CN104437286A - 一种生产超细碳酸铈的沉淀反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及液液混合反应沉淀装置，尤其涉及一种生产超细碳酸铈的沉淀反应器。本发明所述釜体的主体为圆筒体，其下端收口形成倒圆锥台形，釜体底部封头的中心部位采用内圆锥形。本发明沉淀反应器上部和中部区域流体形成轴向循环，结晶器底部区域流体形成径向循环，使得结晶器内循环量大，混合时间较短，剪切速率显著增大，增强液液相反应物料的微观混合和微观传质；不存在混合不良区域，底部无沉积死角，沉淀粒子悬浮效率高，固含率分布较均匀；可以在较小的搅拌功率下达到良好的搅拌效果，降低了能耗。本发明的沉淀反应器制备的碳酸铈粒度较细、粒度分布范围窄，且成本较低，适合工业化应用。

Description

一种生产超细碳酸铈的沉淀反应器

技术领域

本发明涉及液液混合反应沉淀装置技术领域，尤其涉及一种生产超细碳酸铈的搅拌釜式沉淀反应器。

背景技术

目前超细碳酸铈粉体的制备方法分为物理法和化学法，化学法中又以沉淀法应用最广泛。反应沉淀过程是一个复杂的传质过程，是借助于化学反应产生难溶或不溶的固体物质的过程，通常还伴随着晶体的陈化、聚结和破碎等二次结晶过程。碳酸铈通常由可溶性铈盐加入碳酸氢铵等沉淀剂快迅反应沉淀制得，两种物料的加入方式和混合状态等控制因素在很大程度上影响溶液的过饱和状态并最终影响碳酸铈产品的质量。

工业上大多是在搅拌釜式沉淀反应器中进行沉淀反应获得粉体材料。沉淀反应器中物料的混合通常采用轴向流搅拌器搅拌，轴向流搅拌器将物料快速推向反应器底部，然后到达反应器底部向上翻搅形成双肾型大轴向流循环流动，大轴向循环流中部流动速度低、剪切速率低，使得顶部进料口处两相反应料液分散及混合不充分，混合时间长，不利于液液相混合传质，导致生成的晶粒粒度不均匀。沉淀反应器的底部一般为外圆锥形或弧状，这种结构的反应器制造安装方便，但是，搅拌过程中发现搅拌器底部的空间会形成一个流动较慢的诱导循环区，该区域呈圆锥形，该区域的流体下行及环向流动的速度较周边流体明显减弱，导致该区域沉积的晶粒不能快速悬浮，影响全釜的搅拌混合效果，而且该区域晶粒流动速度慢还会造成底部排料口的堵塞。同时，釜体圆筒体与底部封头连接处会形成流动盲区，底部封头边角处也会出现晶粒的沉积。沉积晶粒不能循环流过搅拌器，无法被搅拌器破碎、二次形核，导致生成的晶粒较粗、粒度分布不均匀。此外，工业上大多数搅拌釜式沉淀反应器中不设置导流筒，流体流动路径比较随机、流动速度低，顶部空间的流体在液面与釜体圆筒体交汇处出现滞留现象，阻碍晶粒的循环流动。

反应沉淀过程为瞬态反应过程，容易出现局部浓度过高导致爆发成核，故沉淀反应器应具备良好的分散、混合特性，以降低体系的过饱和度，控制成核速率。搅拌釜式沉淀反应器的分散、混合作用主要依靠搅拌器的旋转运动产生，为获得良好的分散、混合效果，需要合理设置搅拌器，并改变搅拌釜局部结构或增设辅助部件，以控制流体的流动，产生高的搅拌剪切速率和剪切应力，以利于碳酸铈晶粒的反应结晶过程及二次结晶过程。而现有技术装置，如中国专利CN203782211公开的一种稀土草酸盐沉淀反应装置，其典型结构如图6，为提高搅拌强度，在搅拌轴上安装三组斜叶桨式搅拌器，虽然搅拌循环速度有所提高，但仍然是轴向大循环流动，剪切速率和剪切应力提高并不显著，搅拌功耗却极大升高，并且仍然存在底部流动死区，容易产生固体晶粒的沉积，使得生成的草酸盐粒度较大，且粒度分布不均匀。

就现有的沉淀反应器来说，为得到粒度较小且粒度分布较窄的碳酸铈粉体颗粒，必须有效地提高反应器内混合速度、混合均匀度和提高流体的剪切速率。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种生产超细碳酸铈的搅拌釜式沉淀反应器，通过对沉淀反应器中的釜体底部、搅拌器和导流筒结构的改进，能够改善沉淀反应器内的流型、增加沉淀反应器的混合性能，消除沉淀反应器底部流动盲区、避免颗粒沉积，还可防止底部排料口堵塞，特别适合于液液两相混合反应的沉淀条件。

技术解决方案

一种生产超细碳酸铈的搅拌釜式沉淀反应器，包括釜体、导流筒、搅拌器、进料管，其特征在于，所述釜体的主体为圆筒体，其下端收口形成倒圆锥台形，釜体底部封头的中心部位采用内圆锥形。

进一步：所述搅拌器包括轴向流搅拌器和径向流搅拌器，轴向流搅拌器设置在搅拌轴的中部，径向流搅拌器设置在搅拌轴底部。

进一步：所述导流筒采用锥形导流筒，锥形导流筒下方设有环形导流筒，所述轴向流搅拌器置于锥形导流筒内，所述径向流搅拌器位于锥形导流筒与环形导流筒之间，环形导流筒直径与锥形导流筒的下端直径相同。

进一步：所述进液管贯穿于釜体顶部，紧贴锥形导流筒内壁，延伸至锥形导流筒下边缘；置于锥形导流筒下边缘的进液管端部封闭，进液管下端侧壁上均布有进液孔。

进一步：轴向流搅拌器为斜叶圆盘涡轮、推进式涡轮或斜叶开启涡轮。

进一步：径向流搅拌器为直叶圆盘涡轮、直叶开启涡轮或者齿形圆盘涡轮。

进一步：所述的径向流搅拌器的叶片外缘直径为轴向流搅拌器的叶片外缘直径的1.1-1.7倍。

进一步：所述的锥形导流筒上端开口直径D _Z大于下端开口直径d _Z，且d _Z/D _Z的比值在0.3-0.6之间。

进一步：釜体底部封头的外径为釜体圆筒形部位内径D的0.6-0.8倍；釜体底部封头中心部位的内圆锥的底部直径为釜体的圆筒体内径D的0.2-0.4倍，釜体底部封头中心部位的内圆锥的高度为釜体的圆筒体内径D的0.1-0.3倍。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明沉淀反应器，通过第一层轴向流搅拌器、第二层径向流搅拌器和釜体底部封头中心部位采用内圆锥形的设计，以及锥形导流筒和环形导流筒的设置，在整个沉淀反应器中形成了大径向流循环内部嵌套一个小轴向流循环的流型。将现有技术的轴向流搅拌器改为径向流搅拌器，使釜体内大的轴向循环流动变为大的径向循环流动，缩短了上部和中部区域的循环路径，同时在中部区域设置轴向搅拌器，进一步增强上部和中部区域的局部轴向循环流动。沉淀反应器上部和中部区域流体形成轴向循环，反应器底部区域流体形成径向循环，使得反应器内循环量增大，剪切速率和剪切应力显著提高，混合时间缩短，增强进料口处液液相反应物料的微观混合和微观传质。釜体的圆筒体下端收口形成倒圆锥台形，底部边角处不存在晶粒的沉积，加之釜体底部封头的中心部位采用内圆锥形，消除径向流搅拌器底部空间形成的一个流动较慢的诱导循环区，故底部无沉积死角，晶粒悬浮效率高，固含率分布较均匀，可以在较小的搅拌功率下达到良好的混合效果，降低了能耗。本发明的沉淀反应器微观混合性能较好，使得产生的晶粒粒度分布均匀；底部区域不存在晶粒沉积，使得所有的晶粒均经过径向流搅拌器的二次破碎、形核，生成的晶粒粒度较细。

原理和作用说明如下：

    第一层搅拌器是一个具有很强循环作用和一定剪切作用的轴向流搅拌器，主要作用是在锥形导流筒下部区域提供轴向流，以分散进液孔流入的两相反应原料，推动两相反应原料迅速流向第二层径向流搅拌器进行充分混合、反应。同时，第一层轴向流搅拌器还促进导流筒外流体夹带结晶晶粒向上流动，避免导流筒外固含率沿轴向的不均匀分布，使结晶晶粒重新进入导流筒，经第一层轴向流搅拌器初步剪切破碎。

第二层搅拌器是一个具有很强剪作用和循环作用的径向流搅拌器，将进液孔流过来的两相反应原料充分混合，使之迅速反应结晶，并沿径向产生较强的排出流。排出流遇到反应器内壁后，一部分折向反应器顶部，在第一层轴向流搅拌器的推动下，从液面折回锥形导流筒，在釜体的中、上部形成局部轴向循环流动；另一部分折向反应器底部，沿着釜底壁面达到中央内圆锥后，垂直向上重新流入第二层径向流搅拌器，在釜体底部形成局部的径向循环。同时，强径向流搅拌器提供了较大的剪切力，从第一层搅拌器流过来的结晶晶粒和从底部流入的结晶晶粒，受到强大的剪切作用力，被充分破碎、分散，发生二次成核，形成超细的碳酸铈晶粒。

锥形导流筒的加入限定了反应器中、上部流体的流动路线，防止出现短路，剪切速率和剪切应力显著提高，对液-液、液-固相间的混合和分散过程起到强化作用。环形导流筒与第二层径向流搅拌器配合使用，可以形成有效的反应器底部区域的径向循环，有利于反应器底部结晶晶粒的悬浮和流动。两个导流筒的配合使用，可以使反应器中生成的结晶晶粒全部经上、下导流筒流回第二层径向流搅拌器，被强径向流搅拌器剪切破碎，得到分散的超细晶粒。

釜体底部封头的中心部位采用内圆锥形，消除了第二层径向流搅拌器下方圆锥形的诱导循环流区，避免了结晶晶粒在该流动盲区沉积。底部封头与釜体的圆筒体内壁的交接处也会形成流动较慢的诱导循环区，为消除此流动盲区，故将釜体的圆筒体下端改为倒圆锥台，与底部封头结构尽可能平滑过渡。

附图说明

图1为本发明沉淀反应器的结构示意图；

图2为本发明沉淀反应器的轴向流搅拌器的主视图；

图3为图2的俯视图；

图4本发明沉淀反应器的径向流搅拌器的主视图；

图5为图4的俯视图；

图6为本发明沉淀反应器的尺寸标注示意图；

图7为本发明沉淀反应器的工作原理示意图；

图8为传统稀土草酸盐沉淀反应器的工作原理示意图。

图1中1为釜体、2为挡板、3为锥形导流筒、4为环形导流筒、5为传动装置、6为搅拌轴、7为轴向流搅拌器、8为径向流搅拌器、第一进液管9、第二进液管10。

具体实施方式

如图1所示，为本发明沉淀反应器，包括由下端带圆锥台的圆筒体、筒体上端的椭圆形封头和筒体下端的中心部位采用内圆锥形的底部封头封闭而成的沉淀反应器釜体1，圆筒体下端的圆锥台和中心部位采用内圆锥形的底部封头采用焊接的方式连接，圆柱形筒体和上端椭圆形封头采用螺栓法兰连接。

中心部位采用内圆锥形的底部封头由圆锥壳和圆环平板组成，圆锥壳底部直径与圆环平板的内径相同，两者采用焊接方式连接构成反应器釜体1的底部封头。

沉淀反应器釜体1的顶部设有第一进料管9和第二进料管10，两个进料管紧贴锥形导流筒内壁，延伸至锥形导流筒下边缘，置于锥形导流筒下边缘的两个进料管端部封闭，进料管下部侧壁上开有均布的进液孔，用于可溶性铈盐和沉淀剂的进料；沉淀反应器釜体1的筒体下端的圆锥壳外壁处设有出料口11，用于反应沉淀的碳酸铈晶体的出料。

沉淀反应器釜体1的顶部固定有搅拌装置，搅拌装置包括设置在沉淀反应器釜体1外的传动装置5、与传动装置5相连的搅拌轴6和与搅拌轴6相连的搅拌器，搅拌轴6贯穿于沉淀反应器釜体1顶部延伸至靠近沉淀反应器釜体1底部。

搅拌器包括在搅拌轴6的中部至底部分别设有的第一层搅拌器7和第二层搅拌器8。

第一层搅拌器7为轴向流搅拌器，具体可选择为斜叶圆盘涡轮、推进式涡轮或斜叶开启涡轮。第一层搅拌器7的叶片外缘直径为第二层搅拌器8的叶片外缘直径的0.6-0.9倍。

第二层搅拌器8为径向流搅拌器。具体可选择为直叶圆盘涡轮、直叶开启涡轮或齿形圆盘涡轮。第二层搅拌器8下方连有一个环形导流筒4。第二层径向流搅拌器8与环形导流筒4配合使用，可以在沉淀反应器釜底区域形成有效的径向循环。

在第一层轴向流搅拌器7与沉淀反应器釜体1之间设置锥形导流筒3。锥形导流筒3上端开口直径D _Z大于下端开口直径d _Z，且d _Z/D _Z的比值在0.3-0.6之间。  

沉淀反应器釜体1内侧壁设有平直挡板2。挡板数为2-8个，优选为4或6个，挡板2离壁等间距地安装在沉淀反应器釜体1内侧壁上，以消除结晶晶粒沉积的死角。挡板使周向流变为有利于固体悬浮的轴向流，增强沉淀反应器内混合效果。

如图2所示，为第一层轴向流搅拌器7的一种具体结构，为一种斜叶开启涡轮的结构示意图，包括轮毂71和叶片72，叶片72为扁形长方体，叶片72为6个，沿轮毂71的周向均匀分布，与轮毂71的轴线成45o角安装，安装方式可以采用焊接或者其他固定方式。

如图3所示，为第二层径向流搅拌器8和环形导流筒3，第二层径向流搅拌器8为一种直叶圆盘涡轮，第二层径向流搅拌器8包括轮毂81、叶片82和圆盘83，轮毂81轴向端面固定圆盘83，叶片82为扁形长方体，叶片82宽度方向上的中部设有与圆盘82配合的卡位槽，使得叶片82固定在圆盘83，叶片82与圆盘83成90o角。叶片82为6个，沿轮毂周向均匀分布。

实施例1

 采用本发明沉淀反应器的一种具体的结构，第一进液管9、第二进液管10轴对称地贯穿于沉淀反应器釜体1顶部，紧贴锥形导流筒3内壁，延伸至锥形导流筒3下边缘，第一进液管9、第二进液管10下端部封闭，第一进液管9、第二进液管10下部侧壁上开有均布的进液孔。平直挡板2为4个，挡板2宽度为60mm，其离筒体内壁20mm，等间距地安装在沉淀反应器釜体1内侧壁上，挡板2顶部与液面齐平。

第一层轴向流搅拌器7采用如图2所示的六斜叶开启涡轮，第二层径向流搅拌器8采用如图3所示的六直叶圆盘涡轮。第一层轴向流搅拌器7和第二层径向流搅拌器8采用的具体尺寸如表1所示。第二层径向流搅拌器8上方的锥形导流筒3上端开口直径D _Z为700mm，下端开口直径d _Z为220mm，锥形导流筒3上端至液面的距离l ₁为180mm，下端至第二层径向流搅拌器8的距离l ₂为55mm。第二层径向流搅拌器8下方的环形导流筒4的直径d _H为220mm，高h ₃为62mm，环形导流筒4上端到第二层径向流搅拌器8的距离l ₃为45mm。

表1

    本发明沉淀反应器的其他具体尺寸的标注如图4所示，其具体尺寸值如表2所示。

表2

    对比例1

    对比例1采用传统多层沉淀反应器，其釜体大小以及挡板等形式与实施例1中本发明的沉淀反应器的一致，只有搅拌器形式、釜体底部形状、导流筒设置、进出料管口位置有所区别。对比例1使用的是三层斜叶桨式搅拌器，釜底为锥形封头，未安装导流筒，两个进料管固定在挡板上，两个进料管侧壁上对称分布有进液孔。

实验时加入氯化铈和碳酸氢铵模拟液液反应沉淀的两相液体。两个沉淀反应器均在相同的搅拌转速400r/min、液体加入量20 l/h、液位高度1100mm下进行操作。测定两个沉淀反应器的混合时间、平均固含率、液体循环次数、搅拌功率、粒径大小及粒径分布，实施例1的本发明沉淀反应器与对比例1的传统多层沉淀反应器的实验结果如表3所示。

表3

从表3的实验结果可以看出，本发明的沉淀反应器各项性能均要优于对比例1的传统多层沉淀反应器。本发明沉淀反应器对液-液、液-固两相体系有更好的混合效果，尤其是轴向混合程度大，从而缩短混合时间，有更好的液-液传质情况，使得反应生成的碳酸铈粒度较均匀、粒度分布范围较窄。另外，本发明沉淀反应器不存在晶粒沉积盲区，晶粒均通过径向流搅拌器的破碎，二次结晶后的晶粒粒度较细，故非常适合作为工业上低成本、大批量地制备超细碳酸铈粉体的沉淀反应装置。

如图5所示，为本发明实施例1的沉淀反应器的工作原理示意图，在第一层轴向流搅拌器和第二层径向流搅拌器相互配合下，在沉淀反应器顶部和中部区域，反应器的搅拌轴与反应器釜体的内壁之间形成轴向循环（如C₁和C₂循环）；在反应器底部区域，反应器釜体的轴线与反应器釜体的内壁之间形成径向循环（如C₃和C₄循环）。锥形导流筒的设置，限制轴向循环中碳酸铈晶粒全部经过顶部区域进入锥形导流筒内，顶部液相中的固含率提高；同时使得中部区域的循环流动加快，进料口处两相物料混合时间缩短。反应器釜体底部封头的中心部位采用内圆锥形的设置，消除了径向流搅拌器底部碳酸铈晶粒沉积死角。环形导流筒的设置，限制径向循环中碳酸铈晶粒全部经过环形导流筒流入第二层搅拌器。

如图6所示，为对比例1的传统三层沉淀反应器的工作原理示意图，在三层轴向流搅拌器作用下，在整个反应器区域中，反应器的搅拌轴与反应器釜体的内壁之间只形成大的轴向循环（如C₅和C₆循环），其混合效果较差。这是由于反应器顶部湍动程度差，结晶晶粒在该区液相中的固含率很低，为提高固含率，需增大转速，消耗较大的搅拌功率；反应器中部轴向循环流流动速度小、剪切速率低，进料口处两相反应料液分散及混合不充分、混合时间长，是很大的液液相混合传质不利区域，导致生成的晶粒粒度分布范围大；第三层反应器的底部存在一个诱导循环区，为晶粒沉积盲区，此区域晶粒无法上向流动经过各层搅拌器破碎，不利于进行二次结晶生成细的晶粒。

Claims (9)

1.一种生产超细碳酸铈的沉淀反应器，包括釜体（1）、导流筒（3）、搅拌器、进料管，其特征在于，所述釜体（1）的主体为圆筒体，其下端收口形成倒圆锥台形，釜体（1）底部封头的中心部位采用内圆锥形。

2.根据权利要求1所述的一种生产超细碳酸铈的沉淀反应器，其特征在于，所述搅拌器包括轴向流搅拌器（7）和径向流搅拌器（8），轴向流搅拌器（7）设置在搅拌轴（6）的中部，径向流搅拌器（8）设置在搅拌轴（6）底部。

3.根据权利要求1或2所述的一种生产超细碳酸铈的沉淀反应器，其特征在于，所述导流筒（3）采用锥形导流筒（3），锥形导流筒（3）下方设有环形导流筒（4），所述轴向流搅拌器（7）置于锥形导流筒（3）内，所述径向流搅拌器（8）位于锥形导流筒（3）与环形导流筒（4）之间，环形导流筒（4）直径与锥形导流筒（3）的下端直径相同。

4.根据权利要求1所述的一种生产超细碳酸铈的沉淀反应器，其特征在于，所述进液管（9、10）贯穿于釜体（1）顶部，紧贴锥形导流筒（3）内壁，延伸至锥形导流筒（3）下边缘；置于锥形导流筒（3）下边缘的进液管（9、10）端部封闭，进液管（9、10）下端侧壁上均布有进液孔。

5.根据权利要求3所述的一种生产超细碳酸铈的沉淀反应器，其特征在于，轴向流搅拌器（7）为斜叶圆盘涡轮、推进式涡轮或斜叶开启涡轮。

6.根据权利要求3所述的一种生产超细碳酸铈的沉淀反应器，其特征在于，径向流搅拌器（8）为直叶圆盘涡轮、直叶开启涡轮或者齿形圆盘涡轮。

7.根据权利要求5或6所述的一种生产超细碳酸铈的搅拌釜式沉淀反应器，其特征在于，所述的径向流搅拌器（8）的叶片外缘直径为轴向流搅拌器（7）的叶片外缘直径的1.1-1.7倍。

8.根据权利要求3所述的一种生产超细碳酸铈的沉淀反应器，其特征在于，所述的锥形导流筒（3）上端开口直径D _Z大于下端开口直径d _Z，且d _Z/D _Z的比值在0.3-0.6之间。

9.根据权利要求1所述的一种生产超细碳酸铈的沉淀反应器，其特征在于，釜体（1）底部封头的外径为釜体（1）圆筒形部位内径D的0.6-0.8倍；釜体（1）底部封头中心部位的内圆锥的底部直径为釜体（1）圆筒形部位内径D的0.2-0.4倍，釜体（1）底部封头的内圆锥的高度为釜体（1）圆筒形部位内径D的0.1-0.3倍。