专利名称：表面曝气式多相接触搅拌装置的制作方法
技术领域：
本发明属于石油化工、生化制药、环保和湿法冶金等领域的搅拌装置，特别涉及一种适于气-液-液、气-液-固、气-液等多相体系的气相吸入、多相分散混合、相间接触及多相化学反应过程的表面曝气式多相接触搅拌装置。
背景技术：
为避免大量气体在反应器外的循环压缩，气液多相搅拌槽内可采用自吸式或表面曝气式搅拌桨。自吸式搅拌桨的功耗小、传质效果较好，但缺点是吸气能力的限制大、操作不稳定、反应器构造复杂。表面曝气桨，如Rushton桨，可以避免上述缺点。表面曝气桨位于气液界面附近，在搅拌过程中，液面剧烈起伏、湍动，搅拌桨四周的液面降低，气体被吸入并分散在液相中，但同时表面曝气桨的桨叶也易暴露于气相中，严重降低桨叶的吸气和破碎气泡的能力，导致多相循环和传质效率差。毛在砂等提出的“组合式表面曝气桨”(中国发明专利申请号00102745.X)，在表面曝气桨与气液界面之间安装一自旋自浮挡板，防止桨叶暴露在气相中并增强剪切作用，改善了气-液两相体系的表面曝气性能，适于液位深度较小的气-液两相系统接触，但对深层液相中的气-液接触和混合效率较低，尤其对于工业大型装置效果更不理想。当搅拌槽内的液位深度大时，为保证吸入气体的分散和液面深处的混合，通常在表面曝气桨的下方另设置数个搅拌桨。但对于包含气-液两相和另一固相或另一液相的三相复杂体系，还缺乏曝气效率高、同时保证气-液和其它物相(如液-液、液-固)的分散和传质效果的高效接触搅拌装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种能使液面波动小、吸入气量大、气相在液相中分散均匀、液相主体充分混合接触、搅拌效率高、多相传质效果好的表面曝气式多相接触搅拌装置。
本发明的具体实施方案如下本发明提供的表面曝气式多相接触搅拌装置，包括一搅拌槽8，一安装于搅拌槽8中心处的搅拌轴1，及安装在搅拌轴1下端的表面曝气搅拌桨2，其特征在于还进一步包括上推轴流桨3，上推轴流桨3装在表面曝气搅拌桨2下方的搅拌轴1上；所述表面曝气搅拌桨2上方的搅拌轴1上安装一沿搅拌轴1上下自由浮动、自由旋转的自旋自浮挡板4；所述自旋自浮挡板4由与水平面成10-60度倾角的4-36个扇形片组成，圆形挡板的直径小于搅拌槽8的内径，大于表面曝气搅拌桨2的外径；所述的表面曝气搅拌桨2为径向型的Rushton桨，其圆盘上设有3-36个透气孔，总透气面积为搅拌桨圆盘面积的10-60％。；所述的上推轴流桨3为轴流型的上推斜叶透平桨，其叶片与水平面的夹角为30-60度，上推轴流桨3为1-2个；在自旋自浮挡板4与表面曝气搅拌桨2之间的搅拌轴1上，固定安装限位环5。
本发明的表面曝气式多相接触搅拌装置，在搅拌状态下，湍动液体推动圆形自旋自浮挡板4自浮于液面6附近，使表面曝气搅拌桨2与气相相对屏蔽，防止桨叶暴露于气相中，并沿径向形成压差，增强表面曝气桨2的曝气能力，同时自旋自浮挡板4还以低于搅拌转速的速率在液面6附近旋转，在自旋自浮挡板4与表面曝气搅拌桨2之间产生剪切力，有利于破碎气泡和强化气液混合；位于表面曝气搅拌桨2下层的上推轴流桨3，在液相深处产生上下轴向流动，与表面曝气桨2产生的径向流动的流场相耦合，增强搅拌槽8内的整体循环流动，强化液-液、液-固和气-液的接触及混合，而且通常液-液两相系统易在高剪切条件下形成乳化体系，下层的轴流型搅拌桨3也有利于降低乳化程度。
总之，本发明所提供的表面曝气式多相接触搅拌装置，搅拌效率高，液面波动小，吸气能力强，能够同时强化较深液位的搅拌槽内的气-液和其它相的传质效果。
附图1为通常使用的Rushton桨表面曝气式搅拌槽的示意图；附图2为已有技术中的组合式表面曝气桨的结构示意图；
附图3为本发明的一实施例的结构示意图；附图4为本发明的又一实施例的结构示意图；其中搅拌轴1 表面曝气搅拌桨2 上推轴流桨3自旋自浮挡板4限位环5 气液界面6液液界面7搅拌槽8 搅拌槽挡板9实施方式附图3和4为本发明的二个实施例的结构示意图；由图可知，本发明提供的表面曝气式多相接触搅拌装置，包括一搅拌槽8，一安装于搅拌槽8中心处的搅拌轴1，及安装在搅拌轴1下端的表面曝气搅拌桨2，其特征在于还进一步包括上推轴流桨3，上推轴流桨3装在表面曝气搅拌桨2下方的搅拌轴1上；所述表面曝气搅拌桨2上方的搅拌轴1上安装一沿搅拌轴1上下自由浮动、自由旋转的自旋自浮挡板4；所述自旋自浮挡板4由与水平面成10-60度倾角的4-36个扇形片组成，圆形挡板的直径小于搅拌槽8的内径，大于表面曝气搅拌桨2的外径；所述的表面曝气搅拌桨2为径向型的Rushton桨，其圆盘上设有3-36个透气孔，总透气面积为搅拌桨圆盘面积的10-60％。；所述的上推轴流桨3为轴流型的上推斜叶透平桨，其叶片与水平面的夹角为30-60度，上推轴流桨3为1-2个；在自旋自浮挡板4与表面曝气搅拌桨2之间的搅拌轴1上，固定安装限位环5。
附图1为通常使用的Rushton桨表面曝气式搅拌槽的示意图。附图2为申请号为00102745.X的中国发明专利申请在Rushton桨2的上方设置一自旋自浮的圆形挡板4的组合式表面曝气桨的结构示意图。
附图3为本发明的一种实施例，表面曝气搅拌桨2(Rushton桨)位于上层，其下方的搅拌轴1上安装一上推轴流桨3；表面曝气搅拌桨2为径向型的Rushton桨，表面曝气搅拌桨2的圆盘上设有透气孔，表面曝气搅拌桨2靠近气液界面6；上推轴流桨3为斜叶透平桨，根据液位的深度，恰当布置位于下层的上推轴流桨3在搅拌轴1上的位置，对于气-液-液三相体系，上推轴流桨3可安装在液-液界面7附近，如液位太深可以采用两个以上的上推轴流桨3，强化底层流体循环。
附图4为本发明的又一种实施例，在搅拌轴1上自上而下依次安装自旋自浮挡板4、表面曝气搅拌桨2和上推轴流桨3；表面曝气搅拌桨2和上推轴流桨斜叶透平桨3的类型及安装位置与附图3相同；自旋自浮挡板4可在搅拌槽8内流动流体的推动下自由旋转和上下浮动，自旋自浮挡板4由4-36个扇形片组成、扇形片与水平面成10-60度倾角，并向表面曝气搅拌桨2旋转方向的下游方向倾斜，在自旋自浮挡板4与表面曝气搅拌桨2之间的搅拌轴1上安装限位环5，使自旋自浮挡板4离开表面曝气搅拌桨2一定距离，静止时自旋自浮挡板4离气液界面6的距离为0-5厘米。
在搅拌转速为642转/分钟时，采用单一Rushton桨2的气液传质系数为0.0173秒-1，采用单一斜叶透平桨3的气液传质系数为0.0184秒-1，而搅拌槽内采用图2的带自旋自浮挡板4的Rushton桨2的气液传质系数为0.0245秒-1，在相同单位液相功耗下，采用第三种组合式表面曝气桨的气液传质系数比前两种型式高10-60％。
本实施例包括三种搅拌釜构型，一是采用如图1所示的单一Rushton桨2，另一种采用两个Rushton桨2组成的双层搅拌桨，第三种是图3所示的采用由Rushton桨2和45度上推斜叶透平桨3组成的双层搅拌桨；标准Rushton桨2和45度上推斜叶透平桨3的桨叶直径均为36毫米；采用单层搅拌桨时，搅拌桨离反应釜的上液面6的距离为40毫米，液相深度约为75毫米；采用双层搅拌桨时，上层桨离上液面6的距离为20毫米，两桨之间距离为30毫米，液相总深度约80毫米。
利用气相色谱仪分析反应混合物的组成，计算氢甲酰化反应的转化率和反应速率。当搅拌转速为900转/分钟、反应进行2小时后，采用单个Rushton桨2和双层Rushton桨2的两种搅拌构型得到的反应转化率分别为42.0％和45.8％，而由Rushton桨2和上推斜叶透平桨3组成的双层桨得到的转化率提高到59.6％，三种搅拌桨构型得到的氢甲酰化的初始反应速率依次为0.277、0.384和0.561摩尔/立方米/秒。在其它反应条件下进行类似的对比实验，由Rushton桨2和上推斜叶透平桨3组成的本发明的表面曝气式多相接触搅拌装置得到的转化率和初始反应速率比另两种搅拌构型提高20-110％。
本实施例包括四种搅拌釜构型，一是采用单一45度上推斜叶透平桨3，二是采用如图1所示的单一Rushton表面曝气桨2，第三种是采用带有自旋自浮挡板4的上推斜叶透平桨3，第四种是如图2所示的采用带有自旋自浮挡板4的Rushton桨2；标准Rushton桨2和上推斜叶透平桨3的尺寸同实施例3，直径为36毫米的自旋自浮挡板4的结构同实施例1；Rushton桨2和上推斜叶透平桨3离反应釜的上液面6的距离均为40毫米，液相深度为80毫米；自旋自浮挡板4离上液面6的距离为30-35毫米，自旋自浮挡板4与Rushton桨2或上推斜叶透平桨3之间的距离大于5毫米。
反应组成分析及计算方法同实施例3；当搅拌转速为700转/分钟、反应2小时后，四种搅拌装置得到的反应转化率依次为68.5％、84.0％、42.8％和83.0％，烯烃氢甲酰化的初始反应速率依次为0.695、0.630、0.207和1.24摩尔/立方米/秒；采用图2所示的由自旋自浮挡板4和Rushton桨2组成的搅拌混合装置，可以获得比其它三种构型高2倍以上的初始反应速率，烯烃转化率也较高。
反应组成分析及计算方法同实施例3；当搅拌转速为500转/分钟、反应2小时后，转化率为69.5％，初始反应速率为0.435摩尔/立方米/秒；当搅拌转速为700转/分钟、反应2小时后，转化率为84.2％，初始反应速率为2.03摩尔/立方米/秒；与实施例4的四种搅拌桨构型相比，采用本发明的组合形式的表面曝气式多相接触搅拌装置，烯烃氢甲酰化反应的初始反应速率提高了60~200％，反应的转化率也高于其它各种搅拌桨构型。
权利要求
1.一种表面曝气式多相接触搅拌装置，包括一搅拌槽(8)，一安装于搅拌槽(8)中心处的搅拌轴(1)，及安装在搅拌轴(1)下端的表面曝气搅拌桨(2)，其特征在于还进一步包括上推轴流桨(3)，上推轴流桨(3)安装在表面曝气搅拌桨(2)下方的搅拌轴1上。
2.按权利要求1所述的表面曝气式多相接触搅拌装置，其特征在于在表面曝气搅拌桨(2)上方的搅拌轴(1)上安装一沿搅拌轴(1)上下自由浮动、自由旋转的自旋自浮挡板(4)。
3.按权利要求1所述的表面曝气式多相接触搅拌装置，其特征在于所述的表面曝气搅拌桨(2)为径向型的Rushton桨，其圆盘上设有3-36个透气孔，总透气面积为搅拌桨圆盘面积的10-60％。。
4.按权利要求1所述的表面曝气式多相接触搅拌装置，其特征在于所述的上推轴流桨(3)为轴流型的上推斜叶透平桨，其叶片与水平面的夹角为30-60度，上推轴流桨3为1-2个。
5.按权利要求2所述的表面曝气式多相接触搅拌装置，其特征在于所述自旋自浮挡板(4)由与水平面成10-60度倾角的4-36个扇形片组成，圆形挡板的直径小于搅拌槽(8)的内径，大于表面曝气搅拌桨(2)的外径。
6.按权利要求2所述的表面曝气式多相接触搅拌装置，其特征在于在自旋自浮挡板(4)与表面曝气搅拌桨(2)之间的搅拌轴(1)上，固定安装限位环(5)。
全文摘要
本发明的表面曝气式多相接触搅拌装置，包括搅拌槽、装于搅拌槽内搅拌轴下端的表面曝气搅拌桨，还包括装在表面曝气搅拌桨下方搅拌轴上的上推轴流桨；上推轴流桨可为1－2个，可为轴流型的上推斜叶透平桨，其叶片与水平面的夹角为30－60度；自旋自浮挡板由与水平面成10－60度倾角的4－36个扇形片组成，其直径小于搅拌槽的内径，大于表面曝气搅拌桨的外径；表面曝气搅拌桨上方的搅拌轴上安装自旋自浮挡板；在自旋自浮挡板与表面曝气搅拌桨之间的搅拌轴上，固定安装限位环；本发明的表面曝气式多相接触搅拌装置的搅拌效率高，液面波动小，吸气能力强，能够同时强化搅拌槽内较深液位的气－液两相及其与第三相的混合和传质效果。
文档编号B01F7/16GK1443598SQ02104088
公开日2003年9月24日 申请日期2002年3月11日 优先权日2002年3月11日
发明者杨超, 禹耕之, 毛在砂 申请人:中国科学院过程工程研究所