CN106536030A - 用于混合液体、气体和固体材料的反应器 - Google Patents

用于混合液体、气体和固体材料的反应器 Download PDF

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Abstract

一种反应器(10)，包括竖直圆筒形反应器罐(11)以及同心地定位在反应器罐(11)中的竖直通流管(100)。通流管(100)包括第一圆锥形部分(110)、第一圆筒形部分(120)、第二圆锥形部分(130)和第二圆筒形部分(140)。轴流式叶轮(20)位于第一圆筒形部分(120)的下端(122)处，竖直轴杆(35)向上延伸穿过反应器罐(11)的上端部(12)。折流板装置(180)位于第二圆锥形部分(130)内，气体供应装置(170)位于通流管(100)内且位于叶轮(20)下方。

Description

用于混合液体、气体和固体材料的反应器
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于混合液体、气体和固体材料的反应器。
背景技术
用于混合液体、气体和固体材料的反应器可以用于直接滤取、用于处理和转化化学物质、矿物的工业处理以及用于废水处理中。
在使用针对金属浓缩物(例如硫化锌浓缩物)的大气处理的直接滤取中，可以从泥矿中滤取固体物质。基于使用特定滤取反应器的直接滤取处理是制备例如电解锌的最经济的方法之一。
国际申请公开号WO 01/12307公开了一种底部搅动式反应器。该反应器包括竖直延伸的圆筒形反应器罐。反应器罐底部封闭，而反应器罐的上端打开。反应器罐的高度是反应器罐直径的数倍。同心的中心管定位在反应器罐中。中心管在管的上端部处具有向下收缩的圆锥形部分，并且在下端部处具有向下膨胀的圆锥形部分。中心管的下端部定位成与反应器罐底部具有一定距离。双作用叶轮定位在位于反应器罐底部上方的中心管下端处，这意味着叶轮的轴杆穿过反应器罐的封闭底部中的开口。因而，轴杆密封在所述开口中。叶轮由两个部件形成，在两个部件之间具有水平板。固定在水平板上方的弯曲叶片向下吸取中心管内的矿泥。固定在水平板下方的叶片形成直叶片式涡轮叶轮。使用管将气体给送通过反应器罐的底部至叶轮下方的位置，由此，叶轮的下部部件将气体分散成非常小的气泡，因而有助于将气体溶解在矿泥中。通过使用叶轮的弯曲叶片形成流动，弯曲叶片从中心管抽吸矿泥向下朝向反应器罐的底部。流动方向在反应器罐底部转向180度，之后，流动在反应器罐和中心管之间的空间内向上流动朝向反应器罐的上端部。中心管与反应器罐的距离处于反应器直径的0.2至1.0倍的范围内，优选处于0.3至0.5倍的范围内。中心管与围绕中心管的反应器壳体之间的表面积比低于0.1。这意味着中心管的直径和反应器罐的直径之间的比是0.32。该底部搅动式反应器具有高气体分散能力。施加至叶轮的一部分能量消耗于叶轮周围的分散动作中。
美国专利4,648,973公开了一种顶部搅动式反应器。在图4所示的实施例中，该反应器包括由外部竖直反应器罐围绕的中心竖直管。在中心管的上端部处具有叶轮。在叶轮的上方、在中心管的内边缘上还具有折流板，以防止产生有害的漩涡，在叶轮下方具有整流栅格。中心管沿着中心管的整个高度具有相同的直径。外部管在反应器罐的上端部处具有加宽部分，并且在中心管的上端部上设置有分离的加宽套筒。因而，在加宽部分中流动路径的横截面面积扩大，这意味着在该加宽部分中的上升矿泥的速度减缓。这将稳定反应器罐内的矿泥水平。图6示出了其中中心管和反应器罐在反应器的上端部处包括加宽部分的实施例。因而，通过增加叶轮的直径，可以增大叶轮的效率。通过氧气供应管将氧气或者包含氧气的气体引入至位于叶轮下方的中心管内的矿泥流中。在氧气供应管的紧邻下方是节流的文氏管。沿着叶轮下方中心管的高度，彼此间隔一定竖直距离地设置多对氧气供应管和文氏管。反应器的高度是其直径的数倍。中心管的直径和反应器罐的直径之间的比处于0.4至0.85的范围内。该顶部搅动式反应器提供了适度的分散能力和相对低的能耗。施加至反应器的大部分能量用于进行矿泥再循环。
在反应器罐的中部处设置有通流管(draft tube)的用于混合液体、气体和固体材料的反应器根据叶轮的位置可以分为顶部搅动式反应器和底部搅动式反应器。前述美国专利4,648,973是顶部搅动式反应器的一个示例，而前述国际申请公开号WO 01/12307是底部搅动式反应器的一个示例。与顶部搅动式反应器相比，底部搅动式反应器提供了更强的气体分散。这是由于以下事实：在底部搅动式设备中，泵送的质量流率围绕叶轮再循环，而在顶部搅动设备中，大部分泵送的质量流通过通流管再循环。与顶部搅动式反应器相比，底部搅动式反应器具有高能耗和低泵送效率。因而，底部搅动式反应器适用于具有高气流速度的情况，即大量气体将被混合至流体中。另一方面，顶部搅动式反应器适于气流速度适中的情况，即适量的气体将被混合至流体中。
国际申请公开号WO 02/07866公开了一种用于在封闭反应器中混合气体的混合设备和方法。该反应器具有高效能，并且使用气体作为具有高含量粉末状固体的溶液中的操作助剂。目标是在反应器中获得流动，反应器使用位于反应器中心处的旋转混合装置从液体表面上方抽吸气体，并且在整个反应器容积内混合所述气体。混合设备包括位于不同高度处、同一轴杆上的至少两个叶轮。上叶轮设置有附接至轴杆的中心板、上下移动的基本上竖直的内部叶片、以及从中心板指向外部的外部翼片，外部翼片从水平方向倾斜。下叶轮设置有附接至轴杆的中心板、位于外边缘上的竖直叶片。这属于在反应器罐内完全不具有任何通流管的反应器类别。因而，不具有位于反应器罐内的通流管和反应器罐之间的矿泥的循环。同样地，在该反应器类型中，反应器罐的高度和反应器罐的直径之间的比例较低，即处于1.0至1.5的范围内。
国际申请公开号WO2013/124539公开了轴流式叶轮的叶片和轴流式叶轮。叶片具有前沿、后沿、尖端和可附接至叶轮中心轮毂的根部。叶片的截面由环形轮毂和包封矩形而形成。矩形具有宽度和长度。矩形的第一短边沿着环形轮毂的直径布设，并且在环形轮毂的两侧处延伸超过轮毂直径相等的第一距离。在矩形的每个角部处具有切除部。叶片从轮毂直径的端部处起始形成扩散椎体，并且对称地扩张至矩形的长边。矩形的外角部处的切除部不对称。它们从矩形的长边处起始形成笔直的倾斜线，并且通过弯曲线终止于叶片尖端(即矩形的第二短边)。叶片还包括两个弯曲部，弯曲部将叶片分成前沿部分、中心部分和后沿部分。前沿部分相对于中心部分向下形成第一角度，后沿部分相对于中心部分向下形成第二角度。中心部分相对于水平面形成第三角度。三个部分是平坦部分。
发明内容
本发明的一个目的是获得一种用于混合液体、气体和固体物质的改进型反应器。
本发明的该目的利用根据权利要求1的用于混合液体、气体和固体物质的反应器而得以实现。
反应器包括：
竖直延伸的圆筒形的反应器罐，反应器罐具有上端部和封闭底部，所述反应器罐还具有直径和为直径数倍的高度，
通流管，通流管在反应器罐内竖直且同心地延伸、并且支撑在反应器罐处，所述通流管具有高度、形成进口开口的开口上端部、形成出口开口的开口下端部，该通流管的上端部位于在反应器罐的矿泥的自由表面水平之下形成上部间隙的一定高度处，而通流管的下端部位于在反应器罐的底部上方形成底部间隙的一定高度处，
叶轮，叶轮连接至定位在通流管内的竖直轴杆，
折流板装置，折流板装置定位在叶轮下方的通流管内，以及
气体供应装置，气体供应装置定位在叶轮下方的通流管内。
反应器的特征在于：
通流管由包括四个部分的连续结构形成，所述四个部分自上端至下端包括：
朝向下端部收缩的第一圆锥形部分，所述第一圆锥形部分具有高度和锥角，第一圆锥形部分的上端形成通流管的上端，
具有一定直径和高度的第一圆筒形部分，第一圆筒形部分的上端与第一圆锥形部分的下端部重合，
朝向下端部收缩的第二圆锥形部分，所述第二圆锥形部分具有一定高度和锥角，第二圆锥形部分的上端与第一圆筒形部分的下端重合，
具有一定直径和高度的第二圆筒形部分，第二圆筒形部分的上端与第二圆锥形部分的下端重合，第二圆筒形部分的下端形成通流管的下端，
由此，作为轴流式叶轮的叶轮位于第一圆筒形部分的下端处，并且竖直轴杆同心地向上延伸穿过反应器罐的上端，由竖直延伸折流板形成的折流板装置位于第二圆锥形部分内。
根据本发明的顶部搅动式反应器以低能耗形成了对矿泥的均匀混合。
根据本发明的顶部搅动式反应器内的特定通流管引入了有利于有效搅动和混合的流动形式。
根据本发明的顶部搅动式反应器防止在操作期间在反应器的底部中形成固体层。
根据本发明的顶部搅动式反应器在反应器再次启动时将自动地移除在反应器关闭期间形成的固体层。在维修期间和紧急状况下，关闭反应器。
根据本发明的顶部搅动式反应器使用轴流式叶轮泵送的几乎全部质量流率，以便再循环通过反应器内的通流管，并且顶部搅动式反应器使得用于混合的功率效率最大化。
在气体分散需求适中的应用中，根据本发明的顶部搅动式反应器是有利的。
根据本发明的顶部搅动式反应器还易于安装和维护，并且其可避免泄漏。叶轮的轴杆向上延伸通过反应器罐的上端部。因而不需要将叶轮密封在根据本发明的顶部搅动式反应器中。在底部搅动式反应器中叶轮的轴杆通过位于反应器罐的封闭底部处的开口，并且因而必须密封在所述开口中。通流管的第一圆锥形部分和第一圆筒形部分的内部在叶轮上方是中空的。这意味着可以使用轴杆将叶轮从反应器罐的上端部处提升，而不拆除任何设施(例如位于叶轮上方的挡板)。
根据本发明的顶部搅动式反应器可以用于直接滤取、用于处理和转化化学物质、矿物的工业处理中以及用于废水处理中。根据本发明的顶部搅动式反应器尤其适合用于从矿泥直接滤取金属。
因而，根据本发明的顶部搅动式反应器可以用于直接滤取例如锌。这种直接滤取处理可以包括串联连接的例如4－8个反应器。位于这种滤取处理的上游端处的反应器中的氧气需求可能是位于滤取处理的下游端处的反应器中的氧气需求的例如5倍的数量级。
因而，滤取处理的上游端需要强搅动，以便于将大量氧气分散至矿泥中，但是在滤取处理的下游端处搅动可以更缓和。这意味着在滤取处理的上游端处，具有组合的径向流动和轴向流动混合的现有技术底部搅动式反应器可能更有利。然而，根据本发明的顶部搅动式反应器适于用在滤取处理的下游端处。由于与所有反应器均为现有技术的底部搅动式反应器的情况相比，位于滤取处理的下游端处的顶部搅动式反应器具有更佳的能量效率，因此这将降低整个滤取处理中的总能耗。
附图说明
下文中，将参考附图通过示例性实施例更详细地描述本发明，在附图中：
图1示出了根据本发明的反应器，
图2示出了图1的反应器的通流管的放大视图，
图3示出了可用于根据本发明的反应器中的叶轮的平面视图，
图4示出了图3的叶轮的叶片的平面视图，
图5示出了图4的叶轮的叶片的侧视图，
图6示出了可用于根据本发明的反应器中的折流板装置的第一实施例的横截面，
图7示出了可用于根据图6的折流板装置中的折流板的截面视图，
图8示出了可用于根据本发明的反应器中的折流板装置的第二实施例的横截面，
图9示出了可用于根据本发明的反应器中的折流板装置的第三实施例的横截面，
图10示出了可用于根据本发明的反应器中的气体供应装置的第一实施例的横截面，
图11示出了可用于根据本发明的反应器中的气体供应装置的第二实施例的横截面，
图12示出了可用于根据本发明的反应器内的气体供应装置的第三实施例的横截面，
图13示出了图1中的反应器的流动形式，
图14示出了现有技术的底部搅动式反应器中的矿泥流的速度矢量图，
图15示出了现有技术的底部搅动式反应器中的矿泥流的速度迹线，
图16示出了根据本发明的顶部搅动式反应器中的矿泥流的速度矢量图，
图17示出了根据本发明的顶部搅动式反应器中的矿泥流的速度迹线，
图18示出了根据本发明的顶部搅动式反应器中的溶液的体积分数，
图19示出了根据本发明的顶部搅动式反应器中的细小颗粒的体积分数，
图20示出了根据本发明的顶部搅动式反应器中的粗颗粒的体积分数。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的反应器。反应器10包括呈竖直指向圆筒体形式的反应器罐11。反应器罐11的上端部12由顶板18封闭。反应器罐11的底端13是封闭的，并且在该实施例中底端呈半椭圆形。然而，反应器罐11的底端13可具有平坦或弯曲的形状。反应器罐11具有竖直中心轴线Y－Y。反应器罐11的高度H1是反应器罐11的直径D1的数倍。反应器罐11包括用于待处理矿泥的入口16以及用于已处理矿泥的出口17。这种反应器10通常多个串联，从而待处理的矿泥通过多个反应器10并且在每个处理器10中得以处理。反应器罐11内部的压力可以保持低于或高于反应器罐11外侧的大气压力。
竖直指向的通流管100位于反应器罐11内。反应器罐11的竖直中心轴线Y－Y还形成通流管11的竖直中心轴线Y－Y。因而，通流管100同心地定位在反应器罐11内。使用上部紧固器件14和下部紧固器件15将通流管100附接至反应器罐11。紧固器件14、15有利地是在通流管100和反应器罐11之间延伸的径向支撑器件。通流管100具有形成矿泥的入口开口的上端部101和形成矿泥的出口开口的下端部102。通流管100在上端部101和下端部102之间具有高度H8。反应器罐11内的矿泥的上表面水平SL1保持高于通流管100的上端部101。因而，通流管100完全浸没在矿泥中，所述矿泥将在反应器10内得以处理。
通流管100包括四个部分110、120、130、140。这些部分110、120、130、140从上端部101朝向下端部102为：第一圆锥形部分110、第一圆筒形部分120、第二圆锥形部分130和第二圆筒形部分140。通流管100的第一圆锥形部分110的上端部111形成通流管100的上端部101。通流管102的第二圆筒形部分140的下端部142形成通流管100的下端部102。通流管100的下端部102定位在高于反应器罐11的底部13上方的高度H2处。所述高度H2形成了通流管100的底部间隙。通流管100的上端部101定位在位于反应器罐11内的矿泥的自由表面平面SL1下方的高度H3处。所述高度H3形成了通流管100的顶部间隙。
反应器10还包括叶轮20，叶轮位于通流管100内的通流管100的第二圆锥形部分120的下端部122处。叶轮20的轴杆35向上竖直延伸至反应器罐11的上端部12之外。叶轮20由轴流式叶轮形成，其在轴向方向上产生强流动并且在叶轮20周围的径向方向上产生小漩涡。
反应器10还包括位于通流管100内的气体供应装置170。气体供应装置170位于叶轮20下方、处于通流管100的第一圆筒形部分120的底部部分处。
反应器10还包括位于通流管100内的折流板装置180。折流板装置180位于通流管100的第二圆锥形部分130中。因而，折流板装置180位于叶轮20下方。
图2示出了图1的反应器的通流管的放大视图。通流管100的第一圆锥形部分110有助于获得矿泥流入通流管100内的有利流动形式。第一圆锥形部分110内的矿泥流将主要沿着轴向方向Y－Y流入叶轮20。因而，不需要在叶轮之上安装流动引导器件或折流板。在通流管100的上端部101处矿泥流入通流管100内的有利流动形式是整个反应器的结构、特别是通流管100的结构产生的。
通流管100的第一圆筒形部分120的直径D3大于通流管100的第二圆筒形部分140的直径D2。这使得能够将与通流管100的第二圆筒形部分140的直径D2相比具有更大直径D4的叶轮20安装在第一圆筒形部分120内。
叶轮20安装在通流管100的第一圆筒形部分120的底部部分中。具有合适尺寸的叶轮20可以向通流管100的第二圆筒形部分140内的矿泥提供约2.0m/s-2.3m/s的轴向Y－Y流速。叶轮20由安装在叶轮轮毂30上的轴杆35转动，轴杆35连接至驱动单元200。驱动单元200可以包括齿轮或变频器和电动机。驱动单元200位于反应器罐111上方。叶轮20、轴杆35和驱动单元200形成搅动器。通流管100的结构使得能够使用具有低剪切应力和高泵送能力的轴流式叶轮20。这将致使操作成本低，即能耗低。将结合附图3至5进一步讨论叶轮20。
叶轮20的外边缘D4和通流管100的第二圆筒形部分120的内边缘之间的间隙从机械角度看维持尽可能小，以避免产生会对叶轮20效率造成负面影响的流动。
气体供应装置170安装在通流管100内、位于叶轮20下方。气体供应装置170可以由径向、侧向或环形岐管形成。从岐管中的喷嘴将氧气或包含氧气的气体吹至矿泥。岐管中的喷嘴向下指向朝向反应器10的底部13。气体供应装置170可以处于通流管100的位于叶轮20和折流板装置180之间的第一圆筒形部分120中，折流板装置位于通流管100的第二圆锥形部分130内。另一方面，气体供应装置170可以位于通流管100的第二圆锥形部分130的处于折流板装置180正下方的底部处。将结合附图10至12讨论气体供应装置170的实施例。
通流管100的第二圆锥形部分130有助于获得矿泥向下流至通流管100的第二圆筒形部分140的平稳轴向Y－Y流动。叶轮20向矿泥流引发漩涡或者其它不均匀现象。使用该第二圆锥形部分130使叶轮20对叶轮20下方的向下流动矿泥造成的负效应最小化。
折流板装置180安装在通流管100的该第二圆锥形部分130中。折流板装置180消除了叶轮20对矿泥流引发的漩涡，并且有助于轴向向下指向的矿泥流。折流板装置180的结构可以改变。将结合图6至9讨论折流板装置180的实施例。
根据本发明的反应器10参考下列原则有利地定尺寸。
反应器罐11的直径D1有利地处于6至9米的范围内。反应器罐11的直径D1取决于应用，并且其范围甚至可以更宽。
反应器罐11的高度H1是反应器罐11的直径D1的数倍。优选地，反应器罐11的高度H1是反应器罐11的直径D1的2.5至5倍。反应器罐11的高度H1的范围是其中反应器10有效地行使功能的保守范围。因而，比例H1/D1甚至可以在更宽的范围内变化。
通流管100的第二圆筒形部分140的直径D2优选处于反应器罐11的直径D1的0.2至0.5倍的范围内。
通流管100的第一圆筒形部分120的直径D3优选是通流管100的第二圆筒形部分140的直径D2的1.45至1.6倍。
通流管100的第一圆筒形部分120的高度H5优选是通流管100的第一圆筒形部分120的直径D3的0.8至1.1倍。
通流管100的下端部102和反应器罐11的底部13之间的竖直距离H2优选是通流管102的第二圆筒形部分140的直径D2的1.0至1.4倍。该竖直距离H2是通流管100的底部间隙。
通流管100的上端部101和反应器罐11内的矿泥的自由表面水平SL1之间的竖直距离H3优选是通流管100的第二圆筒形部分140的直径D2的0.4至0.6倍。该竖直距离H3是通流管100的顶部间隙。
通流管100的第一圆锥形部分110的高度H4优选是通流管100的第一圆筒形部分120的直径D3的0.2至0.35倍。
第一圆锥形部分110的锥角α1优选是20至45度，并且更优选为30度。
通流管100的第二圆锥形部分130的高度H6优选是通流管100的第二圆筒形部分140的直径D2的0.9至1.1倍，并且更优选地等于通流管100的第二圆筒形部分140的直径D2。
通流管100的第二圆锥形部分110的锥角α2优选是8至12度，并且更优选为10度。
在实际方案中，当反应器罐11的直径D1处于6至9米的范围内并且通流管100的第二圆筒形部分140的直径D2处于反应器罐11的直径D1的0.2至0.5倍的范围内时，叶轮20的外边缘和反应器罐11的内边缘之间的间隙应当小于50mm。
具有该布置的叶轮20的直径D4优选是通流管100的第二圆筒形部分140的直径D2的1.4至1.6倍，更优选为1.5倍。叶轮20的直径D4取决于反应器容量以及反应器罐11的高度H1和直径D1之间的比H1/D1。反应器罐11的高度H1和直径D1之间的比H1/D1越大，需要叶轮的直径D1和通流管100的第二圆筒形部分140的直径D2之间的比D4/D2也越大。
通流管100的第二圆筒形部分140的高度H7通过从反应器罐11的高度H1中减去顶部间隙的高度H3、第一圆锥形部分110的高度H4、第一圆筒形部分120的高度H5、第二圆锥形部分130的高度H6以及底部间隙的高度H2而计算得出。通流管100的第二圆筒形部分140的高度H7因而为H7＝H1-(H2+H3+H4+H5+H6)。
反应器罐11的底部13处的液体静压力的量级为1.5至3.0大气压，即0.15至0.30Mpa。
在本发明的反应器10中，通流管100的第二圆筒形部分140中的矿泥速度处于2.0m/s至2.3m/s范围内。
图3示出了可以用在根据本发明的反应器中的叶轮的叶片的平面视图。然而，本发明不局限于这类叶轮。在本发明中可以使用形成强轴向流动的任何叶轮。叶轮20形成轴向流动并且包括附接至轮毂30的四个叶轮叶片40、50、60、70。轮毂30和四个叶轮叶片40、50、60、70在箭头方向S1上逆时针旋转。轴杆35附接至叶轮20的轮毂30。叶轮20具有直径D4。根据本发明的叶轮20中的叶片40、50、60、70的数量优选处于3至5的范围内。
图4示出了图3的叶轮的叶片的平面视图。叶片40具有前沿41、后沿42、尖端43和可附接至叶轮20的中心轮毂30的根部44。在前文提及的国际申请公开号WO2013/124539中公开了该叶轮叶片40。
叶片40的截面由环形轮毂30和包封矩形80形成。环形轮毂30具有直径D5。矩形80具有宽度A1和长度B1。矩形80的宽度A1小于矩形80的长度B1。
矩形80的第一短边81穿过环形轮毂30的中心C，并且在轮毂30的两侧处超出轮毂30的直径D5相等的距离A2。矩形80的相对的第二短边82的一部分形成叶片40的尖端43。矩形80的第一长边83的一部分形成叶片40的前沿41的一部分41B。矩形80的第二长边84的一部分形成叶片40的后沿42的一部分42B。沿着矩形80的第一短边81的第一线形成参考线X1－X1。
环形轮毂30的位于矩形80内的第一半部31(图中的下半部)形成矩形80的第一切除部，从而叶片40的弯曲根部44设置成抵抗轮毂30的弯曲外表面。在矩形80中、在环形轮毂30的两侧处还具有对称的切除部，从而从轮毂30的直径D5的端点起始的叶片40以对称锥形增宽至矩形80的宽度A1。锥形的第一斜边41A与矩形80的第一长边83在第一点P1处交叉。锥形的相对的第二斜边42A与矩形80的第二长边84在第二点P2处交叉。从参考线X1－X1至第一点P1和至第二点P2测得的垂直距离B2相等。锥形的第一斜边41A形成叶片40的前沿41的第一部分41A。锥形的第二斜边42A形成叶片40的后沿42的第一部分42A。
前沿41的第二部分41B由矩形80的第一长边83的直至第三点P3的部分形成。前沿41的第三部分41C由朝向矩形80的第二长边84倾斜并且延伸直至第五点P5的笔直线41C形成。所述倾斜线41C的延伸部分与矩形80的第二短边82在第七点P7处交叉。前沿41的第四部分41D由半径为R6并且在第五点P5和第九点P9之间延伸的第一弯曲线41D形成。第九点P9位于尖端43的第一端与矩形80的第二短边82重合之处。
后沿42的第二部分42B由矩形80的第二长边84的直至第四点P4的部分形成。后沿42的第三部分42C由朝向矩形80的第一长边83倾斜并且延伸直至第六点P6的笔直线42C形成。所述笔直线42C的延伸部分与矩形80的第二短边82在第八点P8处交叉。后沿42的第四部分42D由具有半径R6并且在第六点P6和第十点P10之间延伸的第二弯曲线42D形成。第十点P10位于尖端43的第二端与矩形80的第二短边82重合之处。
叶片40包括另两个弯曲部91、92。第一笔直弯曲部91始于叶片40的前沿41的第一点P1，并且终止于叶片40的尖端43中的第十三点P13。第二笔直弯曲92始于前沿41的第一部分41A处的第十一点P11，并且终止于第二弯曲线42D的中部处的第十二点P12。第二笔直弯曲部92的延伸部分与矩形80的第一短边81相交于第十五点P15。两个弯曲部91、92将叶片40分成前沿部分45、中心部分46和后沿部分47。
叶片40的尺寸如下：
矩形80的长度B1是叶轮20的直径D4的0.5倍。
矩形80的第一短边81超出轮毂30直径D5的距离A2是矩形80的宽度A1的0.2倍。
从矩形80的第一长边83至第十五点P15的垂直距离A3是矩形80的宽度A1的0.1倍。
从矩形80的第二长边84到第八点P8的垂直距离A4是矩形80的长度B1的0.1至0.2倍。
从矩形80的第一长边83到第七点P7的垂直距离A5是矩形80的长度B1的0.1至0.2倍。
从矩形80的第一长边83至第十三点P13的垂直距离A6是矩形80的宽度A1的0.4倍。
从参考线X1－X1至点P1和点P2的垂直距离B2是矩形80的长度B1的0.2倍。
从参考线X1－X1至第四点P4的垂直距离B3是矩形80的长度B1的0.75倍。
从参考线X1－X1至第三点P3的垂直距离B4是矩形80的长度B1的0.5倍。
在第五点P5和第九点P9之间延伸的第一弯曲线41D的半径R6是矩形80的宽度A1的0.2倍。
在第六点P6和第十点P10之间延伸的第二弯曲线42D的半径R6与第一弯曲线41D的半径相等，即矩形80的宽度A1的0.2倍。
图5示出了图4的叶轮的叶片的侧视图。前沿部分45相对于中心部分46向下形成第一角度α1，而后沿部分47相对于中心部分46向下形成第二角度α2。中心部分46相对于水平面形成第三角度α3。三个部分45、46、47是平坦部分。叶片可以例如通过弯曲金属片而制成。第一角度α1的范围为5至7度，第二角度α2的范围为7至9度，第三角度α3的范围为19至25度。叶片40在根部40处连结至轮毂30的俯仰角(pitch angle)α2+α3可以在27至33度的范围内变化。更大的叶片俯仰角提供了更高的泵送能力，但是可能导致更多的能耗。这种叶轮以非常低的能耗以及高的泵送能力和效率提供了出色的混合性能。
图6示出了可用于根据本发明的反应器中的折流板装置的第一实施例的横截面。图7示出了可用于图6的折流板装置中的折流板的截面视图。在该实施例中，折流板装置180包括6个折流板。折流板181、182的数量可以根据通流管100的第二圆筒形部件140的直径D2和/或根据反应器10的容量而从4至6个发生变化。反应器10的容量越大，则所需的折流板181、182越多。折流板181、182在竖直方向Y－Y上延伸，使得折流板181、182的上边缘处于叶轮20下方较小的距离处。该实施例可以有效地消除和/或最小化叶轮20在矿泥流中造成的漩涡。该折流板装置180在矿泥流中造成的压降小，并且该折流板装置180对叶轮20的效率几乎没有影响。折流板的高度为H8、在折流板181的下端处具有第一宽度W1、而折流板181的上端处具有第二宽度W2。
折流板装置180中的折流板181、182的高度H8优选处于通流管100的第二圆锥形部分130的高度H6的0.9至1.0倍的范围内。折流板181、182在折流板181、182的下边缘处的宽度W1优选处于通流管100的第二圆筒形部分140的直径D2的0.25至0.5倍的范围内，优选为0.3倍。折流板181、182在折流板181、182的上边缘处的宽度W2由通流管100的第二圆锥形部分130的锥角α2确定。
图8示出了可用于根据本发明的反应器中的折流板装置的第二实施例的横截面。该折流板装置对应于图7中所示的折流板装置。在该实施例中，折流板181、182在折流板181、182的下边缘处的宽度W1是通流管100的第二圆筒形部分140的直径D2的0.5倍。折流板181、182的高度H8对应于图7中的折流板181、182的高度H8。
图9示出了可用于根据本发明的反应器中的折流板装置的第三实施例的横截面。在该实施例中，折流板装置180包括板矩阵。折流板181、182包括形成特定图形的竖直指向板。因而，在该折流板装置180中形成穿过折流板装置180的沿着竖直方向Y－Y的流动通道。折流板装置180的中间部分处的通道横截面是矩形。通道在第二圆锥形部分130的边缘处具有一个弯曲壁，即第二圆锥形部分130的壁。
在所有的实施例中，折流板181、182的外边沿可以焊接或嵌入在通流管100的第二圆锥形部分130的壁上。
图10示出了可用于根据本发明的反应器中的气体供应装置的第一实施例的横截面。图中的虚线示出了径向型气体供应装置170。径向型气体供应装置170的分支在通流管100内径向地延伸。每个分支设置有向下指向朝向反应器罐11的底部13的喷嘴或开口。
图11示出了可用于根据本发明的反应器中的气体供应装置的第二实施例的横截面。图中的虚线示出了侧向型气体供应装置170。侧向型气体供应装置170的分支在通流管100内侧向地延伸。每个分支设置有向下指向朝向反应器罐11的底部13的喷嘴或开口。
图12示出了可用于根据本发明的反应器中的气体供应装置的第三实施例的横截面。图中的虚线示出了环形气体供应装置170。气体供应装置170的主分支在通流管100内延伸成环。主分支设置有向下指向朝向反应器罐11的底部13的喷嘴或开口。具有与主分支连接的连接部分。
图13示出了图1中的反应器的流动形式。根据本发明的反应器10向通流管100内的矿泥流提供了高的轴向流速、以及用于混合和分散气体的有利流动形式。由叶轮20驱动矿泥向下通过通流管100。从通流管100的底端102处的出口开口喷出的矿泥流移动朝向反应器底部13，在该底部处矿泥流的方向改变180度。在改变方向之后，矿泥流向上移动至通流管100和反应器罐11之间的空间中、移动朝向通流管100的顶部101。矿泥流中的固体颗粒将随着矿泥内的流体而传送至通流管100的顶部101，以便再引入循环中。在通流管100的下端部102处，通流管100的外周周围出现二次漩涡。这种布置将导致在反应器10容积内产生强混合和搅动作用，这防止固体颗粒沉淀在反应器10的底部13区域中。在反应器10的底部13区域中未形成固体颗粒层。固体颗粒在反应器10的整个容积内再循环。
在偶然需要关闭时，固体颗粒沉淀在反应器罐11的底部13上并且形成固体层。当反应器启动时，固体层不需要以任何方式从反应器罐11的底部13移除。当反应器10再次开始运作时，反应器10可以提供足够强的搅动，以自动地移除固体层。因而，在反应器10启动之前或期间，不需要辅助措施和/或设施。
通过针对工业规模反应器使用计算流体动力学(CFD)建模显示根据本发明的顶部搅动式反应器的性能。在计算中反应器的尺寸如下。反应器的直径D1为7.5m，反应器的高度H1为22.3米。第二圆筒形部分140的直径D2为2.0m，底部间隙H2为1.3×D2。所使用的轴流式叶轮的直径D4为2.8m，且浸没至距自由表面SL1为3.7m的深度处。在两种情况下，叶轮的尖端速度约为6.2m/s。考虑固体质量分数为15％，颗粒尺寸为50μm和100μm。作为比较，使用了根据前述国际申请公开号WO01/12307的直接滤取反应器，该接滤取反应器设置有安装在通流管100的底端102处的出口开口处的双作用叶轮。
CFD建模示出了：根据本发明的反应器在各种运转条件下性能良好，并且提供了强搅动和混合，因而在反应器的整个容积中获得了均匀的颗粒分布。
图14示出了现有技术的底部搅动式反应器中的矿泥流的速度矢量图和图15示出了速度迹线。图16示出了根据本发明的顶部搅动式反应器中的矿泥流的速度矢量图和图17示出了速度迹线。
CFD模拟基于使用包括液体和固体颗粒的矿泥。根据矿泥的重量计算矿泥中的固体颗粒的部分为15％。矿泥体积的6.5％由细小颗粒(dp＝50μm)形成，而矿泥体积的1.1％由粗颗粒(dp＝100μm)形成。
涉及现有技术底部搅动式反应器的图14和15示出呈现底部中的顺时针再循环区域、在整体区域中的二次漩涡以及主逆时针再循环区域。虽然在通流管的下部部分处使用了折流板，但还是可以观察到一些涡流。
涉及根据本发明的顶部搅动式反应器的图16和图17示出了流动形式非常类似于图13中所示。这意味着，固体颗粒在整个反应器容积中再循环。
图18、图19和图20示出了根据本发明的顶部搅动式反应器中的溶液的体积分数、细小颗粒的体积分数和粗颗粒的体积分数。从附图中可清楚看出实现了颗粒的均匀分布。在反应器底部处未形成固体颗粒层。
对根据本发明的顶部搅动式反应器和现有技术的底部搅动式反应器的特征值进行比较。使用通过通流管的质量流速来计算反应器的泵送数(pumping number)Nq。
应当注意到的是，在根据本发明的顶部搅动式反应器中通过通流管的质量流速完全等于叶轮附近的质量流速。这表明，在根据本发明的顶部搅动式反应器中施加在叶轮上的所有功率已用于矿泥的再循环。
在现有技术的底部搅动式反应器内，通过通流管的质量流速仅约为叶轮周围的质量流速的50％。这意味着，在现有技术的底部搅动式反应器中仅约一半的质量流速用于矿泥在反应器的容积中再循环。
该比较示出了现有技术的底部搅动式反应器和本发明的顶部搅动式反应器之间的差别，但是该比较并不意味着这些反应器中之一更好、而另一更差。差别仅显示了所述反应器适于不同的目的。
根据本发明的顶部搅动式反应器中的搅动器所需的功率约为现有技术的底部搅动式反应器中的搅动器所需的功率的20％。
功率数(power number)Np定义为Np＝P/(ρN3D5)，其中P是搅动器的功率，N是转速，而D是叶轮的直径，在根据本发明的顶部搅动式反应器中的功率数Np约为现有技术的底部搅动式反应器中的功率数Np的0.17倍。
泵送质量流率mp定义为mp＝m/P，在根据本发明的顶部搅动式反应器中泵送质量流率约为在现有技术的底部搅动式反应器中的泵送质量流率mp的4.2倍。
泵送数Nq定义为Nq＝m/(ρND3)，在根据本发明的顶部搅动式反应器中泵送数约为在现有技术的底部搅动式反应器中的泵送数Nq的0.7倍。
泵送效能ηe定义为ηe＝Nq/Np，在根据本发明的顶部搅动式反应器中泵送效能约为在现有技术的底部搅动式反应器中的泵送效能ηe的4.3倍。
泵送效率λe定义为λe＝Nq/(Np)1/3，在根据本发明的顶部搅动式反应器中泵送效率约为在现有技术的底部搅动式反应器中的泵送效率λe的1.3倍。
在阅读本申请后，对于本领域技术人员而言将显而易见的是，本发明构思可以以各种方式实施。本发明及其实施例不局限于上述的实例，而可以在权利要求的范围内发生改变。

Claims (7)

1.一种用于混合液体、气体和固体材料的反应器，所述反应器(10)包括：
竖直延伸的圆筒形的反应器罐(11)，反应器罐具有上端部(12)和封闭底部(13)，所述反应器罐(11)还具有直径(D1)以及为直径(D1)数倍的高度(H1)，
通流管(100)，通流管在反应器罐(11)内竖直且同心地延伸，并且被支撑(14、15)在反应器罐(11)处，所述通流管(100)具有高度(H8)、形成进口开口的开口上端部(101)、形成出口开口的开口下端部(102)，通流管的上端部(101)定位于在反应器罐(11)中的材料的自由表面水平(SL1)下方形成上部间隙(H3)的高度处，通流管的下端部(102)定位于在反应器罐(11)的底部(13)上方形成底部间隙(H2)的高度处，
叶轮(20)，叶轮连接至定位在通流管(100)内的竖直轴杆(35)，
折流板装置(180)，折流板装置定位在通流管(100)内、且位于叶轮(20)下方，以及
气体供应装置(170)，气体供应装置定位在通流管(100)内、且位于叶轮(20)下方，
其特征在于，
通流管(100)由包括四个部分(110、120、130、140)的连续结构形成，所述四个部分(110、120、130、140)从连续结构的上端部(111)朝向下端部(142)包括：
第一圆锥形部分(110)，第一圆锥形部分朝向第一圆锥形部分的下端部(112)收缩，所述第一圆锥形部分(110)具有高度(H4)和锥角(α1)，第一圆锥形部分(110)的上端部形成通流管(100)的上端部(101)，
第一圆筒形部分(120)，第一圆筒形部分具有直径(D3)和高度(H5)，第一圆筒形部分(120)的上端部与第一圆锥形部分(110)的下端部(112)重合，
第二圆锥形部分(130)，第二圆锥形部分朝向第二圆锥形部分的下端部(132)收缩，所述第二圆锥形部分(130)具有高度(H6)和锥角(α2)，第二圆锥形部分(130)的上端部与第一圆筒形部分(120)的下端部(122)重合，和
第二圆筒形部分(140)，第二圆筒形部分具有直径(D2)和高度(H7)，第二圆筒形部分(140)的上端部与第二圆锥形部分(130)的下端部(132)重合，第二圆筒形部分(140)的下端部形成通流管(100)的下端部(142)，
其中作为轴流式叶轮的叶轮(20)定位在第一圆筒形部分(120)的下端部(122)处，竖直轴杆(35)同心地向上延伸穿过反应器罐(11)的上端部(12)，由竖直延伸的折流板(181、182)形成的折流板装置(180)定位在第二圆锥形部分(130)内。
2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，反应器的尺寸如下：
通流管(100)的第二圆筒形部分(140)的直径(D2)优选处于反应器罐(11)的直径(D1)的0.2至0.5倍的范围内，
通流管(100)的第一圆筒形部分(120)的直径(D3)优选是通流管(100)的第二圆筒形部分(140)的直径(D2)的1.45至1.6倍，
通流管(100)的上端部(101)和反应器罐(11)内的材料的自由表面水平(SL1)之间的上部间隙(H3)优选是通流管(100)的第二圆筒形部分(140)的直径(D2)的0.4至0.6倍，
通流管(100)的下端部(102)和反应器罐(11)的底部(13)之间的底部间隙(H2)优选是通流管(100)的第二圆筒形部分(140)的直径(D2)的1.0至1.4倍，
通流管(100)的第一圆筒形部分(120)的高度(H5)优选是通流管(100)的第一圆筒形部分(120)的直径(D3)的0.8至1.1倍，
通流管(100)的第一圆锥形部分(110)的高度(H4)优选是通流管(100)的第一圆筒形部分(120)的直径(D3)的0.2至0.35倍，
通流管(100)的第一圆锥形部分(110)的锥角(α1)优选是20至45度，并且更优选为30度，
通流管(100)的第二圆锥形部分(130)的高度(H6)优选是通流管(100)的第二圆筒形部分(140)的直径(D2)的0.9至1.1倍，并且更优选地等于通流管(100)的第二圆筒形部分(140)的直径(D2)，
通流管(100)的第二圆锥形部分(110)的锥角(α2)优选是8至12度，并且更优选为10度，以及
通流管(100)的第二圆筒形部分(140)的高度(H7)通过从反应器罐(11)的高度(H1)中减去上部间隙(H3)的高度、第一圆锥形部分(110)的高度(H4)、第一圆筒形部分(120)的高度(H5)、第二圆锥形部分(130)的高度(H6)以及底部间隙(H2)的高度而计算得出。
3.根据权利要求2所述的反应器，其特征在于，叶轮(20)的直径(D4)优选处于通流管(100)的第二圆筒形部分(140)的直径(D2)的1.4至1.6倍的范围内，更优选为1.5倍。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的反应器，其特征在于，叶轮(20)具有低剪切应力和高泵送能力。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的反应器，其特征在于，叶轮(20)中的叶片(40、50、60、70)的数量处于3至5个的范围内。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的反应器，其特征在于，气体供应装置(170)定位在通流管(100)的第一圆筒形部分(120)中，第一圆筒形部分处于叶轮(20)和定位在通流管(100)的第二圆锥形部分(130)中的折流板装置(180)之间。
7.根据权利要求1至5中的任一项所述的反应器，其特征在于，气体供应装置(170)定位在通流管(100)的第二圆锥形部分(130)的位于折流板装置(180)正下方的底部处。
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