CN107774223A - 一种混合反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合反应器，包括卧式混合罐、进料软管、出料软管和往复运动装置；卧式混合罐的两端分别设置进料口和出料口，进料软管的一端连接卧式混合罐进料口，另一端连接进料，出料软管的一端连接卧式混合罐的出料口，另一端连接出料；往复运动装置包括两根平行的导轨、弹簧、滑块或轮子、底座II、固定座、驱动装置和滑动架；其中滑动架包括底座I和连接板；所述的卧式混合罐在往复运动装置上在驱动装置的驱动下做往复运动。本发明的混合反应器在保持大范围高效混合传质性能的前提下，增强了装置的稳定性，并可以长期连续运行，同时具有结构简单、操作维修容易以及运行可靠等特点。

Description

一种混合反应器
技术领域
本发明涉及一种混合反应器。
背景技术
传质过程是化工单元操作常见的工艺过程之一，传质效果对反应的质量和效率有着重大的影响。传质设备使两种物料密切接触，进行传质，从而达到组分分离的目的。在整个生产设备中，传质设备占有很大比例，合理选择和设计传质设备，对节省投资、提高经济效益有重要作用。
对于液液反应，工业上常用的反应器是带搅拌设施的间歇式釜式搅拌反应器，这种反应器的缺点是返混不均匀，搅拌效率不高，且不适于连续操作。为解决这一问题，提出了一种新型的反应器—撞击流反应器，由于反应器内物料相互对撞，增加了物料接触面积，使传热、传质速率相应增大，促进了受传质过程影响的化学反应的进行。
撞击流通过两股相向流体的高速撞击，在撞击瞬间达到极高的相对速度，从而达到物料之间强化传质的目的。撞击流具有良好的混合特性，可以显著地强化微观混合。撞击流作为科学概念，由前苏联学者Elperin于1961年首先提出，但其可追溯到20世纪50年代初开发的Koppers-Totzek粉煤气化炉，只是当时并未有“撞击流”这一术语。20世纪60~70年代，以Elperin为首的学者对撞击流进行了大量的理论和实验研究。70~90年代，Tamir团队进行了几乎遍及所有化工单元过程的应用基础研究，所有涉及传递过程的研究结果都表明，撞击流可以大幅度提高物料间的传递系数，比传统方法效率更高、能耗更低。
目前常用的撞击流反应器主要有有两种结构型式，一种是浸没式循环撞击流反应器，另一种是泵送式外循环撞击流反应器。
CN201046396Y公开了一种无旋立式循环撞击流反应器，反应器内设有两个导流筒，在各导流筒中对应设有螺旋桨，所述螺旋桨的螺旋方向相反，分别用于推动流体从进料口经导流筒向流体撞击区域流动，通过高速撞击增大了接触面积，从而达到强化传质的目的。但由于流体总是倾向于随流线运动，处于被分割的流体间相互接触很难，因此撞击区的强化混合具有一定的限度。而且容易引起螺旋桨及机轴的震动或轴封失效，导致机械故障。
CN1814344A公开了一种用于液相反应的撞击流反应器，该反应器中间安装了两个导流筒，反应器外设置一或两个泵，泵的出口对称安装于导流筒的进料侧，反应物料经泵的输送经导流筒高速流动并在中心处相向撞击，有效地促进了反应物料的混合。该反应器使用泵送式外循环撞击流，取代了螺旋桨式的结构，简化了结构设计，降低了成本，同时减少了螺旋桨式结构引起的震动、轴封失效等问题。但上述反应器中心区域流体速度较大，而周边流体速度小，混合也不是很均匀，此外采用泵送式循环撞击流，需要外部机械驱动大量流体高速对撞，能耗较大。
CN1952048A公开了一种生物柴油的生产方法，该发明涉及一种采用撞击流反应器制备生物柴油的方法。在撞击流反应器内，物料通过导流筒向中部运动，并在该处相向撞击，在撞击面及周围形成撞击区。撞击后，流体经过导流筒与容器内壁间的环室分别返回容器的左右两端，然后又分别被进料输送通过左右两个导流筒流向中部并再次撞击，如此反复循环，达到混合均匀的目的，从而提高了传质速率。但上述方法也采用泵送式循环撞击流，需要外部机械驱动大量流体高速对撞，能耗较大。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种混合反应器，该混合反应器在保持大范围高效混合传质性能的前提下，增强了装置的稳定性，并可以长期连续运行，同时具有结构简单、操作维修容易以及运行可靠等特点。
本发明的混合反应器，包括卧式混合罐3、进料软管2、出料软管5和往复运动装置4。
卧式混合罐3的两端分别设置进料口和出料口，进料软管2的一端连接卧式混合罐进料口，另一端连接进料1，出料软管5的一端连接卧式混合罐的出料口，另一端连接出料6。
往复运动装置4包括两根平行的导轨4-1、弹簧4-2、滑块或轮子4-5、底座II4-6、固定座4-7、驱动装置4-8和滑动架4-9；其中滑动架4-9包括底座I4-3和连接板4-4；两根平行的导轨4-1水平放置，固定座4-7对称固定于两根导轨4-1左右两端的内侧（即每根导轨左右两端各固定一个固定座4-7），固定座4-7与底座II4-6之间通过弹簧4-2连接；滑动架4-9与4个固定座处于同一平面，为左右两侧2个垂直导轨方向的底座I4-3及平行于导轨的两个连接板4-4构成的矩形结构；其中底座I4-3为长条形，长度略小于两根平行导轨4-1的间距，连接板4-4下方安装滑块或轮子4-5，滑块或轮子4-5设有凹槽，导轨4-1顶部沿长度方向设有纵向脊，导轨4-1的纵向脊与滑块或轮子的凹槽咬合。
卧式混合罐3固定于往复运动装置4的滑动架4-9上；驱动装置4-8与底座I4-3或底座II4-6相连。卧式混合罐3内部可以设置导流板。
本发明的混合反应器中，进料软管和出料软管的材质根据物料性质确定，一般可采用橡胶软管、塑料软管、波纹软管以及金属软管等。软管具有一定长度，保证在混合罐往复运动过程中软管始终具有一定的松弛度，以免造成软管损伤或与混合罐及物料进出口连接处发生泄漏。其中进料口与出料口优选位于同一水平轴线上。
本发明的混合反应器中，卧式混合罐封头可以为椭圆形、蝶形、锥形、球冠形或平顶封头。
本发明的混合反应器中，卧式混合罐的容积根据实际情况而定。卧式混合罐的填充系数为0.6~0.8，其中所述的填充系数为混合罐内液体体积与混合罐容积之比。混合罐内设有液位检测装置7，通过液位检测来控制进料或出料速率，维持混合罐内的液位。
本发明的混合反应器中，滑块或轮子与导轨的接触面设有凹槽，导轨顶部沿长度方向设有纵向脊，导轨的纵向脊与滑块或轮子的凹槽咬合，保证滑块或轮子在驱动装置的作用下沿导轨长度方向直线运动。
本发明的混合反应器中，滑块或轮子对称布置，个数至少为2对，优选2-4对。滑块与连接板之间可以焊接也可以螺纹连接；每对轮子与一根横轴固定连接，轴与连接板之间经轴承连接。
本发明的混合反应器中，导轨要具有一定的导向精度，运动应轻便平稳；要具有足够的刚度，以承受外载。导轨还应具有良好的耐磨性，导轨在使用过程中，应使磨损量较小，且磨损后能自动补偿或便于调整，导轨与滑块或轮子之间滑动或滚动的接触面应足够光滑，减小摩擦阻力。
本发明的混合反应器中，连接底座与固定座之间的弹簧具有足够的刚性和劲度系数，弹簧钢丝的直径、弹簧直径、弹簧节距及弹簧材料依照具体实际情况而定。
本发明的混合反应器中，两根平行导轨的纵向脊的间距为混合罐直径的1.1-1.5倍，优选1.2-1.4倍，导轨的两端与固定座外端平齐或略超过固定座外端。
本发明的混合反应器中，卧式混合罐与滑动架的两块连接板固定连接。可以将连接板与混合罐焊接；或在连接板上设置凸起，将混合罐卡住；也可以在混合罐上焊垫板，再将垫板与连接板螺栓连接。
本发明的混合反应器中，导轨左右两端固定座之间的范围为滑动架的往复运动空间；滑动架上的卧式混合罐沿导轨在左右两端固定座之间做往复直线运动，底座I与底座II在往复运动过程中周期性地碰撞并接触。
本发明的混合反应器中，连接板长度略大于混合罐长度，优选为混合罐长度的1.1-1.2倍。
本发明的混合反应器中，同一根导轨左右两端的固定座之间的距离不小于与固定座对应的底座I间距的1.1倍，优选1.1-1.3倍。
本发明的混合反应器中，驱动装置可以使用电动、气动、液压驱动或磁力驱动等；当采用电动、气动及液压驱动时，驱动装置与底座I 4-3连接，作用于底座I4-3，当采用磁力驱动时，驱动装置优选与底座II 4-6相连，通过不断反向驱动或变换磁极方向，使混合罐进行往复变速直线运动。
在驱动装置作用下，混合罐进行左右往复变速直线运动。在驱动装置作用下，卧式混合罐进行往复变速直线运动；首先，卧式混合罐在驱动力作用下向一侧移动，该侧的底座I与导轨上的底座II接触后，底座II与固定座之间的弹簧不断被压缩产生弹性变形，卧式混合罐的动能转化为弹簧的弹性势能；弹簧逐渐被压缩，卧式混合罐在弹簧力的作用下，卧式混合罐的速度减至零；然后，卧式混合罐在该侧驱动力及被压缩弹簧的弹力作用下向另一侧加速运动，当另一侧的底座I与导轨上的底座II刚接触时，卧式混合罐达到最大速度，随着底座II与固定座之间的弹簧不断被压缩，在弹簧弹性力的作用下，卧式混合罐开始减速运动，卧式混合罐的速度又减至零；在驱动力及弹簧弹力的作用下混合罐再次改变运动方向，卧式混合罐如此周期往复运动，使罐内的物料与反应器内壁、混合物料之间不断在各个位置各个方向相互撞击，促进物料混合，强化物料传质，提高物料之间的反应效率。往复运动的频率与距离相关，优选5~200次/秒。
本发明的混合反应器通过驱动混合罐进行高频率往复变速直线运动，在运动区间内，混合罐在驱动装置及弹簧弹性力的综合作用下，进行先加速再减速至零，再反向加速、减速的周期性高频率往复变速直线运动。在上述的周期性运动过程中，罐内物料自身惯性力作用，物料与混合罐内壁之间、以及混合物料之间不断在各个位置各个方向相互撞击，避免了死区的存在，而且液液接触面不断变化，增强了反应器的微观返混作用，可以达到分子级别的混合效果，从而实现两种物料间大范围的强化传质与反应，使物料在混合罐内各个位置各个方向都得以充分混合并反应，加快了反应速率，大大缩短了反应时间，提高了传质和生产效率。可应用于石油化工与环保等领域，采用间歇式操作和连续式操作均可稳定运行，优先选用连续式操作。克服了目前常用撞击流反应器仅主撞击区混合情况好、其他区域混合较弱的缺点以及撞击流反应器不适于连续操作的缺点，可以长期平稳高效地运行。
本发明的混合反应器可以应用于液-液反应以及以液体为连续相的液-气、液-固或气-液-固反应，尤其适用于反应物料间不易互溶、需强化传质的反应，如制取生物柴油的反应。
附图说明
图1为本发明中的混合反应器的主视图。
图2为本发明中的混合反应器的俯视图。
其中1-进料；2-进料软管；3-混合罐；4-往复运动装置；5-出料软管；6-出料；7-液位检测装置；
往复运动装置4包括：4-1-导轨、4-2-弹簧、4-3-底座I、4-4-连接板、4-5-滑块或轮子、4-6-底座II、4-7-固定座、4-8-驱动装置、4-9-滑动架。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的混合反应器的结构和功能。
本发明的混合反应器，包括卧式混合罐3、进料软管2、出料软管5和往复运动装置4；卧式混合罐3的两端分别设置进料口和出料口，进料软管2的一端连接卧式混合罐进料口，另一端连接进料1，出料软管5的一端连接卧式混合罐的出料口，另一端连接出料6。
所述的往复运动装置4包括两根平行的导轨4-1、弹簧4-2、滑块或轮子4-5、底座II4-6、固定座4-7、驱动装置4-8和滑动架4-9；其中滑动架4-9包括底座I4-3和连接板4-4；两根平行的导轨4-1水平放置，固定座4-7对称固定于两根导轨4-1左右两端的内侧（即每根导轨左右两端各固定一个固定座4-7），固定座4-7与底座II 4-6之间通过弹簧4-2连接；滑动架4-9与4个固定座处于同一平面，为左右两侧2个垂直导轨方向的底座I 4-3及平行于导轨的两个连接板4-4构成的矩形结构；其中底座I 4-3为长条形，长度略小于两根平行导轨4-1的间距，连接板4-4下方安装滑块或轮子4-5，滑块或轮子4-5设有凹槽，导轨4-1顶部沿长度方向设有纵向脊，导轨4-1的纵向脊与滑块或轮子的凹槽咬合。
为进一步描述工作过程，将左侧各个部件的标号标记为A，将右侧各个部件的标号标记为B，如左侧的底座I标记为4-3A，而右侧的底座I标记为4-3B。
在驱动装置作用下，混合罐进行左右往复变速直线运动。以气动驱动装置为例，首先，右侧气压缸4-8B推动右侧底座I4-3B，使混合罐在驱动力作用下向左移动，连接板左边的底座I 4-3A与导轨上的底座II 4-6A接触后，底座II 4-6A与固定座4-7A之间的弹簧不断被压缩产生弹性变形，混合罐的动能转化为弹簧的弹性势能。此时，弹簧逐渐被压缩，混合罐在弹簧力的作用下，开始减速向左运动。当弹簧的弹性变形达到压缩极限时，混合罐的速度减至零。然后，左侧气压缸4-8A推动左侧底座I4-3A，同时，在被压缩弹簧的压缩力作用下，混合罐向右加速运动，此时弹簧的弹性势能开始逐渐转变为混合罐的动能。在连接板右边的底座I4-3B与导轨上的底座II4-6B刚接触时，混合罐达到最大速度。随着底座II4-6B与固定座4-7B之间的弹簧不断被压缩，在弹簧弹性力的作用下，混合罐开始向右减速运动，当弹簧的弹性变形达到压缩极限时，混合罐的速度又减至零。在气压缸及弹簧压缩力的作用下混合罐再次改变运动方向，混合罐如此周期往复运动，使罐内的物料与反应器内壁、混合物料之间不断在各个位置各个方向相互撞击，强化液体表面更新，促进物料混合，强化物料传质，提高物料之间的反应效率。
以磁力驱动装置为例，首先，左右两侧的底座II4-6A、4-6B均为N极，而混合罐左边底座4-3A为S极、右边底座4-3B为N极。在磁场同性相斥、异性相吸的作用下，混合罐向左移动，连接板左边的底座I4-3A与导轨上的底座II4-6A接触后，底座II4-6A与固定座4-7A之间的弹簧不断被压缩产生弹性变形，混合罐的动能转化为弹簧的弹性势能。此时，弹簧逐渐被压缩，混合罐在弹簧力的作用下，开始减速向左运动。当弹簧的弹性变形达到压缩极限时，混合罐的速度减至零。然后，改变底座II4-6的磁极，使左右两侧的底座II4-6A、4-6B均为S极，混合罐左边底座I4-3A为S极，引力变为斥力；右边底座I4-3B为N极，斥力变为引力。同时，在被压缩弹簧的压缩力作用下，混合罐向右加速运动，此时弹簧的弹性势能开始逐渐转变为混合罐的动能。在连接板右边的底座I4-3B与导轨上的底座II4-6B刚接触时，混合罐达到最大速度。随着底座II4-6B与固定座4-7B之间的弹簧不断被压缩，在弹簧弹性力的作用下，混合罐开始向右减速运动，当弹簧的弹性变形达到压缩极限时，混合罐的速度又减至零。在磁场力及弹簧压缩力的作用下混合罐再次改变运动方向，混合罐如此周期往复运动，使罐内的物料与反应器内壁、混合物料之间不断在各个位置各个方向相互撞击，强化液体表面更新，促进物料混合，强化物料传质，提高物料之间的反应效率。
实施例1
以制备生物柴油为例，将甲醇和棉籽油作为制备生物柴油的原料。原料中甲醇和棉籽油的摩尔比为10：1（催化剂含量为进料总质量的1.0%以下）。卧式混合罐的填充系数为0.8，每小时进料量和出料量均为混合罐体积的1/20。将大豆油、甲醇和催化剂一起通入混合反应器中，在卧式混合罐中发生酯交换反应。卧式混合罐进行往复变速直线运动的位移是反应器长度的2倍，往复运动频率为60次/秒，反应时间为1h。从产品罐出口管道流出的反应产物通过静置分离，得到脂肪酸酯相（上层），利用气相色谱仪分析，测得脂肪酸甘油三酯转化率为100%，脂肪酸酯相中甲酯的含量为94.2%。
对比例1
专利CN1952048A公开了一种生物柴油的生产方法，将甲醇和棉籽油作为制备生物柴油的原料，甲醇和棉籽油的摩尔比为10：1（催化剂含量为进料总质量的1.0%以下），甲醇和棉籽油的进料速率等于撞击流反应体积（即进料体积空速为1h-1，也即反应时间为1h）。甲醇和棉籽油在中间罐内预混后，通过泵打入撞击流反应器，通过撞击发生酯交换反应，循环物料量为进料量的95%。从静态混合器出料口流出的反应产物通过静置分离，得到脂肪酸酯相（上层），利用气相色谱仪分析，测得脂肪酸甘油三酯转化率为100%，脂肪酸酯相中甲酯的含量为91.1%。

Claims (16)

1.一种混合反应器，其特征在于包括：卧式混合罐（3）、进料软管（2）、出料软管（5）和往复运动装置（4）；卧式混合罐（3）的两端分别设置进料口和出料口，进料软管（2）的一端连接卧式混合罐进料口，另一端连接进料（1），出料软管（5）的一端连接卧式混合罐的出料口，另一端连接出料（6）；往复运动装置（4）包括两根平行的导轨（4-1）、弹簧（4-2）、滑块或轮子（4-5）、底座II（4-6）、固定座（4-7）、驱动装置（4-8）和滑动架（4-9）；其中滑动架（4-9）包括底座I（4-3）和连接板（4-4）；两根平行的导轨（4-1）水平放置，固定座（4-7）对称固定于两根导轨（4-1）左右两端的内侧，每根导轨左右两端各固定一个固定座（4-7），固定座（4-7）与底座II（4-6）之间通过弹簧（4-2）连接；滑动架（4-9）与4个固定座（4-7）处于同一平面，为左右两侧2个垂直导轨方向的底座I（4-3）及平行于导轨的两个连接板（4-4）构成的矩形结构；其中底座I（4-3）为长条形，长度略小于两根平行导轨（4-1）的间距，连接板（4-4）下方安装滑块或轮子（4-5），滑块或轮子（4-5）设有凹槽，导轨（4-1）顶部沿长度方向设有纵向脊，导轨（4-1）的纵向脊与滑块或轮子的凹槽咬合；卧式混合罐（3）固定于往复运动装置（4）的滑动架（4-9）上；驱动装置（4-8）与底座I（4-3）或底座II（4-6）相连。
2.按照权利要求1所述的混合反应器，其特征在于：卧式混合罐内部设置导流板。
3.按照权利要求1所述的混合反应器，其特征在于：卧式混合罐的填充系数为0.6~0.8，其中所述的填充系数为混合罐内液体体积与混合罐容积之比。
4.按照权利要求1所述的混合反应器，其特征在于：卧式混合罐内设有液位检测装置。
5.按照权利要求1所述的混合反应器，其特征在于：滑块或轮子对称设置，个数至少为2对。
6.按照权利要求1所述的混合反应器，其特征在于：两根平行导轨的纵向脊的间距为混合罐直径的1.1-1.5倍，导轨的两端与固定座外端平齐或略超过固定座外端。
7.按照权利要求1所述的混合反应器，其特征在于：卧式混合罐与滑动架的两块连接板固定连接。
8.按照权利要求1所述的混合反应器，其特征在于：连接板长度为混合罐长度的1.1-1.2倍。
9.按照权利要求1所述的混合反应器，其特征在于：同一根导轨左右两端的固定座之间的距离为与固定座对应的底座I间距的1.1-1.3倍。
10.按照权利要求1所述的混合反应器，其特征在于：导轨左右两端固定座之间的范围为滑动架的往复运动空间；滑动架上的卧式混合罐沿导轨在左右两端固定座之间做往复直线运动，底座I与底座II在往复运动过程中周期性碰撞。
11.按照权利要求1所述的混合反应器，其特征在于：驱动装置使用电动、气动、液压驱动或磁力驱动中一种。
12.按照权利要求11所述的混合反应器，其特征在于：当采用电动、气动及液压驱动时，驱动装置与底座I 4-3连接。
13.按照权利要求11所述的混合反应器，其特征在于：当采用磁力驱动时，驱动装置与底座II 4-6相连。
14.按照权利要求1所述的混合反应器，其特征在于：在驱动装置作用下，卧式混合罐进行往复变速直线运动；首先，卧式混合罐在驱动力作用下向一侧移动，该侧的底座I与导轨上的底座II接触后，底座II与固定座之间的弹簧不断被压缩产生弹性变形，卧式混合罐的动能转化为弹簧的弹性势能；弹簧逐渐被压缩，卧式混合罐在弹簧力的作用下，卧式混合罐的速度减至零；然后，卧式混合罐在该侧驱动力及被压缩弹簧的弹力作用下向另一侧加速运动，当另一侧的底座I与导轨上的底座II刚接触时，卧式混合罐达到最大速度，随着底座II与固定座之间的弹簧不断被压缩，在弹簧弹性力的作用下，卧式混合罐开始减速运动，卧式混合罐的速度又减至零；在驱动力及弹簧弹力的作用下混合罐再次改变运动方向，卧式混合罐如此周期往复运动。
15.按照权利要求14所述的混合反应器，其特征在于：往复运动的频率为5~200次/秒。
16.一种权利要求1~15所述的混合反应器在液-液反应以及以液体为连续相的液-气、液-固或气-液-固反应中的应用。
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