CN102019163A - 连续均质混合反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续均质混合反应器，包括一设有进料口和出料口的筒体容器、设在该筒体容器内的混料装置、与混料装置驱动连接的驱动系统、与此驱动系统相连接的电器控制系统，所述的混料装置由与驱动系统相连接的中心旋转轴、安装在该中心旋转轴上的多组E形桨叶和组合板式桨叶及设置在筒体容器内的多个挡板构成，所述的多个挡板将筒体容器分割为进料口处的进料区、出料口处的出料区及进料区与出料区之间的多个混合反应区，由进料区至出料区设有一由挡板与挡板之间、挡板与筒体容器内壁之间形成的弯曲连通各区的出料通路。本发明实现物料先进先出的同时，保证几种物料之间混合均匀，物料浓度波动小甚至几乎无波动。

Description

连续均质混合反应器

技术领域

本发明涉及一种混合反应设备，尤其是一种能够实现物料先进先出、混合均匀的连续均质混合反应器。

背景技术

在化工过程或工程化学中，混合、反应与搅拌是密不可分的。通常意义上的搅拌包括容器内的搅拌轴和驱动搅拌轴用的减速传动装置以及密封器件等。搅拌有多种形式以适应不同容器、不同物料的要求。对液体物料来说，多为锚式、桨式搅拌反应器，此外还有推流式、连续流式、任意流式搅拌反应器。对于现有的固体混料机大多采用分批分次式混料机，操作较麻烦，运行不够可靠，生产效率较低，无法适应连续生产的需要。

另外，针对两相物料的混合，如固体和液体的混合，由于物料之间存在密度差异，在混合时就不可避免出现沉降现象，这样就会导致工业生产投料时浓度控制不准确，只能将浓度控制在某一个范围内，在此范围内浓度会发生不停波动，这样会直接影响最终产品的质量，同时也会使得生产控制处于动态变动中，对生产线的控制要求相应也会提高，导致其造价增加，最终使得产品成本提高。

如果能够保证投料时物料浓度波动小甚至没有波动，将会保证生产的稳定性，保证产品性能均一，而且生产稳定更有利于优化工艺，提高产品质量，同时也降低对设备的要求，使得成本下降，最终提升产品的竞争力。因此，物料混合的均匀与否，对工业生产影响重大。

现今工业，为实现生产的连续性，其混合投料形式有如下几种：

1、用两釜交替混料，实现连续投料。这种方式是最早出现、也是现今处于被淘汰的一种投料方式。即用一釜将物料混合均匀、达到要求后开始投料，这段时间内用另外一釜开始混合物料，当第一釜物料投放完毕时，将阀门切换至第二釜，用第二釜投料，而此时第一釜开始混和物料。如此循环，保证能够连续投料。

但是此种连续投料形式并不是真正意义上的连续投料，即实现物料先进先出、后进后出。因为投料时，有的物料马上就进入到后续的生产，而有一部分物料是存在于混料釜中直到最后才进入到后续的生产，所以其不是真正的连续投料。

另外，物料浓度波动范围大，并且会有浓度的突变。如果物料之间存在密度差异，沉降就不可避免，将会导致混料釜底部比上部浓度偏高，即在生产过程中物料浓度会慢慢降低。当一釜料投放完毕切换至另一釜时，物料浓度将会一下变高，即浓度发生突变，这样导致生产设备负荷也会突然增大，对设备损伤较大。同时，由于生产工艺是固定的，而物料浓度发生突变，必然会影响产品性能。所以，该形式的混合投料方法已逐渐不为接受。

2、利用螺杆挤出机连续混料，包括单螺杆和双螺杆挤出机。

螺杆挤出机从一端进料，另一端出料，可以实现真正的连续投料。并且由于螺杆的强力剪切作用，能够很好的将物料混合均匀。

不过螺杆挤出机，从字面上我们就可以看出，其重点在于挤出上面，其适用范围为粘度较高的液相物料，对于粘度很低的液体，例如水，其推进效果就不是很好，而且很容易发生返混现象，导致物料浓度出现一定波动。对于粘度很低的两种液体的混合，螺杆挤出机更是不适合。

由于螺杆挤出机的混合效果与转速有关，转速高，其混合效果好，但是转速高时，物料在其中停留的时间就会很短。这样，对于停留时间需要较长的物料，螺杆挤出机就无法满足要求了。

另外，螺杆挤出机造价高，尤其是大型螺杆挤出机，一台造价甚至需要数百万元。

3、利用静态混合器混合物料。

静态混合器相对于螺杆挤出机，造价要低，能够实现物料的先进先出，且是连续投料。

但是静态混合器保证混合效果时，要求物料流速不能过低，这样，对于要求停留时间较长的物料，静态混合器的长度将会很长，长度将会达到几十米甚至上百米。如果还需要有加热系统，如此长的设备在设计、安装时就需要慎重考虑其受热膨胀所带来的影响了，并且，如此长的静态混合器，其造价相对于螺杆挤出机也不一定能低多少。

另外，静态混合器对物料的适用范围比较窄，可能会出现死角，混合效果相对于螺杆挤出机要差一些。

也有将螺杆挤出机与静态混合器结合起来运用的，相互取长补短。例如在申请号为200410096076.5的中国专利中，为了实现超高分子量聚乙烯的连续溶胀，且保证浓度均匀的往下级螺杆挤出机进料，其选用了一台螺杆挤出机和三套静态混合器。但是，这样将会导致物料需要压力增大，因此该专利还需配备3台增压泵。最终，这种方式虽然达到目的，可是设备投资相应要增大、同时厂房面积占地多、流程长、控制复杂、能耗大。

现今工业上使用的还有其它很多种形式的连续混合投料设备，例如在申请号为200710159163.4的中国专利中，公开了一种粉体物料混料机，包括一个设有进料口和出料口的筒体，混料机构，驱动机构，电控装置，混料机构由与驱动机构相连接的中心轴，中心轴上的一组拨料机构，阻尼器所组成。拨料机构由固定在中心轴上的一组拨料机构底座，拨料杆，拨料块所组成，拨料机构底座的分布方式为均匀交替分布在中心轴上的两个相互垂直的径向表面，拨料杆与中心轴之间的夹角为45°-135°，拨料块与中心轴之间的径向夹角为45°-135°，相邻拨料块的径向指向相反，拨料杆上设有纵向加强筋，反料块。对于没有特别要求的物料混合，该结构就可以满足。但是如果需要物料混合均匀，要求投料过程中浓度波动小、防止沉降要求高，要求停留时间较长而满足反应所需条件，且能够连续先进先出投料的，大多数设备就很难同时满足。

有鉴于此特提出本发明。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种能够满足连续、均匀的混料、投料及物料反应时间长的连续均质混合反应器，该混合反应器一种动态混合反应器，能够实现物料先进先出的同时，保证几种物料之间能够混合均匀，保证物料浓度波动小甚至几乎无波动，还能控制物料在其内部的停留时间，同时配合工艺要求为物料实现加热或者冷却，混合物料同时完成一些要求的物理或者化学反应，如溶胀、溶解、有机合成、粘度不高的聚合等。

为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：一种连续均质混合反应器，包括一设有进料口和出料口的筒体容器、设在该筒体容器内的混料装置、与混料装置驱动连接的驱动系统、与此驱动系统相连接的电器控制系统，其特征在于：所述的混料装置由与驱动系统相连接的中心旋转轴、安装在该中心旋转轴上的多组E形桨叶和组合板式桨叶及设置在筒体容器内的多个挡板构成，所述的多个挡板将筒体容器分割为进料口处的进料区、出料口处的出料区及进料区与出料区之间的多个混合反应区，由进料区至出料区设有一由挡板与挡板之间、挡板与筒体容器内壁之间形成的弯曲连通各区的出料通路。

本发明的反应器可为卧式或立式，物料由进料口进入容器，经过有推进功能的组合板式桨叶，被推进入筒体容器内部。位于筒体容器圆心处的中心旋转轴上，对应每一混合反应区，都安装有一组起搅拌推进作用的桨叶，每组桨叶由两种形式的桨叶组成。

其中一种桨叶形状为英文大写字母“E”形状相似，因此我们将其命名为E形桨叶，E形桨叶包括四个部分，三个平行叶端部与中心旋转轴焊接，其特点在于其桨叶面积很小，尤其是边缘平行于轴向的部分，并不需要很宽；另外，E形桨叶与筒体容器内壁以及两侧的挡板间隙均很小，范围在0.5mm～5mm之间。在中心旋转轴转动时，其作用在于使圆筒内壁及挡板附近液体产生高速流动，避免物料发生沉降而聚集在上述区域附近。E形桨叶包括四个部分，三个平行叶端部与中心旋转轴焊接，另一外边缘叶部分在进料区与轴向有5°～85°夹角，使其具有推进物料作用，在其它区与轴向平行；此种桨叶，一组有2～6叶，其连线经过轴心，以轴心为中心对称分布。

另外一种桨叶我们命名为组合板式桨叶，其是由两块较扁的矩形板或其它形状板交叉构成，交叉角度β在0°～90°范围内可调，可根据不同工艺需要确定该角度β。这两块板中，与轴连接的一块要宽一些，另一块要相对窄一些。该桨叶由4～12叶组成，具体数量与E形桨叶数量相匹配，若该连续均质混合反应器直径较大，中心旋转轴上也可以安装多余6叶以上的E形桨叶及12叶以上的组合板式桨叶。安装时，其中一块矩形板与轴平行，但与E形桨叶在轴向投影上保持一定夹角α，夹角α范围在0°～90°之间，最好为10°～80°，其连线不经过轴心，但仍以轴心为中心对称分布。组合板式桨叶相对E形桨叶要显得“矮胖”，其作用一方面避免物料在轴心附近产生聚集，另一作用利用其与轴向有夹角的矩形桨叶产生推进力，推进物料行进，因此，该组合板式桨叶除了由两块较扁的矩形板组成外，还可以为较扁的椭圆形板组成，或者平行四边形，三角形，甚至其它多边形均可以，优选的为矩形板，组合板式桨叶也可以由不同形状的板构成，如椭圆形板与矩形板、三角形板与矩形板，或者椭圆形板与三角形板。

本发明最佳的为，所述的E形桨叶每组有4叶，所述的组合板式桨叶每组有8叶，每两叶组合板式桨叶对应设于一E形桨叶三个平行叶之间的空位处，在轴向投影上，组合板式桨叶与E形桨叶之间有一个的30°的夹角。

所述的筒体容器长度与半径比不大于50，筒体容器内壁依次交替排列多个档板，所述挡板为圆缺形，其方向与轴向垂直，挡板长度是圆筒直径的0.5倍到0.95倍，进料区和出料区的档板分别安装在进料口和出料口一侧的筒体容器内壁上，由进料区和混合反应区的档板与筒体容器内壁之间组成的出料通路为“S”形。

综合各种因素，筒体容器长度与半径比最好在4∶1到20∶1之间，因为长径比过低，不利于其内部挡板及混合单元的划分，导致物料混合效果下降；长径比过高，增加设备加工难度，增加其造价。挡板作用为导流物料，让物料按照设定“S”路线行进，保证物料在容器内既不会出现“短路”现象，又不会出现返混现象，实现物料的先进先出；同时还可以延长物料的行进路线，增加其停留时间。挡板最佳长度为圆筒直径的0.65倍到0.85倍，因为长度偏短，导流效果将会下降；长度偏长，将会影响物料影响流量下降。

所述的混合反应器还包括加热或冷却装置，该加热或冷却装置为一设于筒体容器外部的夹套，夹套的底部和顶部分别设有通循环热媒或冷媒以给物料加热或冷却的进口和出口，夹套的底部还设有排空口，或者加热装置为电加热，冷却装置为干冰浴冷却。

所述的驱动系统控制中心旋转轴在20转/分钟～500转/分钟之间的转速变化以控制物料在混合反应器内部的停留反应时间，所述电器控制系统包括温度及转动速度的调节与控制。所用驱动系统为电动机，包括但不限于变频电机、同步电机；交流电机、直流电机等。中心旋转轴与筒体容器两端要求密封，密封形式可以为机械密封、填料密封、磁力耦合密封以及未提到现实存在使用的其它密封形式。

所述的混合反应器为固相与液相之间或者液相与液相之间的混合反应器，所述的固相或者液相物料为各自一种物料，或两种以上的物料相混合。

所述的混合反应器为物理或化学反应器。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

由于本发明混料装置中两种桨叶的配合使用，既可以使物料能按照一定的速度(一般速度较低)在轴向上向前推进，满足了停留时间的要求；同时又能使得物料在径向方向作高速流动，保证物料混合均匀，避免了沉降或团聚现象的出现。同时，在配合挡板的导流作用，可以保证物料按照预定的路线行进，实现物料的先进先出，避免物料出现返混。

正是由于上述挡板及桨叶的科学设计及合理组合，该连续均质混合反应器能够实现工业上物料连续、均匀的混合、投料，同时能够保证物料的停留时间使所需反应完全，在配合加热或冷却系统，实现特殊的生产工艺要求。同时，由于本反应器的连续化特性，因此生产能力大，不仅能减少设备投资、节约生产厂房，还可以相应得降低能源消耗。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

附图说明

图1是本发明连续均质混合反应器实施例的结构示意图；

图2是图1中混合反应器筒体容器的A-A剖面示意图；

图3是本发明E形桨叶示意图；

图4至图7是本发明组合板式桨叶不同结构的示意图。

具体实施方式

本发明的实施例如图1至图4所示，该实施例中的混合反应器为一卧式连续均质混合反应器，立式结构的连续均质混合反应器和本结构相同。该连续均质混合反应器包括筒体容器8、设在该筒体容器8内的混料装置、与混料装置驱动连接的驱动系统、与此驱动系统相连接的电器控制系统，筒体容器8为圆筒形，其外有一夹套6，夹套6的底部和顶部分别设有进口61和出口62，夹套6的底部还设有排空口63，可通循环热媒或冷媒，用于给物料加热或冷却。在筒体容器8靠近驱动系统一段上方，设有一进料口1，在另外一端下方，设有一出料口7。

在筒体容器8内表面，上下依次交替装有一组挡板3，挡板高度是圆筒直径的0.75倍。挡板3将容器分为10个区，包括1个进料区B、1个出料区C和8个混合反应区D。其中，在进料口1的挡板3安装在筒体容器8内壁顶部，在出料口7的挡板3安装在筒体容器8内部底部，之间的挡板交替排列，这样可保证物料延S路线单向行进，不会出现“短路”现象。

在筒体容器圆心处装有一中心旋转轴2，中心旋转轴2一端与驱动系统连接，所用驱动系统为电机9，包括但不限于变频电机、同步电机；交流电机、直流电机等，在电机驱动下旋转，转动速度由调速器控制，可根据工艺需要设定合适的转速。中心旋转轴2的另一端用轴承固定在支座上。中心旋转轴2与筒体容器8两端要求密封，密封形式可以为机械密封、填料密封、磁力耦合密封以及未提到现实存在使用的其它密封形式。

在中心旋转轴2上，对应于每个区，装有一组E形桨叶4和组合板式桨叶5。其中E形桨叶每组有4叶，相互垂直，以轴心为中心对称分布，其延长线交于旋转轴心(参阅图2)，E形桨叶4与筒体容器8内壁和挡板的间距分别为2mm。E形桨叶4包括四个部分(参阅图3)，三个平行叶端部41与中心旋转轴2焊接，另一外边缘叶部分42在进料区与轴向有5°～85°夹角，使其具有推进物料作用，在其它区与轴向平行。

组合板式桨叶5每组有8叶，每4叶为一小组，有2小组，也以轴心为中心对称分布，不过其延长线不经过轴心，不相交于一点，每两叶组合板式桨叶5对应设于一E形桨叶4三个平行叶之间的空位处，在轴向投影上，组合板式桨叶与E形桨叶之间有一个的的夹角α，本实施例中的α为30°(参阅图2)。

本实施例中，组合板式桨叶由两块矩形板51、52构成(参阅图4)，两块板之间夹角设计为活动可调结构，可根据物料所需停留反应时间的长短来调节该夹角β的大小，夹角β的大小在每个区不一定均相同。一般来说，该夹角β越接近0°或90°，桨叶所产生的推进力越小，物料在反应器中停留的时间相对越长。在本实施例中，该夹角β优选的调节为60°，为了表示明显，将两块板不同夹角的组合板式桨叶5附在同一图中，参阅图4，分别表示两不同的夹角大小，其中图中上部分的两块板之间夹角β为18°，下部分的两块板之间夹角β为90°。

组合板式桨叶也除了由两块较扁的矩形板组成外，还可以为较扁的椭圆形板组成，或者平行四边形，三角形，甚至其它多边形或不规则形状的板结构均可以，优选的为矩形板，组合板式桨叶也可以由不同形状的板构成，如椭圆形板与矩形板、三角形板与矩形板，或者椭圆形板与三角形板。

如图5所示，组合板式桨叶由一梯形板53和一三角形板54构成，如图6所示，组合板式桨叶由两块椭圆形板55、56构成，如图7所示，组合板式桨叶由一多边形板57和一三角形板58构成，组合板式桨叶的两块板结构形状及夹角不固定，一般根据物料所需停留反应时间的长短设计。

当物料由进料口1进入筒体容器8后，在进料区B，受到E形桨叶4和组合桨叶5的剧烈搅拌，很快将被分散均匀，难以发生沉降或者团聚；同时，由于桨叶还有轴向推进力，物料将会从挡板3与筒体容器8内壁之间的间隙向下一个混合反应区流动。在每个混合反应区，物料将得到进一步混合、反应，沿设计的S形路线单向流动，最终从出料口7流出。

本实施例在电机9控制的中心旋转轴转速为100r/min时，物料停留时间为2小时，不同时间从出料口7取样，检测浓度，在投料浓度±0.5个百分点内波动。

由于本发明上述挡板及桨叶的科学设计及合理组合，连续均质混合反应器能够实现工业上物料连续、均匀的混合、投料，同时能够保证物料的停留时间使所需反应完全，在配合加热或冷却系统，实现特殊的生产工艺要求。同时，由于本反应器的连续化特性，因此生产能力大，不仅能减少设备投资、节约生产厂房，还可以相应得降低能源消耗。

Claims (9)

1.一种连续均质混合反应器，包括一设有进料口和出料口的筒体容器、设在该筒体容器内的混料装置、与混料装置驱动连接的驱动系统、与此驱动系统相连接的电器控制系统，其特征在于：所述的混料装置由与驱动系统相连接的中心旋转轴、安装在该中心旋转轴上的多组E形桨叶和组合板式桨叶及设置在筒体容器内的多个挡板构成，所述的多个挡板将筒体容器分割为进料口处的进料区、出料口处的出料区及进料区与出料区之间的多个混合反应区，由进料区至出料区设有一由挡板与挡板之间、挡板与筒体容器内壁之间形成的弯曲连通各区的出料通路。

2.根据权利要求1所述的连续均质混合反应器，其特征在于：所述的筒体容器长度与半径比不大于50，筒体容器内壁依次交替排列多个档板，所述挡板为圆缺形，其方向与轴向垂直，挡板长度是圆筒直径的0.5倍到0.95倍，进料区和出料区的档板分别安装在进料口和出料口一侧的筒体容器内壁上，由进料区和混合反应区的档板与筒体容器内壁之间组成的出料通路为“S”形。

3.根据权利要求1所述的连续均质混合反应器，其特征在于：于所述的中心旋转轴上，对应于、出料区和各混合反应区，分别于每一区装有一组E形桨叶和组合板式桨叶，每一叶E形桨叶对应两叶组合板式桨叶。

4.根据权利要求3所述的连续均质混合反应器，其特征在于：所述的E形桨叶每组有2～6叶，以轴心为中心对称分布，其延长线交于旋转轴心，E形桨叶包括四个部分，三个平行叶端部与中心旋转轴焊接，另一外边缘叶部分在进料区与轴向有5°～85°夹角，在其它区与轴向平行；所述的组合板式桨叶每组有4～12叶，由两块较扁的矩形板或其它形状板交叉构成，交叉角度在0°～90°范围内可调，在轴向投影上，组合板式桨叶与E形桨叶之间有一个的0°～90°的夹角。

5.根据权利要求1或2所述的连续均质混合反应器，其特征在于：所述的E形桨叶与筒体容器内壁以及挡板间隙在0.5mm～5mm之间。

6.根据权利要求1所述的连续均质混合反应器，其特征在于：所述的混合反应器还包括加热或冷却装置，该加热或冷却装置为一设于筒体容器外部的夹套，夹套的底部和顶部分别设有通循环热媒或冷媒以给物料加热或冷却的进口和出口，夹套的底部还设有排空口，或者加热装置为电加热，冷却装置为干冰浴冷却。

7.根据权利要求1所述的连续均质混合反应器，其特征在于：所述的驱动系统控制中心旋转轴在20转/分钟～500转/分钟之间的转速变化以控制物料在混合反应器内部的停留反应时间，所述电器控制系统包括温度及转动速度的调节与控制。

8.根据权利要求1所述的连续均质混合反应器，其特征在于：所述的混合反应器为固相与液相之间或者液相与液相之间的混合反应器，所述的固相或者液相物料为各自一种物料，或两种以上的物料相混合。

9.根据权利要求1或8所述的连续均质混合反应器，其特征在于：所述的混合反应器为物理或化学反应器。

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