CN103203214A - 一种磁驱冲击混合及研磨结合的多相反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种磁驱冲击混合及研磨结合的多相反应器，包括非金属反应管(或罐)，在非金属反应管(或罐)外部和内部分别有交变磁场装置和磁性振子或磁性磨料。其特征在于：使用均匀分布于管（或罐）外的励磁线圈，采用交流电源或交变直流电源，产生反应器内部空间可控的交变磁场，反应物料由反应管(或罐)的进口和出口通过反应器空间时，磁性振子或磁性磨料在交变磁场的作用下发生运动，从而达到反应物料混合或研磨的目的，促进反应进行。该反应器将反应物料的混合和研磨巧妙地结为一体，缩短了工艺流程，具有零泄漏、无磨损、结构简单、性能可靠等特点。

Description

一种磁驱冲击混合及研磨结合的多相反应器

技术领域

本发明涉及一种磁驱冲击混合及研磨结合的多相反应器，适应于液固、气固反应系统的固体物料研磨及反应物料混合，也适应于液液、气液等多相反应体系的强力混合反应。

背景技术

多相反应体系经常需要不同想的两种以上物料充分混合，在槽式反应器中采用搅拌式反应器加快流体间的传质。搅拌式反应器约占反应器总数的90%，搅拌式反应器的操作条件如温度、浓度和停留时间等可控范围较大，容积大小可调，设备的适应性很强（化学反应器分析，张濂和许志美编著，华东理工大学出版社，上海，2005年）。

对于带腐蚀性气体或者液体的搅拌反应器，需要反应器进行严格的密封，同时对密封元件或者搅拌桨的要求很严。对于管式反应器，搅拌轴的密封和轴承的设计更加困难。本发明的目的是要构建一个无机械传递元件的搅拌反应装置，可以很容易的地安装在反应管（或罐）外。本发明采用外加旋转磁场驱动管（或罐）内磁料快速运动，可以很好地解决反应设备的密封问题。

对于高粘度液相物料反应系统，搅拌桨对于物料的混合作用并不理想。反应物料在搅拌桨的作用下，容易形成宏观同心旋转流体，而很难形成微观混合。而本发明采用的磁驱振子运动搅拌的办法，由于磁性振子是分散的粒子，大量的磁性振子相对运动可以起到很好的微观混合作用，加速反应进行。

现有的磁力驱动有磁力泵在无搅拌装置反应釜上的应用（陆军.磁力泵在无搅拌装置反应釜上的应用[J].设备管理与维修,1999,11:33）、磁力驱动搅拌反应釜（杨建玲,胥敏一,耿殿荣.磁力驱动搅拌反应釜的应用[J].中国氯碱,2010,11(11):19）、超薄磁力搅拌器（陈竹,解永平,隋玉增.超薄磁力搅拌器的设计与实现[J].微型机与应用,2011(30,13):16-17）、磁力搅拌法（王晓东,赵恂,李廷举.磁力搅拌法的研究与开发[J].材料科学与工艺,2000,12(8):2）等几种方式。

磁力泵在无搅拌装置反应釜上的应用解决问题的方式是：磁力泵从釜底抽液, 从出料管输出, 再从进料管打入釜内液面下,打入的液体对釜内的液体进行剧烈冲击，从而实现釜内液体的剧烈震荡，实现搅拌的目的；其缺陷在于釜内物料震荡不均匀，无法满足大规模生产。

磁力驱动搅拌反应釜是将磁力耦合器应用于搅拌反应釜的一种新型设备,是机械密封和填料密封反应釜的全新替代产品,它可以将传动搅拌装置的动力输出部分和动力输入部分完全隔离开来,即可以将反应釜配带的电机、减速机与反应釜内搅拌轴无接触地分开,从根本上取消了搅拌轴的动密封结构,使釜内处于全封闭状态,达到搅拌反应过程无泄漏的目的；其缺陷在于其使用的是永磁体，温度过高时会引起磁体的失磁和退磁等现象。

超薄磁力搅拌器是采用在超薄的不导磁的反应釜外安装成对的螺旋线圈，分别控制各对螺旋线圈中电流的通断及方向，就可以控制各对线圈不同时刻所产生的合成磁场的方向,进而控制以永磁体为材质的搅拌子的转动；其缺陷与磁力驱动搅拌反应釜相同。

磁力搅拌法的原理是以钕铁硼( NbFeB )永磁体为工作介质的搅拌器在电动机带动下高速旋转,在空间产生交变的磁场,根据麦克斯韦的电磁场理论,它会在空间感应出交变的电场,于是在导电的金属熔体内部将有交变的电流存在,空间电流与磁场相互作用产生洛仑兹力而对金属复合熔体进行磁力搅拌；其缺陷在于磁感应强度在高度方向上衰减很快，并且其仍以永磁体为介质，具有前述的磁力驱动搅拌反应釜和超薄磁力搅拌器的共同缺陷。

而本发明采用交流电源或交变直流电源发生磁场，磁场具有可设计性，设备和生产成本低等优点。

固体物料的研磨有很多手段，最典型的是球磨等机械研磨。固体物料与磨料（可以使球、棒等形状）同时加入旋转或振动的磨腔中，由于磨料运动对固体粒子的冲击和粒子之间相对运动形成摩擦，使粒子受力破碎。这类磨机的特点是机体整体运动，在进料、出料等连续过程很难做到密封。因此，很难满足加压、气氛调节等反应要求。本发明采用磁驱振动磨料的方法，可以很好实现连续、密封设计。

在一些矿物加工反应过程中，如钛铁矿硫酸酸解反应、磷矿硫酸浸取反应以及含贵金属难溶矿物与酸反应体系。矿物粒度越细，通常反应活性越高。但是，由于研磨表面活性粒子淬灭的原因，研磨的效率会逐渐降低，长时间磨料并不会无限制减小矿物粒子的粒度。在酸溶液中同时进行研磨和反应，可以大大提高反应效率和研磨效率。传统的研磨手段，很难进行密封，同时也很难实现反应温度和气氛条件调节。

机械活化是常用的气相/固相、液相/固相反应体系的强化手段。在球磨过程中，粉末颗粒被强烈塑性变形，产生应力和应变，颗粒内产生大量的缺陷（反应球磨技术原理及其在材料制备中的应用，严红革和陈振华等，功能材料，1997，28（1）），可以明显提高固体反应活性；在磷矿、钛矿等矿物与酸反应过程中，很容易生成表面固体产物，阻止进一步的反应。本发明所提出的方法恰好能够在反应过程中不断活化矿物，同时用研磨的方法去掉表面固体产物层，进一步加快反应。

发明内容

为了构造一种易于密封、利于制造反应液相（或气相）反应气氛的，具有强烈搅拌和研磨活化作用的反应装置，本发明提供一种磁驱冲击混合及研磨活化的多相反应器，该反应器无需直接的机械传动装置，采用磁驱的方法驱动反应器内的磁性磨料快速运动并起到研磨和物料混合的作用。所述反应器适应于液固、气固反应系统的固体物料研磨及反应物料混合，也适应于液液、气液等多相反应体系的强力混合反应，具有零泄漏、无磨损、结构简单、性能可靠等特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在非金属管式或罐式反应器外设置一个交变磁场装置，所述的交变磁场装置是使用均匀分布于管（或罐）外的励磁线圈，采用交流电源或交变直流电源，产生于反应器内部空间交变磁场的装置。该交变磁场可以采用变频器控制交流电源的频率，或时间继电器控制电流的交变方式，改变磁场的旋转和反转而控制。所述反应管或反应罐内填装在铁磁性振子或磨料外包覆耐磨或耐腐蚀的材料的磁性振子或磁性磨料，反应物料通过反应器空间时，所述的磁性振子或磁性磨料在交变磁场的作用下发生运动，从而达到反应物料混合或研磨的目的，促进反应进行。

相对于现有技术，本发明的有益效果有以下三点。

第一，本发明所构建的反应器无需传动轴、无需轴封装置，容易实现防腐蚀和防泄漏的问题，结构简单。

第二，本发明所构建的多相反应器，很容易实现反应所需的气氛条件和液体浓度条件，可以在反应器中在线实现固体物料活化和研磨效果。

第三，本发明所构建的反应器，可以同时增加加热等原件，实现反应器的温度控制和调节。

附图说明

图1是本发明的反应器的一种结构示意图。

图2是本发明的反应器的另一种结构示意图。

图3是本发明的反应器的又一种结构示意图。

图4是图1的反应器的A—A剖面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：请参阅图1，本发明的反应器包括一个反应罐，该反应罐包括非金属罐体(尺寸为：长3840mm；φ3200mm×20mm)1和罐体的物料进口管(管径为φ600mm×10mm) 9和出口管(管径为φ600mm×10mm) 4，反应物料由进口管9进入反应器。罐体1的中间区域有两层阻拦网3。反应完成的物料由出口管4卸除，罐体的右上方是人孔(尺寸为φ800mm×10mm) 5。该反应器的外加交变磁场装置8由交变电源或交变直流电源6提供，该交流电源或交变直流电源6经过变频器7调节频率后输入到交变磁场装置8而提供其能量，励磁线圈10和铁芯11在交变电压的作用下产生交变磁场。反应物料通过反应器空间时，磁性振子或磁性磨料2在所述交变磁场的作用下发生运动，从而达到反应物料混合或研磨的目的，促进反应进行。

实施例2：同实施例1，只是反应器的反应罐改变成了反应管(长为8000mm；管径为φ750mm×20mm)，材料仍然为非金属材料，并且进口管9和出口管4在反应管的两端。

实施例3：请参阅图3，本发明的反应器包括一个反应罐，该反应罐包括非金属罐体(尺寸为：长3840mm；φ3200mm×20mm)1，该非金属罐体1的最下端是角度为45°的尖锥形，便于反应器内的物料被反应器最下端的进口管(管径为φ325mm×10mm) 5中的流体冲击而不停留在死区，该进口管5中的进料由进料泵6从储蓄池7打入。该罐体1的上端是人孔(尺寸为φ800mm×10mm) 9，右上端是出料管(管径为φ500mm×10mm) 8，反应后的物料由此管循环回到储蓄池7。在该罐体1的中间外部是交变磁场装置2，所述交变磁场装置2由交变电源或交变直流电源4提供，该交流电源或交变直流电源4经过变频器3调节频率后输入到交变磁场装置2而产生交变磁场。反应物料通过反应器空间时，磁性振子或磁性磨料10在所述交变磁场的作用下发生运动，从而达到反应物料混合或研磨的目的，促进反应进行。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护之内。

Claims (8)

1.本发明为一种磁驱冲击混合及研磨结合的多相反应器，其特征在于在非金属管式或罐式反应器外设置一个交变磁场装置，所述反应管或反应罐内填装磁性振子或磁性磨料，反应物料通过反应器空间时，磁性振子或磁性磨料在交变磁场的作用下发生运动，从而达到反应物料混合或研磨的目的，促进反应进行。

2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于使用管式或者罐式流动反应器，设有进口和出口；反应管（或罐）体采用陶瓷、玻璃等非金属材料制成，或采用聚四氟乙烯、聚烯烃等聚合物材料制成。

3.根据权利要求1所述的反应器外交变磁场装置，其特征在于使用均匀或者非均匀分布于管（或罐）外的励磁线圈，采用交流电源或交变直流电源，产生反应器内部空间的交变磁场。

4.根据权利要求3所述的交变磁场，其特征在于可以采用变频器控制交流电源的频率，或时间继电器控制电流的交变方式，改变磁场的旋转和反转，形成交变可控的内部交变磁场。

5.根据权利要求3所述的交变磁场，其特征在于可以采用电流调节装置调节线圈的电压或电流，控制磁场驱动功率。

6.根据权利要求1所述的反应物料，其特征在于物料为多相液体物料，在磁性振子的作用下进行混合，加强传质；或者为液固多相体系，可以在运动的磁性磨料作用下，进行固相活化或强化固液传质。

7.根据权利要求1所述的磁性振子或磁性磨料，其特征在于采用具有铁磁性的材料制成的球、棒或者其他形状的运动元件。

8.根据权利要求7所述的磁性振子或磁性磨料，其特征在于铁磁性振子或磨料外可以包覆耐磨或耐腐蚀的材料，以便适用于腐蚀性介质。

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