本发明涉及一种混合流体搅拌机构及管式反应器。
背景技术：
搅拌设备在化学反应、材料制备等领域经常使用，目前的搅拌设备基本为机械搅拌器，多是利用动力设备带动搅拌棒(或搅拌轴)转动，使设置在搅拌棒上的桨叶运动，实现搅拌。但是，这种机械搅拌的方式存在一定的问题。
首先，市场上的机械搅拌器应用于管式反应器中进行化学反应时，反应物的原料需要从管式反应器中一端进入，在管内发生化学反应后，从管式反应器的另一端产出，就要求该管式反应器内的机械搅拌器不仅仅需要搅拌的功能，还需要具有将反应物原料从管式反应器的一端向另一端输送的功能，现有的机械搅拌器不能满足管式反应器中物料输送的需求。
另外，现有搅拌设备的螺旋桨叶或者薄片形式桨叶在转轴高速旋转情况下会产生较强的圆周方向的速度，进而导致不相容且密度不同的搅拌物料在离心力的作用下产生分离，达不到不同物料混合目的。
技术实现要素：
本发明为了解决上述问题，提出了一种混合流体搅拌机构管式反应器，本发明能在低能耗的条件下取得较强的混合效果，能够较好地解决物料在反应器内部输送的问题，弥补反应器内部输送问题得不到良好效果的技术现状。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种混合流体搅拌机构，包括主轴，所述主轴上设置有正向搅拌结构和反向搅拌结构，正向搅拌结构和反向搅拌结构的桨叶在主轴上螺旋布设，且两者的产生的作用力方向相反。
这种设计能够使得主轴旋转时，正向搅拌结构产生轴向向上的推动力，反向搅拌结构产生轴向向下的推动力，实现对冲混合。
当然，本搅拌机构也可用于单物料的搅拌。
进一步的，所述正向搅拌结构和反向搅拌结构中间留有对流区域，对流区域部分没有桨叶的延伸。
优选的，搅拌结构之间的空隙的轴向长度为搅拌结构长度的0.2到4倍，使得物料能够进行充分混合。
进一步的，对流区域两侧的正向搅拌结构和反向搅拌结构的桨叶相互螺旋交错延伸。
进一步的，所述正向搅拌结构和/或反向搅拌结构的桨叶为空间螺旋曲面或螺旋平面。以更好的带动物料沿轴向方向移动。
进一步的，所述正向搅拌结构和/或反向搅拌结构的桨叶的螺旋结构的第一端部的切面的方向为同主轴的轴线方向垂直或接近垂直；第二端部的切面的法向同主轴轴线方向垂直或接近垂直。
这样的设计，能够保证在主轴旋转的过程中，流体开始与螺旋结构的第一端部接触，并沿着螺旋结构向上(或向下)流动，达到螺旋结构的第二端部时流体速度变成竖直方向。
优选的，在螺旋结构第二端部端处加设竖直段，以增强搅拌结构竖直方向引流的能力。
优选的，靠近对流区域的正向搅拌结构和反向搅拌结构的桨叶端部的切面的法向同轴线方向垂直或接近垂直。
上述接近垂直指的是与垂直方向的角度相差不超过15°。
进一步的，所述正向搅拌结构和反向搅拌结构沿主轴圆周方向排列有2-10片桨叶。
正向搅拌结构的螺旋结构的在旋转时会给搅拌物料轴向方向向前的推动力，反向搅拌结构的螺旋结构的在旋转时会给搅拌物料轴向方向向后的推动力
进一步的，所述正向搅拌结构产生的推动力大于反向搅拌结构产生的推动力。或者说，所述正向搅拌结构的有效工作面积大于反向搅拌结构的有效工作面积。
作为一种可选择的实施方式，正向搅拌结构和反向搅拌结构的桨叶数量和螺旋角度相同，正向搅拌结构的面积大于反向搅拌结构的面积。
作为这种实施方式的优选方案为：
正向搅拌结构和反向搅拌结构的高度相同，正向搅拌结构的宽度大于反向搅拌结构，优选为其宽度的1.01到2倍。
作为这种实施方式的另一种优选方案为：
正向搅拌结构和反向搅拌结构的宽度相同，正向搅拌结构的高度大于反向搅拌结构；
作为这种实施方式的另一种优选方案为：
正向搅拌结构和反向搅拌结构的高度和长度均相同，反向搅拌结构的桨叶上设置有若干缺口；
作为这种实施方式的再一种优选方案为：
正向搅拌结构和反向搅拌结构的高度相同，正向搅拌结构的螺距大于反向搅拌的螺距。
作为另一种可选择的实施方式，正向搅拌结构和反向搅拌结构的螺旋角度与面积相同，所述正向搅拌结构的桨叶数量多于反向搅拌结构的桨叶数量。
作为再一种可选择的实施方式，正向搅拌结构与反向搅拌结构的螺旋角度、桨叶数量、高度、长度或/和形状均不相同。
正向搅拌结构与反向搅拌结构的螺旋角度、桨叶数量、高度、长度以及形状中一个或多个参数均不相同。具体不同的参数是哪些，可以根据具体的搅拌流体和要求进行确定。
进一步的，所述主轴通过联轴器连接有动力装置。
一种流体搅拌器，包括上述搅拌机构。
一种管式反应器，包括反应器本体，所述反应器本体内设置有主轴，主轴内设置有空腔，主轴两端分别设置有换热介质的入口，反应器本体上设置有反应物的进口和出口，所述主轴外侧设置有正向搅拌结构和反向搅拌结构，通过主轴的旋转，正向搅拌结构和反向搅拌结构产生轴向推动力，实现反应器本体内的反应物的对冲混合。
进一步的，所述主轴内设置有相互隔离的多个换热腔室，主轴的两端分别设置有入口，这样的设计能够实现反应过程中的分段控温。同时上下两个腔室可以通入不同的换热介质，有利于换热高的反应进行换热，提高换热效果。
进一步的，所述主轴两端的入口处均设置有回转接头。方便换热介质的分开流入，便于实现反应器的分段控温操作，避免入口处换热介质温度与另一端部的温差过大的现象，降低循环液体速度同时实现了换热效果的提高。
进一步的，所述反应器本体上的进口包括至少两个，以分别输入不同的反应物。
优选的，竖直方向上位置较高的进口处输入的反应物物料密度大于位置较低的进口处输入的反应物物料密度。这种设计方式能够增强不同种原料在重力和浮力作用下进行物料的混合。
优选的，反应器可以是立式或卧式，立式的可以下进上出，这样出口位置高于进口位置，卧式使用时下进上出也是出口位置高于进口位置，能够保证在重力的影响下，在有效的反应器混合路径内，更好的对反应物进行混合。
进一步的，所述反应器本体与主轴的连接端部设置有密封组件，以防止主轴转动时，反应物的泄漏，维持管式反应器外壳内部的密封。
进一步的，所述主轴贯穿穿过两端的密封组件，使换热介质的入口外露于密封组件外部。
优选的，所述正向搅拌结构和/或反向搅拌结构桨叶的宽度为主轴外部到反应器本体的外壳内侧环形空间径向长度的0.2倍到0.95倍。
进一步的，空腔的内径可以是一致的，也可以是不相同的。
本发明的工作原理为：
主轴在高速旋转过程中具有一定的搅拌效果，通过与主轴相连的正、反向脚板结构桨叶的不同排布形式，在主轴旋转过程中会产生从进口到出口的流速，根据不同反应条件调整排布方式和间距，最终达到输送搅拌物料的目的。
在具有搅拌效果的同时，无需增加新的换热装置，利用主轴的中空腔室进行反应物的换热，通过换热介质对管式反应器内部进行反应温度的控制，从而达到降低副反应提高反应收率的效果。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明通过与主轴相连的搅拌结构交错排列，达到对冲混合的目的同时能带动搅拌物料向上运动，实现搅拌物料从入口到出口轴向上的运动；
2、本发明采用对冲的混合方式，避免了转速过高情况下密度不同的搅拌物料因离心运动导致的分离，并且转速越高物料的混合效果越好；
3、本发明中的换热上腔室和换热下腔室分开进行换热，能够实现管道内部分段控温的效果，根据不同反应的进行程度和温度需求通入不同特征的换热介质；
4、本发明的主轴结构总体积小，对于空间有限的管式反应器有较强的适用性，提高管式反应器内部的空间利用率。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明主轴结构示意图；
图2是本发明主轴结构的俯视图；
图3是本发明的管式反应器结构图；
图4(a)-图4(c)为搅拌结构细节图；
图5是本发明的主轴另一实施方式示意图。
其中：1-主轴、2-换热介质通道、3-换热腔室、4-下接管、5-上接管、6-正向搅拌结构、7-反向搅拌结构、8-回转接头、9-换热介质入口、10-换热介质出口、11-联轴器、12-管式反应器外壳、13-搅拌物料I进口、14-搅拌物料II进口、15-产物出口、16-排气口、17-动力装置、18-密封组件，19-搅拌结构第一端，20-搅拌结构第二端，21-搅拌结构，箭头方向为主轴旋转方向，A为竖直段。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在目前的机械搅拌式装置，物质在混合或反应过程中往往会导致混合不均匀，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种搅拌装置和反应器。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种搅拌装置，该搅拌装置中包括主轴1，和主轴1上设置的正向搅拌结构6和反向搅拌结构7。
正向搅拌结构6和反向搅拌结构7在主轴1上螺旋上升，正向搅拌结构6的螺旋方向能够使主轴1旋转时，推动物料向轴向向上(或向下)移动。反向搅拌结构7的螺旋方向能够使主轴旋转推动物料轴向向下(或向上)方向移动。
作为优选方案，正向搅拌结构6和反向搅拌结构7中间留有对流区域，对流区域部分没有桨叶延伸。对流区域在搅拌结构轴向长度优选为正向搅拌结构6或反向搅拌结构7的0.2到4倍，使得物料能够在对流区域混合进行充分混合。
对流区域两侧的正向搅拌结构6和反向搅拌结构7的区域为非对流区域，这部分的区域的高度可以为零，可以为任意高度。
作为一种实施方式，对流区域两侧的正向搅拌结构6和反向搅拌结构7桨叶螺旋延伸时，交错延伸。桨叶也可以交叉，也可以没有接触，空间上交错。
如图4(a)-图4(b)所示，搅拌结构21优选为空间螺旋曲面结构，也可以为螺旋平面结构。通过该搅拌结构能够使物料向轴向方向移动。在螺旋结构第二端处加设竖直段，以增强搅拌结构竖直方向引流的能力，如图4(c)所示。
作为优选方案，搅拌结构21的两端，第一端的切面的方向为同主轴的轴线方向角度大于等于60度，优选垂直或接近垂直；第二端的切面的法向同轴线方向的角度小于等于30度，优选两者平行或接近平行。在主轴旋转时，正向搅拌结构6的第一端的延伸的方向与主轴旋转的方向基本相同，或交叉的角度小于45度，且第一端靠近搅拌物料进入方向(如果反应管为直管，则第一端靠近搅拌物料的入口；若反应管为弯管，则物料从第一端进入到正向搅拌结构6的搅拌区域)，第二端靠近搅拌物料流出的方向(如果反应管为直管，则第二端靠近搅拌物料的入口；若反应管为弯管，则物料从第二端进入到正向搅拌结构6的搅拌区域)。在主轴旋转时，反向搅拌结构7的第一端的延伸的方向与主轴旋转的方向基本相同，或交叉的角度小于45度，且第一端靠近搅拌物料流出方向，第二端靠近搅拌物料流入的方向。
当第一端的切面的方向为同主轴的轴线方向角度为垂直或接近垂直时，能够更好的使物料进入到正向搅拌结构6、反向搅拌结构7的搅拌区域。当第二端的切面的法向同轴线方向平行或接近平行时，能够对物料基本不会施加轴向方向的推动力，能够更好的实现物料的混合。
正向搅拌结构6的螺旋结构的在旋转时会给搅拌物料轴向方向向前的推动力，反向搅拌结构7的螺旋结构的在旋转时会给搅拌物料轴向方向向后的推动力。
反应物作为一种优选的实施方式，可以在搅拌结构第二端20处加设竖直段来增强搅拌结构竖直方向引流的能力。
在靠近对流区域的正向搅拌结构6和反向搅拌结构7的第二端。
通过设置正向搅拌结构6和反向搅拌结构7的不同结构，使正向搅拌结构6对物料的推动力大于反向搅拌结构7的推动力。
想要达到上述效果，搅拌结构的改变可以包括以下几种实施方式：
第一种实施方式，具有相同的螺旋角度、桨叶数量的时，正向搅拌结构6的面积大于反向搅拌结构7的面积。
作为第一种实施方式的优选实施例，正向搅拌结构6和反向搅拌结构7的高度相同，正向搅拌结构6的宽度大于下推搅拌7结构的宽度，优选正向搅拌结构6的宽度为下推搅拌7结构的宽度的1.01到2倍；
作为第一种实施方式的另一种优选实施例，正向搅拌结构6和反向搅拌结构7的宽度相同，正向搅拌结构6的高度大于反向搅拌结构7；
作为第一种实施方式的另一种优选实施例，正向搅拌结构6和反向搅拌结构7具有相同的高度、长度，但是反向搅拌结构7的桨叶上有缺口；
作为第一种实施方式的再一种优选实施例，正向搅拌结构6和反向搅拌结构7具有相同的高度，正向搅拌结构的螺距大于反向搅拌的螺距。
第二种实施方式，正向搅拌结构6和反向搅拌结构7具有相同的螺旋角度、搅拌结构的面积，桨叶的数量正向搅拌结构6的桨叶的数量多于反向搅拌结构7的数量，例如正向搅拌结构的桨叶为4个，反向搅拌结构的为3个。
当然，作为其他实施方式，上述几种优选方式中的结构改变可以同时采用，或若干组合采用，只要能够实现正向搅拌结构6带动物料的能力大于反向搅拌结构7的物料带动能力即可。
如图2所示，正向搅拌结构6和反向搅拌结构7二者均匀交错地分布在主轴1上。作为一种优选方式，正向搅拌结构6和反向搅拌结构7在圆周方向均布排列2-10片。
正向搅拌结构6和反向搅拌结构7的桨叶数量、螺旋角度、螺距、桨叶宽度、桨叶高度以及缺口的形状、大小和/或数量等这些参数都可以根据待混合的搅拌物料反应物的种类和需要的混合(或反应)强度进行灵活调节，选择其中若干个进行改变。
如图3所示，提供一种管式反应器，包括主轴1，主轴1上设有若干正向搅拌结构6和反向搅拌结构7。
作为优选方式，主轴1内部包括一个换热腔室3，当然，在其他实施例中，也可以将腔室拆分为多个，如两个腔室，具体包括上下腔室，上下腔室之间有隔层间隔开，上下腔室各自有各自的出入口。
换热介质从换热腔室3与主轴相连的开口流入，换热腔室3在主轴1的一端上设有开口，主轴1上设有与换热腔室3连通的上接管5和下接管4，主轴1上设有若干正向搅拌结构6和反向搅拌结构7。
主轴两端均设置回转接头8，回转接头上分别连接换热介质入口9、换热介质出口10，换热介质入口9与换热腔室3连通，换热介质出口10与换热腔室3连通；主轴1上端与联轴器11相连；联轴器11与动力装置17连接，为反应器提供旋转动力。换热介质入口9和换热介质出口10根据实际情况可以对调，将入口变为出口，出口变为入口。
管式反应器外壳12内设有混合流体搅拌主轴，混合流体搅拌主轴主轴旋转固定于管式反应器外壳12两端，管式反应器外壳12与混合流体搅拌主轴采用密封组件18进行密封。
管式反应器外壳12上下部设置搅拌物料I进口13以及搅拌物料II进口14；管式反应器外壳12同时开设了混合后物质的出口15和排气口16。
主轴1的结构在旋转过程中能降低管式反应器内部液体的圆周方向运动速度，避免因圆周方向运动产生的离心力导致的物料分离，同时上下两种搅拌结构交错设置，能很好地形成强有力的对流，提高反应器内部物料的湍动强度和混合效果。
换热介质入口9、上接管5和换热腔室3依次构成连通的通道，换热介质可以在由此构成的通道内流动，从而起到换热的作用，换热介质的流动方向为顺向流动或逆向流动，换热介质出口10、下接管4和换热腔室3依次构成连通的通道，换热介质可以在由此构成的通道内流动，从而起到换热的作用，换热介质的流动方向为顺向流动或逆向流动。同时，在主轴1旋转状况下、正向搅拌结构6和反向搅拌结构7能形成稳定的对流，将搅拌物料反应物混合均匀。同时在进行搅拌结构设计时采用了正向搅拌结构6的前推能力略大于和反向搅拌结构7的反推能力，实现了搅拌物料反应物能平稳向前输送的反应要求。
当不同种搅拌物料反应物从搅拌物料I进口13和搅拌物料II进口14按照反应要求进入管式反应器外壳时12时，位置相对高的搅拌物料II进口14一般通入密度相对大的物料，位置相对低的搅拌物料I进口13一般通入密度相对小的物料，增强不同种原料在重力和浮力作用下进行物料的混合；主轴1被旋转固定于管式反应器外壳12的两端，在动力装置17的动力作用下主轴1做旋转运动，带动正向搅拌结构6和反向搅拌结构7进行运动；
其中正向搅拌结构6和反向搅拌结构7桨叶的宽度为主轴1外部到管式反应器外壳12内部环形空间径向长度的0.2倍到0.95倍；
反应过程中的温度主要由换热腔室3、下接管4、上接管5、换热介质入口9、换热介质出口10配合完成。
管式反应器外壳12与主轴1的旋转固定处设有密封组件18，密封组件18用于保证主轴1在旋转或静止情况下反应器壳体内部的密封性能。
作为一种实施方式，主轴中间设置可以设置有换热腔室3，能够实现反应的分段控温，有利于换热高的反应进行换热，提高换热效果。回转接头8分为上回转和下回转两部分，分别与换热介质入口和换热介质出口相连；回转接头8被套设在主轴1两端，方式有内侧和外侧两种。
当然，作为另外一种实施方式，主轴中间设置可以设置多个换热腔室，能够实现反应的分段控温，并且上下两个腔室可以通入不同的换热介质，有利于换热高的反应进行换热，提高换热效果。回转接头8分为上回转和下回转两部分，分别与下换热介质入口和上换热介质入口相连，方便换热介质的分开流入，此时每个回转接头上可以设有独立的出口，便于实现反应器的分段控温操作，避免入口处换热介质温度与另一端部的温差过大的现象，降低循环液体速度同时实现了换热效果的提高；回转接头8被套设在主轴1两端，方式有内侧和外侧两种；由于每个换热腔室的入口是分开的，因此不需要对换热腔室做过多的处理，降低了回转接头8的结构复杂度进而降低其加工难度和生产的成本。
当然，作为另一种实施方式，换热腔室的内径或/和长度不相同，可以根据换热介质的种类、温度等不同而进行调整。
作为另一种实施方式，该反应器可以水平放置使用或倾斜放置使用。根据反应物料的粘度等、以及反应时间、搅拌混合的时间等参数进行调整设置。
作为另外一种实施方式，该反应器外部设有温度调节装置。
本反应器中的搅拌部分改进了传统桨叶的形式和排布方式，在主轴高速旋转的情况下这种特殊桨叶形式能将旋转的周向运动转化为物料的轴向运动，并通过不同的排布方式形成上下的对流混合形式，极大地降低反应器内部的圆周方向运动强度，进而解决了密度不同且互不相容的搅拌物料的混合问题，提高了反应器的适用性。
同时，通过设置独立的换热腔室3形成分段控温的换热结构。能在低能耗的条件下取得较强的混合效果和换热效果，能够较好地解决物料在反应器内部输送的问题，弥补反应器内部输送问题得不到良好效果的技术现状。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。