一种搅拌轴及管式反应器的制作方法

本发明涉及反应设备技术领域，具体而言，涉及一种搅拌轴及管式反应器。

背景技术：

在装置对物料进行搅拌时，常常需要对在搅拌的同时进行换热，例如在化学反应装置中，不仅需要对反应物进行搅拌，以使反应物混合均匀，而且由于部分反应物在反应过程中会放出大量的热，如果产生的热量不能及时带走，则可能导致反应失控甚至爆炸等后果。

而现有的搅拌设备中，往往将换热和搅拌通过不同的设备实现，例如通过设备外部设置的换热模块和设备内的搅拌轴分别实现。但是这种结构往往难以对设备内部的物料的热量进行交换，换热效率低。

技术实现要素：

本发明的目的包括，例如，提供了一种搅拌轴，其具有换热结构，能够在搅拌过程中实现与物料进行热交换，满足物料的换热需求，提高换热效率。

本发明的目的还包括，提供了一种管式反应器，其能够实现在内部对物料进行换热，满足物料的换热需求，提高换热效率。

本发明的实施例可以这样实现：

本发明的实施例提供了一种搅拌轴，其包括轴体，轴体包括外壳体和设置在外壳体内的内壳体；内壳体内设置有第一腔室以及与第一腔室连通的第一开口；

内壳体与外壳体之间形成有第二腔室和第三腔室，外壳体的外侧用于安装具有换热通道的换热件，第二腔室通过换热通道与第三腔室连通；内壳体上开设有连通孔，第一腔室与第二腔室通过连通孔连通；外壳体还设置有与第三腔室连通的第二开口。

可选的，上述轴体还包括设置在内壳体与外壳体之间的隔板，隔板用于将内壳体与外壳体之间的区域分隔成第二腔室和第三腔室；

优选的，隔板的数量为至少一个，隔板固定连接于外壳体的内壁，且每一隔板与内壁之间形成一个第三腔室；

优选的，隔板包括第一径向隔板和第二径向隔板，第一径向隔板和第二径向隔板沿外壳体的周向间隔设置，同一隔板的第一径向隔板和第二径向隔板之间形成第三腔室；

优选的，隔板还包括周向隔板，周向隔板的两端分别与第一径向隔板和第二径向隔板固定连接；周向隔板与外壳体间隔设置，周向隔板与外壳体之间形成第三腔室；周向隔板与内壳体间隔设置，以使第三腔室与内壳体间隔设置；

优选的，轴体还包括设置在内壳体与外壳体之间的封闭板，封闭板用于封闭第二腔室；

优选的，封闭板套设在内壳体外，且内壳体与封闭板之间设置有密封件；

优选的，内壳体外设置有台肩，封闭板套设于台肩，且台肩与封闭板之间设置有封件。

可选的，上述搅拌轴还包括固定连接在外壳体外侧的换热件，换热件内设置有换热通道，换热通道的两端分别与第二腔室和第三腔室连通；

优选的，换热件为搅拌叶片。

可选的，上述换热件的换热通道内还设置有扰流结构；

优选的，扰流结构包括设置在换热通道内的扰流件；

优选的，扰流结构包括设置在换热通道的壁面上的凹槽或凸起。

可选的，上述外壳体的横截面上，沿外壳体的周向设置的换热件的数量为m，第二腔室和第三腔室的数量之和为n；

当m为偶数时，m≤(n-1)×2；当m为奇数时，m≤(n-1)×2-1；

优选的，当m为偶数时，m＝(n-1)×2；当m为奇数时，m＝(n-1)×2-1；

优选的，换热件的数量为偶数；

优选的，换热件的数量为4、6或8。

可选的，上述搅拌叶片的表面切线与轴体的转动轴线呈夹角设置；

优选的，搅拌叶片用于使搅拌物料具有向物料出口运动的趋势；

优选的，换热件的表面切线与轴体的转动轴线之间的夹角为β，0°＜β≤45°；

优选的，换热件的表面为平面，平面与轴体的转动轴线呈夹角设置；

优选的，换热通道的入口和出口之间的连线与轴体的轴线之间的夹角为α，0°＜α≤45°。

可选的，上述轴体还包括旋转接头，内壳体和外壳体均与旋转接头可转动地连接；第一开口和第二开口均开设于旋转接头；

优选的，连通孔和第一开口分别位于内壳体的两端；

优选的，连通孔位于内壳体远离第一开口一端的端部。

可选的，上述连通孔的数量为多个，多个连通孔开设于内壳体的周壁上；

优选的，多个连通孔的孔径之和大于或者等于第一腔室的径向尺寸。

可选的，上述外壳体的外侧具有用于安装换热件的换热区域；沿轴体的轴向，换热区域位于第二开口与连通孔之间。

本发明的实施例还提供了一种管式反应器。该管式反应器包括上述任意一种搅拌轴。

本发明实施例的搅拌轴及管式反应器的有益效果包括，例如：

本发明的实施例提供了一种搅拌轴，其包括轴体。轴体包括外壳体和设置在外壳体内的内壳体。内壳体设置有第一腔室，外壳体与内壳体之间形成有第二腔室和第三腔室。外壳体的外侧用于安装换热件，换热件具有将第二腔室和第三腔室连通的换热通道，第二腔室与第一腔室通过设置在内壳体上的连通孔连通。第一腔室通过第一开口与外界连通，第三腔室通过第二开口与外界连通，以使换热介质能够进出轴体，在搅拌轴进行搅拌的过程中实现对搅拌物料的换热，从而提高换热效果，满足搅拌物料的换热需求。

本发明的实施例还提供了一种管式反应器，其包括上述任意一种搅拌轴，因此也具有能够在搅拌物料内部进行换热、满足搅拌物料的换热需求、换热效果好的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的搅拌轴的剖面结构示意图；

图2为本发明实施例提供的搅拌轴的外壳体的结构示意图；

图3为图1中ⅲ-ⅲ处的剖面结构示意图；

图4为本发明实施例提供的第二种搅拌轴的剖面结构示意图；

图5为图3中ⅴ-ⅴ处的剖面结构示意图；

图6为本实施例提供的搅拌轴的另一种周向隔板的剖面结构示意图；

图7为本发明实施例提供的第三种搅拌轴的剖面结构示意图；

图8本发明实施例提供的搅拌轴中搅拌叶片的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的第四种搅拌轴的剖面结构示意图；

图10为图1中ⅹ处的局部结构放大图；

图11为图1中ⅺ-ⅺ处的剖面结构示意图；

图12为本发明实施例提供的管式反应器在第一视角下的剖面结构示意图；

图13为本发明实施例提供的管式反应器在第二视角下的剖面结构示意图。

图标：100-搅拌轴；110-内壳体；111-第一腔室；112-连通孔；113-台肩；120-外壳体；121-第二腔室；122-第三腔室；130-搅拌叶片；131-换热通道；132-入口；133-出口；134-扰流件；140-隔板；141-第一径向隔板；142-第二径向隔板；143-周向隔板；150-封闭板；151-密封件；160-旋转接头；161-第一开口；162-第二开口；200-管式反应器；210-反应壳体；220-进料管。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

图1为本实施例提供的搅拌轴100的剖面结构示意图。请参考图1，本实施例提供了一种搅拌轴100，其包括轴体。轴体包括外壳体120和设置在外壳体120内的内壳体110。内壳体110设置有第一腔室111，外壳体120与内壳体110之间形成有第二腔室121和第三腔室122。外壳体120的外侧用于安装换热件，换热件具有将第二腔室121和第三腔室122连通的换热通道131，第二腔室121与第一腔室111通过设置在内壳体110上的连通孔112连通。第一腔室111通过第一开口161与外界连通，第三腔室122通过第二开口162与外界连通，以使换热介质能够进出轴体，在搅拌轴100进行搅拌的过程中实现对搅拌物料的换热，从而提高换热效果，满足搅拌物料的换热需求。

下面对本实施例提供的搅拌轴100进行进一步说明：

在本实施例中，搅拌轴100包括轴体。轴体包括外壳体120以及设置在外壳体120内的内壳体110。具体的，外壳体120为其内具有一空腔的管状结构，内壳体110呈圆柱状，且设置在外壳体120的空腔内，与外壳体120同轴设置，从而形成圆柱形的轴体，在搅拌过程中，轴体绕自身轴线转动。内壳体110的外径小于外壳体120的内径，因此在内壳体110与外壳体120之间形成有一环形空腔。内壳体110为管状件，其内具有第一腔室111，在内壳体110上开设有连通孔112，从而将第一腔室111与内壳体110和外壳体120之间形成的环形空腔连通，进入第一腔室111的换热介质能够通过连通孔112进入环形空腔，或者进入环形空腔的换热介质能够通过连通孔112进入第一腔室111。

图2为本实施例提供的搅拌轴100的外壳体120的结构示意图。请结合参照图1和图2，轴体还包括设置在环形空腔内的隔板140，通过隔板140将环形空腔分隔成第二腔室121和第三腔室122，内壳体110上开设的连通孔112将第一腔室111和第二腔室121连通。外壳体120的外壁安装有换热件，换热件具有换热通道131，外壳体120上开设有与换热通道131连通的入口132和出口133，入口132与第二腔室121连通，出口133与第三腔室122连通，从而通过换热通道131将第二腔室121和第三腔室122连通。外壳体120具有将第三腔室122与外界连通的第二开口162，在使用过程中，当换热介质从第一开口161进入轴体内后，依次通过第一腔室111、第二腔室121和第三腔室122，并最终从第二开口162离开轴体，或者，换热介质也可以从第二开口162进入轴体进而从第一开口161离开轴体。

图3为图1中ⅲ-ⅲ处的剖面结构示意图。请参照图3，隔板140的数量为至少一个，隔板140固定连接在外壳体120的内壁上，从而在隔板140与外壳体120之间形成第三腔室122，外壳体120与内壳体110之间的环形空腔的剩余部分为第二腔室121。具体的，在本实施例中，隔板140的数量为两个，从而形成两个第三腔室122。两个隔板140沿外壳体120的周向间隔设置，且分别与外壳体120的内壁固定连接，从而将外壳体120的内壁分成沿周向分布的四个区域，分别为第一区域、第二区域、第三区域和第四区域，第一区域和第三区域分别用于形成两个第三腔室122，第二区域和第四区域分别用于形成第二腔室121。

需要说明的，此处并不对隔板140的数量进行具体限制，可以理解的，在其他实施例中，也可以根据需求，具体设置隔板140的数量，例如将隔板140的数量设置为一个，从而将内壳体110与外壳体120之间的环形空腔分隔成一个第二腔室121和一个第三腔室122(如图4所示)。

可选的，每一隔板140包括两个径向隔板140，两个径向隔板140分别为第一径向隔板141和第二径向隔板142。第一径向隔板141和第二径向隔板142沿外壳体120的周向间隔设置，且第一径向隔板141和第二径向隔板142的径向外端均与外壳体120内壁固定连接。如此，在同一隔板140的第一径向隔板141和第二径向隔板142之间形成第三腔室122。进一步的，隔板140还包括周向隔板143，周向隔板143与外壳体120间隔设置，周向隔板143的两端分别与第一径向隔板141和第二径向隔板142的径向外端固定连接，从而通过第一径向隔板141、周向隔板143、第二径向隔板142以及外壳体120的内壁共同围成第三腔室122。周向隔板143与内壳体110间隔设置，从而使形成的第三腔室122与内壳体110间隔设置，加工过程更加方便。可选的，周向隔板143与第一径向隔板141和第二径向隔板142通过焊接固定成一体，可以理解的，在为他实施例中，也可以根据需求，将周向隔板143与第一径向隔板141和第二径向隔板142设置为一体成型。

图5为图3中ⅴ-ⅴ处的剖面结构示意图。请结合参照图3和图5，可选的，周向隔板143的横截面为与外壳体120同一圆心的圆弧形。可选的，第一径向隔板141和第二径向隔板142因为沿轴体的轴线方向延伸的长条形，从而使形成的第三腔室122沿轴向延伸，可以理解的，在其他实施例中，也可以根据需求设置隔板140的延伸方向，进而使形成的第三腔室122的延伸方向满足需求，例如将隔板140设置为绕轴体的轴线螺旋延伸，或者呈s形延伸等。可选的，沿轴体的轴线方向，周向隔板143呈直线形延伸，可以理解的，在其他实施例中，也可以根据需求设置周向隔板143的形状，例如设置为s形(如图6所示)。

需要说明的，此处并不对隔板140的具体结构及形状进行限定，可以理解的，在其他实施例中，也可以根据需求具体设置隔板140的形状，例如将隔板140设置为与外壳体120的内壁面弯曲方向相反的曲面，从而使固定连接在外壳体120上的隔板140与外壳体120之间形成第三腔室122；或者将隔板140设置为仅包括沿周向间隔设置的第一径向隔板141和第二径向隔板142，通过将第一径向隔板141与第二径向隔板142的径向内端固定连接在内壳体110上，从而形成第三腔室122(如图7所示)，此时连通孔112的位置与第二腔室121相对应，从而将第一腔室111与第二腔室121连通，或者，连通孔112将第一腔室111与第二腔室121以及第一腔室111与第三腔室122均连通。

请结合参照图1和图3，搅拌轴100还包括安装在外壳体120的外壁上的换热件，在本实施例中，换热件为搅拌轴100的搅拌叶片130。搅拌叶片130内设置有换热通道131，换热通道131的入口132与第二腔室121连通，换热通道131的出口133与第三腔室122连通，换热介质在轴体的流动过程中，需经过换热通道131在第二腔室121与第三腔室122之间进行流动，从而有助于提高换热效率。优选的，搅拌叶片130的切线与轴体的轴线呈夹角设置，从而在搅拌过程中，与搅拌叶片130相互作用的搅拌物料在搅拌叶片130的作用下具有向物料出口运动的趋势。需要说明的，在本实施例的描述中，夹角为大于0°小于90°。优选的，搅拌叶片130的切线与轴体的轴线之间的夹角为β，0°＜β≤45°。当0°＜β≤45°时，β的值越大，则搅拌叶片130的换热效果越好，其对物料的推动作用力也越大，但其消耗的电机功率也越大，因此搅拌叶片130的切线与轴体的轴线之间的夹角可根据需求在0-45°之间进行具体设置。

为了便于加工，搅拌叶片130设置为平面，该平面与轴体的轴线呈夹角设置。换热通道131的出口133和入口132沿搅拌叶片130的延伸方向间隔设置，因此换热通道131的出口133与入口132之间的连线与外壳体120的轴线之间的夹角α即为搅拌叶片130的平面与轴体的轴线之间的夹角，0°＜α≤45°(如图2所示)。

图8为本实施例提供的搅拌轴100中搅拌叶片130的结构示意图。请参照图8，搅拌叶片130内的换热通道131设置为u形，该u形的两个自由端分别为换热通道131的入口132和出口133，保证搅拌叶片130的换热效率。可以理解的，在其他实施例中，也可以根据需求具体设置换热通道131的形状。为了提高搅拌叶片130的换热效率，进一步的，搅拌叶片130的换热通道131内还设置有扰流结构。具体的，扰流结构包括设置在换热通道131内的多个扰流件134，通过设置扰流件134对换热介质的流动产生扰动，达到减小层流、增加湍流的目的。

需要说明的，此处并不对扰流结构进行具体限定，可以理解的，在其他实施例中，也可以根据需求将扰流结构设置为换热通道131内壁上的凹槽或凸起。

进一步的，在外壳体120的横截面上，沿外壳体120的周向设置的搅拌叶片130的数量为m，第二腔室121与第三腔室122的数量之和为n。当m为偶数时，m≤(n-1)×2；当m为奇数时，m≤(n-1)×2-1。优选的，当m为偶数时，m＝(n-1)×2，此时分别位于径向隔板140两个的第二腔室121和第三腔室122均能够通过至少一个搅拌叶片130的换热通道131连通，隔板140的利用率更高。当m为奇数时，m＝(n-1)×2-1，此时，除一个径向隔板140外，其余径向隔板140两侧的第二腔室121和第三腔室122都能够通过至少一个搅拌叶片130的换热通道131连通(如图9所示)。优选的，m的数量为偶数，此时隔板140的利用率更高。优选的，m的数量为4、6或8。

请参照图1，在本实施例中，轴体还包括旋转接头160，内壳体110和外壳体120均与旋转接头160可转动地连接，在轴体的转动过程中，内壳体110与外壳体120同步转动。第一开口161和第二开口162均开设于旋转接头160上，如此仅需将轴体的一端设置为旋转接头160即可，轴体的另一端则具有更多空间可根据需求进行设计，同时可省去轴体远离旋转接头160一端的密封结构、减小泄露点，而且应用在管式反应器中时，管式反应器一端的结构设计不受转轴约束。可以理解的，在其他实施例中，也可以根据需求将第一开口161和第二开口162设置在轴体的两端。

可选的，连通孔112开设在内壳体110的周面上，且连通孔112与第一开口161分别位于内壳体110的两端，有助于延长换热介质在轴体内的停留时间。优选的，连通孔112位于内壳体110远离第一开口161一端的端部。优选的，连通孔112的数量为多个，多个连通孔112均开设于内壳体110的周壁上。优选的，多个连通孔112的孔径之和大于或者等于第一腔室111的径向尺寸，如此使得多个连通孔112形成的流通面积大于第一腔室111的横截面积，从而减小换热介质在第一腔室111与第二腔室121之间流动过程中由于连通孔112造成的影响。而且由于第一开口161和第二开口162位于轴体的一端，连通孔112位于轴体的另一端，在从第一开口161向轴体通入换热介质时，换热介质首先被通到第一腔室111的尾端，然后通过连通孔112进入第二腔室121，进入第二腔室121的换热介质在通过搅拌叶片130中的换热通道131进入第三腔室122的过程中，对于靠近连通孔112一端的搅拌叶片130，换热介质的流入压力大，同时回程阻力也大，对于靠近第二开口162一端的搅拌叶片130，换热介质的流入压力小，回程阻力也小，因此在换热介质的分配上不会产生短路回流的问题，换热效果更好。优选的，外壳体120的外周面上用于安装搅拌叶片130的部分为换热区域，沿轴体的轴向，换热区域位于第二开口162与连通孔112之间，从而保证每一搅拌叶片130都能带来较好的换热效果。

图10为图1中ⅹ处的局部结构放大图，图11为图1中ⅺ-ⅺ处的剖面结构示意图。请结合参照图1、图10和图11，在本实施例中，轴体还包括设置在内壳体110与外壳体120之间的封闭板150，封闭板150的外形与第二腔室121的横截面相匹配，从而通过封闭板150将第二腔室121沿轴体轴向的端部进行封闭，从而使进入轴体的换热介质都能够沿第一腔室111、第二腔室121、换热通道131和第三腔室122的顺序，或沿第三腔室122、换热通道131、第二腔室121和第一腔室111的顺序，进行流动。可选的，封闭板150的径向外端通过焊接与隔板140以及外壳体120固定连接，从而能够保证封闭板150与隔板140以及外壳体120之间的密封效果。

可选的，封闭板150上开设有连接孔，内壳体110穿设于连接孔，且在封闭板150与内壳体110之间设置有密封件151，从而保证密封板与内壳体110之间的密封效果。具体的，在内壳体110外还设置有台肩113，台肩113为内壳体110的外周面沿径向向外凸出形成。封闭板150的连接孔尺寸与台肩113的径向尺寸相匹配，封闭板150套设在台肩113处，通过在台肩113与封闭板150之间设置密封件151保证密封。同时，通过设置台肩113以及密封件151的设置能够降低加工装配的精度要求。可选的，由于本实施例提供的搅拌轴100在转动时内壳体110与外壳体120同步转动，因此封闭板150与内壳体110之间的密封为静密封，封闭板150与内壳体110之间设置的密封件151为o形密封圈，采用o密封圈节省成本，同时拆装方便。

根据本实施例提供的一种搅拌轴100，搅拌轴100的工作原理是：

在使用过程中，换热介质通过搅拌轴100上的第一开口161进入轴体，换热结束后通过第二开口162流出，从而通过搅拌轴100在搅拌物料的内部对物料进行换热，从而提高换热效果，进一步满足物料的换热需求。进入轴体的换热介质首先通过第一腔室111从轴体的前端流动到轴体尾端，通过设置在内壳体110上的连通孔112进入第二腔室121，并沿第二腔室121从轴体的尾端向轴体前端流动，同时在流动过程中，部分换热介质流入搅拌叶片130中的换热通道131，并通过换热通道131流入第三腔室122后继续向轴体前端流动，最终从第二开口162流出轴体，或者也可以从第二开口162通入换热介质，并最终从第一开口161流出。

本实施例提供的一种搅拌轴100至少具有以下优点：

本发明的实施例提供的搅拌轴100，其具有换热结构，通过向搅拌轴100通入换热介质从而能够在搅拌过程中从物料内部进行换热，提高换热效率，满足物料的换热需求。而且该搅拌轴100能够提高换热介质的相对速度，因此能够提高传热系数、换热效率更高、温度控制效果也更好。通过对第一开口161、第二开口162以及连通孔112的位置进行具体设置，避免出现搅拌叶片130被短路回流的问题，使得每一搅拌叶片130都能够发挥良好的换热作用，进一步提高换热效果。

图12为本实施例提供的管式反应器200在第一视角下的剖面结构示意图，图13为本实施例提供的管式反应器200在第二视角下的剖面结构示意图。请结合参照图12和图13，本实施例还提供了一种管式反应器200，其包括上述的搅拌轴100。由于该管式反应器200包括上述的搅拌轴100，因此也具有换热效率高、温度控制效果更好，能够进一步满足物料的换热需求的有益效果。

进一步的，管式反应器200还包括反应壳体210，反应壳体210具有反应腔，搅拌轴100设置在反应腔内，从而对反应腔内的反应物料进行搅拌，促进反应物料混合均匀。反应壳体210上还设置有多个与反应腔连通的进料管220，通过进料管220将反应物料导入反应腔内。多个进料管220沿反应壳体210的轴向均匀分布，实现均布进料。

综上所述，本发明实施例提供了一种搅拌轴100及管式反应器，其通过在搅拌轴100内设置换热结构，从而能够在搅拌过程中从物料内部进行换热，满足物料的换热需求，而且通过对搅拌轴100内结构的具体设置，提高了传热系数，换热效率更高、温度控制效果更好。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。