本实用新型可以在罐体内部根据需要配置一块有机玻璃制成的、安装高度可调节的第二椭圆封头，安装该第二椭圆封头的目的是可以方便地测出封头区域的流速分布及流型型式。玻璃封头与罐壁的缝隙用玻璃胶等材质填充。

在一种实施方式中，圆柱形筒体的内部有安装高度能够调整的挡板。

在一种实施方式中，所述挡板为有机玻璃材质。

在一种实施方式中，所述挡板有四块。

在一种实施方式中，所述挡板在圆柱形筒体内部均匀分布，挡板的型式和材质可根据需要选配。

在一种实施方式中，不研究挡板型式的影响时，可使用标准的长方体挡板。挡板的宽度为罐径的1/10，材质为透明的有机玻璃。

罐体内部装配有四块挡板以满足全挡板条件。

本实用新型中，挡板可以配合第二椭圆封头的位置调整安装高度。也可选用不同型式挡板以研究挡板型式对流场的影响。使用PIV系统测流场速度时，挡板由有机玻璃制成，使流场透明，从而不影响流场速度的测定。

在一种实施方式中，圆柱形筒体的内部装配有一根固定的或者可拆卸的分布有多个通气孔的气体分布环。

本实用新型中，气体分布环可以向搅拌流场中输入空气或其他气体。

在一种实施方式中，所述通气孔的的数量一般在6～12之间。通气流量可通过气体流量计调节。

在一种实施方式中，气体分布环与一根由罐口伸入的管道连接，该管道末端装有气体流量计及减压阀，再通过管道与空压机连接。

在一种实施方式中，在测量单相流场时，可将气体分布环取出。

在一种实施方式中，所述的动力系统包括电机和减速机。

本实用新型中，电机提供搅拌器旋转所需要的动力，减速机可以控制搅拌过程的转速。

在一种实施方式中，所述的搅拌系统包含搅拌轴、安装在搅拌轴上的搅拌器。

在一种实施方式中，所述搅拌器为单层搅拌器或者多层搅拌器。

本实用新型中，搅拌系统中既可以安装单层搅拌器，也可以安装多层搅拌器的组合，搅拌器的层数一般在1～5之间，以实现搅拌器对流场影响的研究和测定不同搅拌器及其组合的性能参数。

在一种实施方式中，所述搅拌器可以是径向流搅拌器，也可以是轴向流搅拌器，或者多种搅拌器的组合。

在一种实施方式中，所述扭矩仪为应变式扭矩仪。应变式扭矩仪可以测定轴扭矩的大小。

在一种实施方式中，所述应变式扭矩仪的上端与动力系统的减速机相连。

本实用新型的装置可将电极和扭矩仪的信号集成到电脑控制柜上并实时显示数据，也可通过控制柜实时控制搅拌转速及通气流量。

在一种实施方式中，所述装置还包括PIV系统激光器和相机。

在一种实施方式中，PIV系统激光器安装于圆柱形筒体的右侧面、相机安装于圆柱形筒体体的正面；PIV系统激光器与相机成90°夹角。

PIV系统激光器可置于圆柱形筒体的右侧面，发射一道竖直片光，照亮流场观测区域；高速相机置于圆柱形筒体的正面。激光器与高速相机的摆放位置成90°夹角。

在一种实施方式中，PIV系统激光器安装于圆柱形筒体的正面或右侧面、相机安装于圆柱形筒体的上方；PIV系统激光器与相机成90°夹角。

在一种实施方式中，也可将PIV系统的激光器置于圆柱形筒体的正面或右侧面，发射一道水平的片光，照亮观测区域，高速相机置于圆柱形筒体的上方。激光器与高速相机的摆放位置成90°夹角。

在一种实施方式中，在不使用PIV测速时，可将透明的第二椭圆封头取出。

在一种实施方式中，圆柱形筒体的上面为敞口型式，可根据需要加盖。

在一种实施方式中，圆柱形筒体可装入不同性质的流体，如水、黄原胶溶液等。

本实用新型还要求保护含有所述搅拌式反应器装置的设备。

本实用新型的有益效果：

(1)本实用新型的搅拌式反应器，可用于各种流场测试；所述装置包含动力系统、搅拌系统和罐体等部分；罐体由透明的有机玻璃制成，方便流场观测；有机玻璃夹套，防止PIV实验时光在圆柱体折射产生的变形，后面与左侧面配有电极孔，便于测量温度、DO、pH和电导率等参数。罐体内部配有挡板、可调节高度的玻璃的第二椭圆封头和通气环，可研究挡板型式和通气流量对搅拌流产的影响。搅拌系统可使用单层桨，也可使用多层桨的组合，可研究不同桨型及其组合的性能；轴顶端配有扭矩仪，便于测量轴扭矩。动力系统配有电机和减速机，便于调节转速。

(2)本实用新型的装置，采用由几个平面构成的平面夹套，目的是为了解除曲面对反应器内构造观察的变形影响，防止了常规圆柱体夹套带来的不利检测的影响。

(3)本实用新型的装置，包含扭矩仪、电极孔、可移动挡板和第二椭圆封头、平面夹套等构件，可以方便地调节不同的搅拌器型式、不同的挡板型式、不同的第二椭圆封头安装高度、不同的搅拌转速和通气流量，并测定搅拌流场在上述各种情况下的轴功率、混合时间、临界转速、流速分布、传热速率、体积传质系数等各项性能参数。

(4)本实用新型的特点在于可调节范围广、可测量参数多，可以方便、全面的研究搅拌式反应器的各项流场参数，为搅拌器的设计、挡板设计、反应器设计等提供帮助，具有易观测、多用途的特点，为反应器的放大提供借鉴。

附图说明

图1：本实用新型的搅拌式反应器装置的正视示意图；其中，1动力系统、2搅拌系统、3罐体、4圆柱形筒体、5支座、6管道、7电极孔、8电机、9减速机、10扭矩仪、11联轴器、12搅拌轴、13挡板、14搅拌器、15有机玻璃夹套、16气体分布环、17第二椭圆封头、18支腿、19第一椭圆封头、20放水孔、21钢板；

图2：本实用新型的搅拌式反应器装置部分部件的俯视示意图。

具体实施方式

实施例1：

如图1和图2所示，本实用新型所涉及的搅拌式反应器装置包括动力系统(1)、搅拌系统(2)和罐体(3)三部分，其中罐体(3)包括圆柱形筒体(4)和下部的第一椭圆封头和支座部分(5)。

如图2所示，圆柱形筒体(4)由有机玻璃制成，方便观测流场。在圆柱形筒体(4)的正面和右侧面装配有平面的有机玻璃夹套(15)，夹套(15)内装入洁净的去离子水可以防止光的折射作用，为PIV测速提供优良的实验环境。在圆柱形筒体(4)的后面和左侧面各配有一列电极孔(7)，可以插入电极测量搅拌介质的DO、pH和电导率等各项参数。每列电极孔(7)的数量可以在2～6个之间，可根据需要调整。各个电极可将信号输出到控制柜(未画出)，并实时显示。

如图1所示，罐体下部的第一椭圆封头和支座部分(5)是由不锈钢制成的。金属材质可以增强装置的机械强度和稳定性。第一椭圆封头(19)通过法兰与圆柱形筒体(4)连接，其底部有放水孔(20)。第一椭圆封头(19)下面与四根不锈钢支腿(18)相连，支腿(18)底部固定在一块较大的钢板(21)上，使装置比较稳定。

圆柱形筒体(4)内部可根据需要配置一块有机玻璃材质的第二椭圆封头(17)，该第二椭圆封头(17)的安装高度可以调节，增加了实验的可操作性。增加了玻璃的第二椭圆封头后，第二椭圆封头以上的部分为观测的区域，第二椭圆封头(17)与圆柱形筒体(4)的罐壁之间的缝隙可以用玻璃胶等物质填充，以防止上下流体的流动。

圆柱形筒体(4)内部配置有四块挡板(13)，挡板(13)沿圆周均匀分布，形成全挡板条件。研究挡板型式和尺寸对搅拌流场的影响时，也可安装其他型式的挡板。在使用PIV系统测流场速度时，挡板需使用透明的有机玻璃材质。

圆柱形筒体(4)内部还可配置一个气体分布环(16)，气体分布环(16)上有多个沿圆周均匀分布的小孔，通常这些小孔的个数为6～12个，也可根据具体情况调整。气体分布环(16)通过一根由顶部伸入的管道(6)与空压机(未画出)相连，中间配有减压阀、空气流量计(未画出)等设备和仪表，以使空气流量稳定和便于监控。

如图1所示，所述装置的搅拌系统(2)包括搅拌器(14)、搅拌轴(12)、联轴器(11)和扭矩仪(10)等四部分。搅拌器(14)可以是单层搅拌器，也可以是多层搅拌器；可以是径向流搅拌器，可以是轴向流搅拌器，也可以是多种搅拌器的组合。可以通过该装置研究单个搅拌器或不同搅拌器组合型式的各项参数。通常安装的搅拌器层数为1～4层，也可根据具体情况调整。搅拌器(14)固定在搅拌轴(12)上，搅拌轴通过联轴器(11)与扭矩仪(10)相连。扭矩仪(10)可以测定轴扭矩，通过轴扭矩可以计算得到搅拌功率。扭矩仪(10)的信号可以输出到控制柜(未画出)的电脑上，并实时显示。扭矩仪(10)上端与减速机(9)相连，减速机(9)与电机(8)共同构成所述装置的动力系统(1)。动力系统的作用是使搅拌轴(12)以一定的转速转动。搅拌转速可通过控制柜控制，并显示实时转速。

PIV系统激光器可置于圆柱形筒体(4)的右侧面，发射一道竖直片光，照亮流场观测区域；高速相机置于圆柱形筒体(4)的正面。激光器与高速相机的摆放位置成90°夹角。

也可将PIV系统的激光器置于圆柱形筒体(4)的正面或右侧面，发射一道水平的片光，照亮观测区域，高速相机置于圆柱形筒体(4)的上方。激光器与高速相机的摆放位置成90°夹角。

在测量单相流场时，可将气体分布环(16)取出。

在不使用PIV测速时，可将透明的第二椭圆封头(17)取出。

圆柱形筒体(4)后面和左侧面的电极孔在数量和轴向位置上可以不同。

不研究挡板(13)型式的影响时，可使用标准的长方体挡板。挡板(13)的宽度为罐径的1/10，材质为透明的有机玻璃。

圆柱形筒体(4)的上面为敞口型式，可根据需要加盖。

罐体(3)可装入不同性质的流体，如水、黄原胶溶液等。

此外，发明人还用该搅拌式反应器流场测试装置测试了一种新型气液分散搅拌器的各项参数。其中使用可移动透明玻璃椭圆封头、标准挡板(有机玻璃)、单层搅拌器、通气环、DO电极、PIV系统等，测量了该搅拌器在不同转速和通气流量下的不通气搅拌功率和通气搅拌功率、临界分散转速和气泛点、气含率、DO变化速率等，并通过计算得出了搅拌器的功率准数、不同转速下的相对功率需求、体积传质系数等参数。并且通过PIV系统测出了单相流中的不同转速时的流速分布、混合时间等。

虽然本实用新型已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本实用新型，任何熟悉此技术的人，在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本实用新型的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。