低转速多功能搅拌装置及其一体式多级加压器的制造方法
【专利摘要】一种带有搅拌驱动机构的低转速多功能搅拌装置及其一体式多级加压器，它具有组合式空心搅拌轴、反应液输出夹套、液位稳定器浮体、一体式多级加压器、搅拌桨。一体式多级加压器连接在搅拌装置的中心轴上，对反应液进行多级叠加加压。它的功能有：1、在较低低转速下其自吸气量足够大且从反应器底部吹出；2、在搅拌的同时，强制抽取反应液进行上下部介质交换，应用于气—液—固相催化剂之间的反应时，能高速冲刷催化剂而不是撞击，同时对反应液体有强制的乳化混合作用。3、能将反应液加压外送且自动调节外送量,以满足反应进料量任意变化时，反应器液位保持稳定。
【专利说明】
低转速多功能搅拌装置及其一体式多级加压器
技术领域
[0001]本发明涉及一种用于化工原料混合和反应的低转速多功能搅拌装置及其一体式多级加压器，尤其适用于石油化工、精细化工、医药及其生物工程行业中的气一液、液一液、液一固、气一液一固相反应过程，例如，液相催化加氢、胺化、氧化、烷基化羰基化、不饱和键加氢等。
【背景技术】
[0002]气一液、液一液、液一固、气一液一固相反应广泛存在于化工生广中。在合适的反应温度及反应压力下，参与反应的各相物质的充分混合或在反应界面的充分接触和扩散是提高反应速度，缩短反应时间的最重要因素。对于有机化学反应，反应速度的快慢不仅影响着生产的产能和能耗，更重要的是它直接关乎着副反应的程度，从而影响着产品的质量。某些液一液相反应，存在着原料液体之间由于互溶性差的原因，在原料加入反应器后出现分层或者不能均匀的有效混合，而影响化学反应速度。气一液一固体催化剂不均相反应的动力学特点是:首先经溶解或混合的气一液相反应物混合液扩散到固相催化剂表面;继而扩散到具有大比表面积微孔结构的固相催化剂内部并被吸附后反应;继而反应产物被解吸并从固相催化剂的微孔结构内部扩散到固相催化剂表面;继而从固相催化剂表面扩散到混合液中。气一液一固相催化剂不均相反应的这些动力学特点说明:提高这类化学反应的速度不仅要求提高整个反应介质的均匀混合，而且气一液相与固相催化剂之间要有大的相对运动速度。为延长活化后具有大比表面积微孔结构的固相催化剂的寿命，应尽量降低搅拌桨或搅拌涡轮的转速，以便减少其对固相催化剂的撞击，因为活化后的固相催化剂强度较低易碎，易失去微孔结构而失活，而它们又是贵重的稀有金属组分(主要是钯、铂、镍等)。综上所述:达到理想的化学反应动力学条件的搅拌装置，一是有利于整个反应介质的混合均匀，二是对有难于混合的特例化学反应也适应，它包括:难溶物质间的液一液相化学反应，固相为催化剂的气一液一固相反应。
[0003]目前用于气一液一固相反应的搅拌装置为:自吸式气液搅拌装置。它由安装在搅拌装置的中心轴上的涡轮或叶轮在料液中高速转动产生离心力，自吸反应器内顶部的气体。因此不用额外的气体输送机械而能自行吸入反应器上部空间气体，而进行气液接触的反应装置，它简化了传统工艺的流程。这类装置包括:中国专利(ZL87211458U)提供了一种自吸循环深层分散式加氢反应器，由叶轮和负压管构成。中国专利(ZL92231345.8)提供了一种用于大吨位的空气氧化反应过程的自吸气搅拌装置，由在槽体上装有由带有导流叶片和循环孔的稳流器、带有大小叶片的叶轮和进气吊管构成。中国专利(ZL97226395.0)提供了一种涡轮桨自吸式搅拌器，包括带吸气孔的接头、与接头连结的空心转轴、垂直固定在空心转轴下端并与其连通的返回管、返回管外壁上固定有与空心转轴平行的左右叶片。中国专利(ZL99232050.X)提供了一种气液反应加速增效装置，其特征在于装置包括气液反应釜、装于反应釜内的与电动机连结且其中有叶轮的空心搅拌轴、空心搅拌轴周壁上有若干小孔，可提高有机合成气液两相物资在反应釜中进行化学反应的效率。中国专利ZL200320109378.2公开了一种高效自吸式气液搅拌装置，它依次具有搅拌驱动装置、联轴器、空心搅拌轴、自吸式搅拌器、辅助搅拌器，自吸式搅拌器为空心涡轮型或空心风车型，自吸式搅拌器的下侧开有下进液孔，或者空心涡轮型自吸式搅拌器上侧开有上进液孔。
[0004]上述已有技术的自吸式气液反应搅拌装置的相同或相似结构特征和和工作原理，使得它们共有以下的弊端:1、安装在搅拌装置中心轴上的涡轮或叶轮在料液中高速转动产生离心力自吸反应器内气体，为增加气体的吸入量要求搅拌转速很高，而反应器液相搅拌因功率大又要求搅拌转速不能很高。因此，已有的技术很难兼顾吸气量与搅拌转速的协调问题。这一问题在较大容积的反应器应用时更加突出。商品化的中国专利ZL200320109378.2制造的产品，为保证吸气量只能将吸气涡轮安装在搅拌装置中心轴的上半部分，降低了它浸在反应液中的深度(它使用在公称体积16立方的反应釜时，搅拌速度大于500r.p.m，浸在反应液中的深度只占1/3)，以便降低反应液高度压差对增加吸气量的阻止。而涡轮以下的反应液中悬浮的固相催化剂浓度是反应器中最高的，它不能接受涡轮所吸气体的冲击和混合，大大增加了无效搅拌，既浪费能源又降低产品质量。2、安装在搅拌装置中心轴上的搅拌叶轮的高速转动加快了贵金属催化剂的破碎失活。3、为保障安装在搅拌装置中心轴上的搅拌涡轮的高速转动它底部的搅拌桨几何尺寸被限制的很小，导致反应器内反应液上下部分传质交换能力严重不足。
【发明内容】
[0005]为了克服现有的气体自吸式气液反应搅拌装置存在的上述缺陷。本发明的目的是提供一种低转速多功能搅拌装置及其一体式多级加压器。它具有功能有:1、在较低低转速下仍然提供满足化学反应动力学要求的吸气量，其自吸气从反应器底部吹出。2、在搅拌的同时强制抽取反应液进行上下部介质交换，应用于气一液相与固相催化剂之间的反应时，通过高速冲刷催化剂产生大的相对运动速度而不是撞击;应用于原料液体之间互溶性差的液一液相反应时，对液体有较强的乳化混合作用。3、能将反应液加压外送并且自动调节外送量以满足反应进料量不管怎样变化，反应器液位稳定在设定高度。
[0006]本发明的原理、结构与现有的气体自吸式气液反应搅拌装置不同。它解决问题所采用的技术方案是:低转速多功能反应器搅拌装置依次具有减速驱动机构、组合式空心搅拌轴、液位稳定器浮体、一体式多级加压器、搅拌桨、搅拌轴进气夹套管;组合式空心搅拌轴的液位稳定器轴段部分与液位稳定器浮体组成液位稳定器，变形文丘里吸收器是组合式空心搅拌轴的尾部的分段;一体式多级加压器的每一级都由叶轮层和通道层构成，各级结构相同并依次叠加连接成一体，其中叶轮层内有多个径向均布的叶轮片，叶轮片将叶轮层分成若干个入口相通又各自独立的小腔室，各级叶轮层与其通道层隔板面的外周上均布着多个液体出口。
[0007]组合式空心搅拌轴与一体式多级加压器通过气体夹套管连接;液位稳定器浮体与通道调节滑块连接成一体结构，通道调节滑块嵌入液位稳定器轴段部分的通道槽中，两者间的间隙，在保障它能上下移动自如的前提下尽量小；组合式空心搅拌轴由构造不同且功能不同的各分段组合而成为整体，它包含液位稳定器轴段部分，也包含变形文丘里吸收器。当低转速多功能搅拌装置在减速驱动机构带动下旋转时，浸入反应液中的一体式多级加压器与组合式空心搅拌轴以相同的角速度旋转，在离心力的作用下，一体式多级加压器里面的液体在其叶轮作用下被加压甩出进入其通道层，继而逐级叠加加压，与此同时反应液体从一体式多级加压器液体入口进入，加压甩出的反应液体进入搅拌轴中部内心，其下行部分进入变形文丘里吸收器，与经过气体夹套管通道进入的液面以上气体进行喷射混合，其上行部分经过转动着的空心轴内心送到固定着的反应液输出夹套中，然后送到反应器外部，增加一体式多级加压器的加压级数可以增加加压后液体的压力，因而降低组合式空心搅拌轴转速也能得到加压液体所需的压力，从而实现低转速搅拌(一体式多级加压器的原理及计算参照关醒凡编著的《现代栗技术手册》，ISBN 7-80034-797-4)，受反应器液位的影响液位稳定器浮体上的通道调节滑块上下浮动，这一过程改变着空心轴的外送液体量大小，从而稳定反应器的液位。
[0008]本发明的有益效果是
[0009]1、与现有的气体自吸式气液搅拌器相比本发明的低转速多功能搅拌器转速可降低转速一半以上。
[0010]2、应用本发明的低转速多功能搅拌装置进行的某些气一液一固相催化剂化学反应，与应用自吸式气液搅拌装置进行同样的化学反应相比，化学反应速度提高一倍以上。例如4-亚硝基对苯二胺或4-硝基对苯二胺在活性镍催化剂的作用下与氢气生成RT培司的反应。
[0011]3、应用本发明的低转速多功能搅拌装置进行的气一液一固相催化剂化学反应与应用自吸式气液搅拌装置进行同样的化学反应相比，催化剂活性寿命提高一倍以上。例如4-亚硝基对苯二胺或4-硝基对苯二胺在活性镍催化剂的作用下与氢气生成RT培司的反应。
[0012]4、应用本发明的低转速多功能搅拌装置进行的气一液一固相催化剂化学反应与现有技术相比，可以简化反应的工艺流程，去掉传统流程中的反应液输送栗和输送栗入口的反应液缓冲沉降槽，并且自动控制反应器内液位稳定，(由于反应液中夹带有贵金属催化剂需回收重复利用，需要将其加压送到位能更高的设备中沉降，沉降后的催化剂靠重力重新流回反应器，因此这部分流程是必有的。)
[0013]5、应用本发明的低转速多功能搅拌装置应用于难溶物质间的液一液相化学反应时比应用其他传统搅拌提高反应速度2倍以上。因为本发明装置具有抽取反应器上部液体进行多级加压后在文丘里吸收器与气体进行混合冲击的过程。
[0014]6、自动控制反应器内液位稳定。
【附图说明】
[0015]下面结合附图进一步说明。
[0016]图1是釆用本发明的反应器结构示意图。
[0017]图2是本发明的的纵剖面构造图。
[0018]图3是图2的A—A剖视图。
[0019]图4是图2的B—B剖视图。
[0020]图5是图2的C一C剖视图。
[0021]图6是图2的D—D剖视图。
[0022]图7是图2的E—E剖视图。
[0023]图中:1.组合式空心搅拌轴，1.1搅拌轴上段部分，1.1.1反应液输出出口，1.2液位稳定器轴段部分，1.2.1液位稳定器轴段部分进液口，1.2.2液位稳定器轴段部分出液口，1.2.3液位稳定器轴段部分进气通道，1.3—体式多级加压器轴段部分，1.3.1搅拌轴进气夹套管，1.3.2搅拌轴进气通道，1.3.3—体式多级加压器轴段部分内心，1.4变形文丘里吸收器，1.4.1变形文丘里吸收器进液口，1.4.2变形文丘里吸收器进气通道，1.4.3变形文丘里吸收器吸收室，1.4.4变形文丘里吸收器尾管，1.4.5变形文丘里吸收器尾管空心，2.反应液输出夹套，2.1夹套轴密封，2.2反应液输出夹套出口，3.液位稳定器浮体，3.1通道调节滑块
4.一体式多级加压器，4.1一级叶轮层，4.2—级通道层，4.3二级叶轮层，4.4二级通道层，4.5—体式多级加压器液体入口，4.6—级叶轮层液体出口，4.7二级叶轮层液体入口，4.8叶轮片，5.搅拌桨，6.减速驱动机构，7.反应器外壳。
【具体实施方式】
[0024]参照附图1，低转速多功能搅拌装置及其一体式多级加压器与减速驱动机构6和反应器外壳7结合，可以构成低转速多功能反应器。其中:根据不同的具体应用，反应器外壳与夹套和/或内换热盘管、进出料口、安全阀、人孔等部件结合，反应器外壳是受压容器，对于特定反应及其使用场合，也可为敞口的矩形槽。
[0025]参照附图2，组合式空心搅拌轴由构造不同且功能不同的各分段组合构成，经过制造手段连接成为整体。各分段依次是:搅拌轴上段部分1.1，液位稳定器轴段部分1.2，一体式多级加压器轴段部分1.3，变形文丘里吸收器1.4。
[0026]搅拌轴上段部分1.1伸出反应器壳体封头外，它上面的反应液输出出口 1.1.1被环形的反应液输出夹套2所包裹，反应液输出夹套2与组合式空心搅拌轴I间设有夹套轴密封2.1，它的作用是防止输出的反应液泄露。它上面的反应液输出夹套出口 2.2连接外部输出管。
[0027]参照附图2、附图3，液位稳定器位于反应器内。它由环形的液位稳定器浮体3和液位稳定器轴段部分1.2组成，液位稳定器浮体3的内腔是环形且密闭的，液位稳定器浮体3与通道调节滑块3.1连接成一体，，通道调节滑块嵌入液位稳定器轴段部分的通道槽中，两者间的间隙，在保障它能上下移动自如的前提下尽量小，通道调节滑块数为2?4，优选3;液位稳定器轴段部分1.2的外形是圆柱体型其空心在中间隔断，它上部的空心与搅拌轴上段部分1.1的空心贯通为一体，它下部的中间空心与一体式多级加压器轴段部分内心1.3.3贯通为一体，其上部的中间空心沿径向等角度均布着多个贯通到通道槽的液位稳定器轴段部分进液口 1.2.1，进液口数2?4，优选3，其下部分的中间空心沿径向等角度均布着多个贯通到通道槽的液位稳定器轴段部分出液口 1.2.2，出液口数2?4，优选3，在其轴向方向有多路垂直且等径均布的液位稳定器轴段部分进气通道1.2.3，进气通道数为3?9，优选6。液位稳定器的作用是稳定反应器内液体液位，它依据以下的动作过程来实现:当液位低时，液位稳定器浮体3的重力大于它的浮力，它的支撑点落至通道槽下部，此时通道调节滑块3.1将液位稳定器轴段部分进液口 1.2.1全部盖住，从而将搅拌轴上段部分1.1的内心与一体式多级加压器轴段部分内心1.3.3隔断。反之，液位高时，被盖住的液位稳定器轴段部分进液口1.2.1渐渐敞开，向外输出液体的能力逐渐增至最大。
[0028]参照附图2、附图4、附图5、附图6，一体式多级加压器4位于液位稳定器浮体3的下面，它通过搅拌轴进气夹套管1.3.1和组合式空心搅拌轴I连接，一体式多级加压器4自上而下依次为:一级叶轮层4.1，一级通道层4.2，二级叶轮层4.3，二级通道层4.3,……各级结构相同并依次叠加连接成一体，加压级数为2?10，优选3?8(附图2中只画出了 2级)，各级加压器都由叶轮层和通道层构成，叶轮层内有多个径向均布的叶轮片4.8，叶轮片数为为3?30，优选6?20，叶轮片4.8将叶轮层分成若干个入口相通又各自独立的小腔室，在一级叶轮层和气体夹套管连接处均布着多个一体式多级加压器液体入口4.5(各级叶轮层等同)，液体入口数为2?4，优选3，在一级叶轮层与一级通道层隔板面的外周上均布着多个一级叶轮层液体出口 4.6，液体出口数为3?30优选6?20。
[0029]参照附图2、附图7，变形文丘里吸收器1.4的上端与一体式多级加压器轴段部分
1.3连为一体，其上部的中间空心径向水平均布着多个变形文丘里吸收器进液口 1.4.1，进液口数3至5，优选3，它下面是变形文丘里吸收器吸收室1.4.3，吸收室的周边有与之贯通的变形文丘里吸收器进气通道1.4.2，均布的多路变形文丘里吸收器进气通道1.4.2上端垂直贯通至搅拌轴进气通道1.3.2，进气通道数为3?6，优选6，变形文丘里吸收器1.4的下部分为变形文丘里吸收器尾管1.4.4，在它的下部连接着搅拌桨5，搅拌桨构成的搅拌为多层径流型或轴流型，搅拌层数I?2，优选I，其形式优选轴流型，每层搅拌桨叶片数为3?4，优选3。
[0030]经一体式多级加压器4叠加加压的液体，通过变形文丘里吸收器进液口 1.4.1进入变形文丘里吸收器1.4，与进入的气体进行喷射混合。这部分气体的流程为:从反应器液面以上经液位稳定器轴段部分进气通道1.2.3流入一体式多级加压器轴段部分夹套通道1.3.2，继而流入变形文丘里吸收器进气通道1.4.2，混合后的液体经变形文丘里吸收器尾管I，4.4垂直喷入反应器底部。这样，反应器内的反应液上下不断循环混合，各种反应原料在文丘里吸收器尾管里得以进一步的充分混合和冲刷。
【主权项】
1.一种具有搅拌驱动机构的低转速多功能搅拌装置，其特征在于它具有组合式空心搅拌轴(I )、反应液输出夹套(2)、液位稳定器浮体(3)、一体式多级加压器(4)、搅拌桨(5)。2.根据权利要求1所述的低转速多功能搅拌装置，其特征在于所说组合式空心搅拌轴(I)由搅拌轴上段部分(1.1)、液位稳定器轴段部分(1.2)、一体式多级加压器轴段部分(1.3)、变形文丘里吸收器(1.4)构成，各部分经过制造手段连接成为一体。3.根据权利要求1所述的低转速多功能搅拌装置，其特征在于所说反应液输出夹套(2)与搅拌轴上段部分(1.1)之间有夹套轴密封，且反应液输出夹套将搅拌轴上段部分的反应液输出出口(1.1.1)包裹。4.根据权利要求1所述的低转速多功能搅拌装置，其特征在于所说液位稳定器浮体(3)与通道调节滑块(3.1)连接成一体，环形结构的液位稳定器浮体的环形内腔是密闭的，通道调节滑块可移动的嵌入液位稳定器轴段部分的通道槽中，通道调节滑块数为2?4，优选3。5.根据权利要求1所述的低转速多功能搅拌装置，其特征在于所说一体式多级加压器(4)的每一级都由叶轮层和通道层构成，各级结构相同并依次叠加连接成一体，加压级数为2?10，优选3?8;叶轮层内有多个径向均布的叶轮片(4.8)，叶轮片数为为3?30，优选6?20，叶轮片将叶轮层分成若干个入口相通又各自独立的小腔室，一级叶轮层与其通道层隔板面的外周上均布着多个液体出口(4.6)，液体出口数为3?30，优选6?20，每一级的加压层液体入口数为2?4，优选3?4。6.根据权利要求1所述的低转速多功能搅拌装置，其特征在于所说搅拌桨(5)构成的搅拌为多层径流型或轴流型，搅拌层数I?2，优选1，其形式优选轴流型，每层搅拌桨叶片数为3?4，优选3。7.根据权利要求2所述的低转速多功能搅拌装置，其特征在于所说液位稳定器轴段部分(1.2)的外形是圆柱体型且空心在它中间被隔断，它上部的空心与搅拌轴上段部分(1.1)的空心贯通为一体，它下部的中间空心与一体式多级加压器轴段部分内心(1.3.3)贯通为一体，其上部的中间空心沿径向等角度均布着多个贯通到通道槽的液位稳定器轴段部分进液口(1.2.1)，进液口数2?4，优选3，其下部分的中间空心沿径向等角度均布着多个贯通到通道槽的液位稳定器轴段部分出液口(1.2.2)，出液口数2?4，优选3，在其轴向方向有多路垂直且等径均布的液位稳定器轴段部分进气通道1.2.3，气通道数为3?9，优选6。8.根据权利要求2或所述的低转速多功能搅拌装置，其特征在于所说一体式多级加压器轴段部分(I.3)有搅拌轴进气夹套管(1.3.1)，一体式多级加压器(4)通过它和组合式空心搅拌轴(I)连接。9.根据权利要求2或所述的低转速多功能搅拌装置，其特征在于所说变形文丘里吸收器(1.4)其上部的中间空心径向均布着多个变形文丘里吸收器进液口(1.4.1)，进液口数3至5，优选3，它下面是变形文丘里吸收器吸收室(1.4.3)，吸收室的周边均布着与之贯通的变形文丘里吸收器进气通道(1.4.2)，进气通道数为3至6优选为6，变形文丘里吸收器尾管(1.4.4)连接着搅拌桨5。10.—种一体式多级加压器(4)，连接在组合式空心搅拌轴(I)的搅拌轴进气夹套管(1.3.1)上并与空心轴同心，其特征在于它的每一级都由叶轮层和通道层构成，各级结构相同并依次叠加连接成一体，加压级数为2?10，优选的加压级数3?8;叶轮层内有多个径向均布的叶轮片(4.8)，叶轮片数为3?30，优选的叶轮片数6?20，叶轮片将叶轮层分成若干个入口相通又各自独立的小腔室，一级叶轮层与其通道层隔板面的外周上均布着多个液体出口( 4.6)，液体出口数为3?30，优选6?20，每一级的加压层液体入口数为2?4，优选3。
【文档编号】B01J8/10GK106000243SQ201610411155
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月14日
【发明人】李良军
【申请人】李良军