CN108236910B - 一种搅拌装置和一种卧式双轴自清洁反应器 - Google Patents

一种搅拌装置和一种卧式双轴自清洁反应器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种搅拌装置，包括两个转轴，转轴上沿轴向固定有多个相同的搅拌盘，所述搅拌盘由多个相同的沿径向布置的搅拌杆和连接两个相邻搅拌杆的固定杆组成，所述搅拌杆包括沿径向布置的支撑杆和垂直设置在支撑杆上的两个或多个搅拌桨叶，其中一个搅拌桨叶位于所述支撑杆末端，两个转轴上的搅拌盘交错布置。本发明还提供了一种基于上述搅拌装置的卧式双轴自清洁反应器，相比于传统卧式双轴反应器，本发明结构简单，具有更大的反应空间，物料在釜体内做剪切拉伸流，可适应不同粘度的流体；停留时间可控；与传统的卧式双轴反应器相比，可实现釜体内全反应区域的相互刮擦，自清洁效果强；反应能耗低，混合效率高。

Description

一种搅拌装置和一种卧式双轴自清洁反应器
技术领域
本发明涉及一种搅拌装置和一种卧式双轴自清洁反应器。
背景技术
对于高粘聚合反应过程而言，反应后期体系的粘度随着反应的进行而不断增大，有数十毫帕秒最终甚至可达到数十万毫帕秒，此时物料的流动变得极为困难，对于高沸点物料，尤其是同时具有高粘度、高凝固点、高热敏性特点的重质焦油或酚焦油、煤焦油、高分子等类似物料，通常会出现在高温下发泡或膨化，有的还甚至会出现流变固化的现象。对于常规的搅拌反应器，由于物料的粘度较大，温度很高，流动性差，容易在反应器釜体内结块，形成死区，造成碳化或者膨胀导致局部反应温度过高，聚合物分子量失控，使操作无法正常进行。所以常规的搅拌反应器已经不能适用于缩聚反应的终缩聚过程，需要设计一种能够适应宽粘度变化，具备自清洁功能的搅拌反应器，以达到提到缩聚反应混合效率的的目的。
利用卧式双轴自清洁反应器，不仅可以对产物进行高效混合，而且停留时间可控，双轴上的搅拌杆在转动过程中相互啮合，互相刮擦，使得粘附在轴上和壁上的高粘流体能快速被清理。中国专利(CN201210186362.5,2012；CN201110215103.6,2011)等对搅拌器进行了改进，能够很好的避免高粘物料粘附在反应器与釜体上，提高了混合效率，一定程度上避免了死区的出现，同时，反应空间也大大提高。但是，其缺陷在于，由于在搅拌杆上只设置有一层搅拌桨叶，混合效率随着釜体直径的增大而减小，如果应用于工业大装置上，由于搅拌桨叶体积过于庞大，装置正常运行时会导致消耗的功率剧增而使成本攀升。同样的，双螺杆挤出机常用于高粘聚合物加工。在其中，产物会被压向容器壁并在该处产生摩擦。此时，螺杆侧面沿螺杆的传送方向推动由于壁摩擦而受到阻碍的产物。但是其缺陷在于停留时间短，不适用于反应速度较慢的反应，同时输送率随着螺杆直径的增大而呈平方递增。倘若构建较大的料筒，为设定较高的填充度则要求螺纹距极小。因此导致轴体积庞大且沉重，这会严重限制双螺杆挤出机的实际工业应用。
为了解决这类问题，提出了带有沿径向分布的多层搅拌桨叶的卧式双轴自清洁反应器，由于在转轴支撑杆上设置有多层的搅拌桨叶，利用每层桨叶之间的互相清洁可以大大降低搅拌桨叶的质量与体积。与传统的卧式双轴反应器与双螺杆挤出机相比，能够做到釜体内部全反应区域刮扫，无死区，而且剪切分布更加均匀，混合效率更高，反应能耗低，尤其适用于工业大型装置。
发明内容
为克服以上现有技术的缺陷，提供了一种搅拌装置，基于该搅拌装置，本发明还提供一种能够增强物料轴向流动，且具有很强自清洁效果，减少热敏损失，提高传热效率和混合效率，降低能耗，减少废物排放，保证系统能够连续稳定安全运行的卧式双轴自清洁反应器。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种搅拌装置，包括第一转轴和第二转轴，第一转轴上，沿轴向固定有多个相同的第一搅拌盘，所述第一搅拌盘由多个相同的沿径向布置的第一搅拌杆和连接两个相邻第一搅拌杆的第一固定杆组成，所述第一搅拌杆包括沿径向布置的第一支撑杆和垂直设置在支撑杆上的两个或多个第一搅拌桨叶，其中一个第一搅拌桨叶位于所述第一支撑杆末端；
在第二转轴上，沿轴向固定有多个相同的第二搅拌盘，所述第二搅拌盘由多个相同的沿径向布置的第二搅拌杆和连接两个相邻第二搅拌杆的第二固定杆组成，所述第二搅拌杆包括沿径向布置的第二支撑杆和垂直设置在二支撑杆上的两个或多个第二搅拌桨叶，其中一个第二搅拌桨叶位于所述第二支撑杆末端；
第一搅拌盘和第二搅拌盘之间交错设置，具体为：第一支撑杆和第二支撑杆沿轴向交错布置，第一搅拌桨叶和第二搅拌桨叶沿径向交错布置。
进一步地，所述支撑杆最外端的搅拌桨叶呈直角三棱柱结构，其中一个直角面垂直于转轴的转动方向，且为受力面。
进一步地，所述第一搅拌盘中的搅拌杆数和第二搅拌盘中的搅拌杆数之比与第一转轴和第二转轴的转速之比成反比。
进一步地，支撑杆上的搅拌桨叶数目为2-50层，优选2-10层。
一种卧式双轴自清洁反应器，包括釜体和电动机，在所述的釜体顶部分别设置有物料进口、气体出口，在釜体底部设置有物料出口；所述搅拌装置的两个转轴分别固定在所述釜体的半釜中心位置，且与所述电动机相连。
本发明有益效果在于：在转轴上设置带有沿径向分布的多层搅拌桨叶的搅拌盘片，每层桨叶之间间隔一定的距离，可以使得两转轴中间区域剪切能力大大增强(图9)，同时，也具有更好的自清洁效果，实现釜体全反应区域互相刮擦；搅拌桨叶为三角形或多边形，支撑杆为方形截面或圆形截面，固定杆为正多边形，用来固定搅拌盘上的零部件。整个搅拌盘为网状，不仅有利于反应后期聚合物的脱挥，而且大大减少了对物料轴向流动的阻碍，强化了搅拌混合效果，最外层桨叶可以产生很强的剪切力，同时可以清洁釜壁上的粘结物，而其余桨叶则可以清洁另一转轴上多层桨叶表面的流体，由于两转轴桨叶间距小，多层搅拌桨叶的设置可以更好的清洁桨叶、釜壁、转轴、搅拌杆与固定杆上粘结的物料，同时产生强劲的剪切力，能有效破碎结焦物质，使釜内气液相界面能多次快速地被更新。
总之，本发明为一个带有沿径向分布的多层搅拌桨叶的卧式双轴自清洁反应器，由于多层搅拌桨叶的设置，使得反应器剪切速率更强，同时具有很强的自清洁能力，可以适用于高粘聚合反应过程。
附图说明
图1为本发明一种带有沿径向分布的双层搅拌桨叶的卧式双轴自清洁反应釜的主视图；
图2表示带有沿径向分布的双层搅拌桨叶的卧式双轴自清洁反应器的正视图，箭头方向为转轴旋转方向；
图3表示与图2类似的带有沿径向分布的三层搅拌桨叶的卧式双轴自清洁反应器的正视图；
图4表示带有沿径向分布的三层搅拌桨叶的卧式双轴自清洁反应器的部分剖面图；
图5表示带有沿径向分布的三层搅拌桨叶的卧式双轴自清洁反应器刮刀的部分侧视图；
图6表示中国专利(CN200980137239.5,2009)中双轴反应器的空间相对运动轨迹示意图；
图7表示带有沿径向分布的双层搅拌桨叶的卧式双轴自清洁反应器空间相对运动轨迹示意图；
图8表示带有沿径向分布的三层搅拌桨叶的卧式双轴自清洁反应器空间相对运动轨迹示意图；
图9表示带有沿径向分布的双层搅拌桨叶的卧式双轴自清洁反应器Z＝0.05m剪切速率分布示意图；
图10表示带有沿径向分布的双层搅拌桨叶的卧式双轴自清洁反应器与传统反应器轴向剪切速率比较；
图中，1气体出口、2物料进口、3釜体、4电动机、5物料出口、6工作平台、7支架、8.1第一转轴、8.2第二转轴、9壳体、10.1第一搅拌桨叶、10.2第二搅拌桨叶、11.1第一固定杆、11.2第二固定杆、12.1第一支撑杆、12.2第二支撑杆、13装料口、14卸料口。
具体实施方式
如图2所示，一种搅拌装置，包括第一转轴8.1和第二转轴8.2，第一转轴8.1上，沿轴向固定有多个相同的第一搅拌盘，所述第一搅拌盘由多个相同的沿径向布置的第一搅拌杆和连接两个相邻第一搅拌杆的第一固定杆11.1组成，所述第一搅拌杆包括沿径向布置的第一支撑杆12.1和垂直设置在支撑杆12.1上的两个或多个第一搅拌桨叶10.1，其中一个第一搅拌桨叶10.1位于所述第一支撑杆12.1末端；如此，整个搅拌盘呈网状，既有利于反应后期小分子的脱除，同时也可以很好的减小物料在釜内流动的阻力，促进物料的轴向运动。
在第二转轴8.2上，沿轴向固定有多个相同的第二搅拌盘，所述第二搅拌盘由多个相同的沿径向布置的第二搅拌杆和连接两个相邻第二搅拌杆的第二固定杆11.2组成，所述第二搅拌杆包括沿径向布置的第二支撑杆12.2和垂直设置在第二支撑杆12.2上的两个或多个第二搅拌桨叶10.2，其中一个第二搅拌桨叶10.2位于所述第二支撑杆12.2末端；
其中，每个搅拌盘上的各个桨叶间距可以设置成等间距或不等间距。
第一搅拌盘和第二搅拌盘之间交错设置，具体为：第一支撑杆12.1和第二支撑杆12.2沿轴向交错布置，第一搅拌桨叶10.1和第二搅拌桨叶10.2沿径向交错布置。
本发明通过设置多层带有沿径向分布的多层搅拌桨叶的搅拌盘片，每层桨叶之间间隔一定的距离，可以使得两转轴中间区域剪切能力大大增强，同时，也具有更好的自清洁效果，实现釜体全反应区域互相刮擦；搅拌桨叶为三角形或多边形，支撑杆为方形截面或圆形截面，固定杆为正多边形，用来固定搅拌盘上的零部件。整个搅拌盘为网状，不仅有利于反应后期聚合物的脱挥，而且大大减少了对物料轴向流动的阻碍，强化了搅拌混合效果，最外层桨叶可以产生很强的剪切力，同时可以清洁釜壁上的粘结物，而其余桨叶则可以清洁另一转轴上多层桨叶表面的流体，由于两转轴桨叶间距小，多层搅拌桨叶的设置可以更好的清洁桨叶、釜壁、转轴、搅拌杆与固定杆上粘结的物料，同时产生强劲的剪切力，能有效破碎结焦物质，使釜内气液相界面能多次快速地被更新。
作为优选的方案，所述支撑杆最外端的搅拌桨叶呈直角三棱柱结构，其中一个直角面垂直于转轴的转动方向，且为受力面。在转轴转动过程中，直角面既能将釜壁上粘结物清理干净，又能形成强剪切速率，将物料破碎。
作为优选的方案，所述第一搅拌盘中的搅拌杆数与第二搅拌盘中的支撑杆数之比与第一转轴和第二转轴的转速之比成反比。例如，第一转轴8.1与第二转轴8.2上的搅拌盘上支撑杆数目之比为1:1,、2:1、3:2、5:4、6:5、7:6、8；7，而转速之比为1:1、1:2、2:3、4:5、5:6、6:7、7:8。
如图1所述，本发明还提供一种上述搅拌装置的反应釜，包括釜体3、电动机4、工作平台6和支架7，在所述的釜体顶部分别设置有物料进口2、气体出口1，在釜体3底部设置有物料出口5；所述搅拌装置的两个转轴分别固定在所述釜体3的半釜中心位置，且与所述电动机相连。
待处理产品通过物料进口2进入壳体9的内部并且由第一转轴8.1和第二转轴8.2上旋转的搅拌盘控制。然后通过该搅拌盘对产品进行剪切和破碎，从而使其与催化剂，引发剂，溶剂及添加剂等充分混合。搅拌盘上搅拌桨叶数目多的为第一转轴8.1，而搅拌盘上搅拌桨叶数目少的为第二转轴8.2。
图2中，第一搅拌盘上每层搅拌桨叶数目与第二搅拌盘每层搅拌桨叶数目之比为5:4，则两转轴转速之比为4:5。物料从第二转轴的装料口13进入壳体内部，由于第二转轴转速大于第一转轴，物料从第二转轴顶部流向底部然后从第二转轴底部被搅拌桨叶传送到第一转轴底部，于此同时，第一转轴顶部物料流向第二转轴顶部，而第一转轴底部的物料被搅拌桨叶带入顶部，形成循环。
下面结合实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1：双轴反应器的自清洁过程
反应器结构与原理如上所述，两转轴转速比为4:5，转轴搅拌盘支撑杆之比5:4。以中国专利(CN201210186362.5,2012)中所述反应器与带有沿径向分布的双层和三层搅拌桨叶的卧式双轴自清洁反应器对比，得到第二转轴上搅拌桨叶相对于第一转轴的相对运动轨迹示意图。相较于传统单层卧式双轴自清洁搅拌反应器，带有沿径向分布的双层搅拌桨叶的卧式双轴自清洁反应器由于桨叶片更多，且为多层上下分布，当绕着转轴旋转时，能够最大范围的对釜体整个空间进行自清洁。由图6-8可知，带有双层的双轴反应器能够清理到的区域占总反应器体积的比例比传统单层桨叶更高，而且随着桨叶层数的叠加，反应器中能够被刮擦清理到的体积占总体积的比重来越大。
实施例2：聚对苯二甲酰对苯二胺的终缩聚过程
在聚对苯二甲酰对苯二胺的聚合过程后期，反应体系粘度非常大，传统反应器很难达到产品指标。反应器结构与原理如上所述，部分反应器结构参数如下：第一转轴与第二转轴上搅拌桨叶长度为40-80mm，而两轴上的搅拌桨叶间隔排列，转轴搅拌盘间距为30-80mm，转轴上沿径向分布的搅拌桨叶之间的间距为30-80mm。由于采用双层桨叶，使得釜中间两桨叶互相交错时，剪切速率达到最大，流场中的流体都能经历最大剪切过程。采用计算流体力学数值模拟比较双层反应器与瑞士List的单层反应器(CN200980137239.5,2009)，由图10可知，双层搅拌反应器平均剪切速率比List反应器大10％以上。

Claims (6)

1.一种搅拌装置，其特征在于，包括第一转轴（8.1）和第二转轴（8.2），第一转轴（8.1）上，沿轴向固定有多个相同的第一搅拌盘，所述第一搅拌盘由多个相同的沿径向布置的第一搅拌杆和连接两个相邻第一搅拌杆的第一固定杆（11.1）组成，所述第一搅拌杆包括沿径向布置的第一支撑杆（12.1）和垂直设置在支撑杆（12.1）上的两个或多个第一搅拌桨叶（10.1），其中一个第一搅拌桨叶（10.1）位于所述第一支撑杆（12.1）末端；
在第二转轴（8.2）上，沿轴向固定有多个相同的第二搅拌盘，所述第二搅拌盘由多个相同的沿径向布置的第二搅拌杆和连接两个相邻第二搅拌杆的第二固定杆（11.2）组成，所述第二搅拌杆包括沿径向布置的第二支撑杆（12.2）和垂直设置在二支撑杆（12.2）上的两个或多个第二搅拌桨叶（10.2），其中一个第二搅拌桨叶（10.2）位于所述第二支撑杆（12.2）末端；
第一搅拌盘和第二搅拌盘之间交错设置，具体为：第一支撑杆（12.1）和第二支撑杆（12.2）沿轴向交错布置，第一搅拌桨叶（10.1）和第二搅拌桨叶（10.2）沿径向交错布置。
2.根据权利要求1所述的搅拌装置，其特征在于，所述支撑杆最外端的搅拌桨叶呈直角三棱柱结构，其中一个直角面垂直于转轴的转动方向，且为受力面。
3.根据权利要求1所述的搅拌装置，其特征在于，所述第一搅拌盘中的搅拌杆数和第二搅拌盘中的搅拌杆数之比与第一转轴和第二转轴的转速之比成反比。
4.根据权利要求1所述的搅拌装置，其特征在于，支撑杆上的搅拌桨叶数目为2-50层。
5.根据权利要求4所述的搅拌装置，其特征在于，支撑杆上的搅拌桨叶数目优选2-10层。
6.一种包含权利要求1所述搅拌装置的卧式双轴自清洁反应器，包括釜体（3）和电动机（4），在所述的釜体顶部分别设置有物料进口（2）、气体出口（1），在釜体（3）底部设置有物料出口（5）；所述搅拌装置的两个转轴分别固定在所述釜体（3）的半釜中心位置，且与所述电动机相连。
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