CN111111597A - 一种旋涡反应器及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种旋涡反应器，包括：反应容器以及设置在所述反应容器内部的转子和静子，反应容器为圆筒状，所述静子和转子为按一定径向间距同轴心排列的多层嵌套圆筒，静子与转子之间构成多个独立且相互连通的环隙。本发明能够充分利用反应器体积，延长物料的停留，可控调节环隙中流体剪切应力，以满足反应物与生成物在不同反应阶段时对流动、剪切与混合的特别需求，此外还可以强化混合、悬浮，确保工业规模上的应用。
Description
技术领域
本发明涉及机械搅拌反应装置技术领域，特别涉及一种旋涡反应器及其使用方法。
背景技术
机械搅拌反应器是化工生产中常用的设备，主要包括容器、电机驱动装置和搅拌转子，常用的搅拌转子是各种形状的叶轮。当搅拌转子旋转时，容器中的物料在搅拌转子驱动下运动，形成各种尺寸的涡旋，实现物质的传递、混合与反应。反应器容器与搅拌转子的结构是控制容器中的物料的流型、速度大小与方向、多尺度涡旋动力学行为的关键因素，直接影响混合、化学反应速率和转化率，乃至分子结构等。常见的机械搅拌反应器有叶轮式搅拌反应器，叶轮式搅拌反应器具有结构简单，使用范围广，造价低，混合速度快等优点，但是叶轮式搅拌反应器内流场结构复杂、局部混合、能耗分布和剪切速率的空间分布严重不均匀，如叶轮附近的剪切速率极高，而其它主体区域的剪切速率低。针对叶轮搅拌反应器的缺点，开发出泰勒反应器，该类反应器具有流形可控、局部混合快、流场剪切均匀等优势，但是传统泰勒反应器也具有显著的缺点，其一是反应器容器的大部分体积被搅拌内筒占据，流体反应空间的有效体积小，其二是反应器内流动形态与流体剪切特性单一。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种旋涡反应器及其使用方法，以克服有效反应空间体积小，以及反应器内流动形态与流体剪切特性单一的问题。
在一方面，本发明提供一种旋涡反应器，包括：反应容器以及设置在所述反应容器内部的转子和静子，所述反应容器为圆筒形结构，所述反应容器的中心设置有转轴，所述转轴与所述转子固定连接，所述静子固定于所述反应容器的底部，与所述转子同轴连接；
所述静子和所述转子为同轴心排列的多层嵌套圆筒结构，所述静子的各层圆筒套装在所述转子的各层圆筒的内侧，所述静子的各层圆筒与所述转子的各层圆筒之间构成多个独立且相互连通的环隙。
根据本发明的一个具体实施例，所述反应容器的底部设置有多个进料口，所述多个进料口设置于所述静子的各层圆筒之间，并且沿所述环隙的圆周均匀分布。
根据本发明的一个具体实施例，所述反应容器的底部设置有多个出料口，所述多个出料口设置于所述静子的最外两层圆筒之间，并且沿所述环隙的圆周均匀分布。
根据本发明的一个具体实施例，所述转子的各层圆筒的内壁表面与所述静子对应的各层圆筒的外壁表面相互贴合接触。
根据本发明的一个具体实施例，所述转子的顶端设置有圆形顶板，所述转子的各层圆筒与所述圆形顶板焊接连接或螺栓连接。
根据本发明的一个具体实施例，所述静子的底端设置有圆形底板，所述静子的各层圆筒与所述圆形底板焊接连接或螺栓连接。
根据本发明的一个具体实施例，所述环隙的宽度根据相邻圆筒的直径比例进行调节。
根据本发明的一个具体实施例，所述转子与所述静子的各层圆筒壁面上开设有多个出液孔，所述多个出液孔沿所述圆筒壁面底部均匀排列。
根据本发明的一个具体实施例，所述出液孔的形状为圆形、或者椭圆形、或者方形、或者三角形。
根据本发明的一个具体实施例，所述静子的各层圆筒高度相同，并且所述静子的各层圆筒顶部远离所述转子的圆形顶板，所述转子的各层圆筒高度相同，并且所述转子的各层圆筒底部远离所述静子的圆形底板。
本发明提供的一种旋涡反应器，结构简单，制作安装方便，利用静子与转子的多层嵌套圆筒结构设计，并利用离心力形成涡旋进行机械搅拌，能够充分有效的利用反应器体积，延长物料的停留时间，通过调节环隙间距可控调节环隙中的流体剪切应力，可以满足反应物与生成物在不同反应阶段时对流动、剪切与混合的特别需求。
附图说明
图1示出根据本发明一实施例的一种旋涡反应器结构示意图。
图2示出根据本发明一实施例的转轴与转子连接关系示意图。
图3示出根据本发明一实施例的转子结构示意图。
图4示出根据本发明一实施例的转子截面图。
图5示出根据本发明一实施例的静子结构示意图。
图6示出根据本发明一实施例的静子截面图。
图7示出根据本发明一实施例的装有内构建的套筒示意图。
附图标记：
1-反应容器；2-转轴；3-转子；4-静子；5-圆形顶板；6-转子套筒；7-出液孔；8-圆形底板；9-静子套筒；10-进料口；11-出料口；12-内构件；
具体实施方式
为了使本领域技术人员更加清楚地理解本发明的概念和思想，以下结合具体实施例详细描述本发明。应理解，本文给出的实施例都只是本发明可能具有的所有实施例的一部分。本领域技术人员在阅读本申请的说明书以后，有能力对下述实施例的部分或整体作出改进、改造、或替换，这些改进、改造、或替换也都包含在本发明要求保护的范围内。
在本文中，术语“第一”、“第二”和其它类似词语并不意在暗示任何顺序、数量和重要性，而是仅仅用于对不同的元件进行区分。在本文中，术语“一”、“一个”和其它类似词语并不意在表示只存在一个所述事物，而是表示有关描述仅仅针对所述事物中的一个，所述事物可能具有一个或多个。在本文中，术语“包含”、“包括”和其它类似词语意在表示逻辑上的相互关系，而不能视作表示空间结构上的关系。例如，“A包括B”意在表示在逻辑上B属于A，而不表示在空间上B位于A的内部。另外，术语“包含”、“包括”和其它类似词语的含义应视为开放性的，而非封闭性的。例如，“A包括B”意在表示B属于A，但是B不一定构成A的全部，A还可能包括C、D、E等其它元素。
在本文中，术语“实施例”、“本实施例”、“一实施例”、“一个实施例”并不表示有关描述仅仅适用于一个特定的实施例，而是表示这些描述还可能适用于另外一个或多个实施例中。本领域技术人员应理解，在本文中，任何针对某一个实施例所做的描述都可以与另外一个或多个实施例中的有关描述进行替代、组合、或者以其它方式结合，所述替代、组合、或者以其它方式结合所产生的新实施例是本领域技术人员能够容易想到的，属于本发明的保护范围。
实施例1
请参阅图1，本发明实施方式提供的一种旋涡反应器，所述反应器包括反应容器1，转轴2，转子3和静子4，所述反应容器1为圆筒形结构，底部设置有多个连通外部管道的进料口和出料口。在反应容器1的中心处设置有转轴2，如图2示出的根据本发明一实施例的转轴与转子连接关系示意图，所述转子3与转轴2同轴安装并固定连接，转轴2由电机带动旋转，转子3跟随转轴2的转动进行搅动，静子4固定在反应容器1的底部，与转轴2同轴安装。所述静子4和所述转子3为按一定径向间距同轴心排列的多层嵌套圆筒结构，所述静子4的各层圆筒套装在所述转子3的各层圆筒的内侧，转子3的各层圆筒的内壁表面与静子4的各层圆筒的外壁表面相互贴合接触，但不影响转子3与静子4的相对运动。所述静子4的各层圆筒顶部远离所述转子3的圆形顶板，同时所述转子3的各层圆筒底部远离所述静子4的圆形底板。所述静子4的各层圆筒与所述转子3的各层圆筒之间形成多个独立且相互连通的环隙，环隙的宽度可以根据相邻圆筒的直径比例进行调节，以供流体流动与反应。所述进料口设置在位于静子4的层层嵌套的圆筒之间，沿环隙周向均匀布置；所述出料口设置在位于静子4最外两层圆筒之间，沿环隙周向均匀排列多个，转子3与静子4的圆筒在靠近各自圆形底板处开有出液孔，在相邻环隙之间形成液体通道。优选地，本发明实施例在反应容器1中设置有1-20个转子3和1-20个静子4。
图5示出根据本发明一实施例的静子结构示意图，如图5所示，静子4由圆形底板8和静子套筒9构成，所述静子4的圆形底板8与静子套筒9通过焊接或螺栓实现连接，所述圆形底板8上设置有进料口10和出料口11，所述进料口10设置在静子套筒9的各层圆筒之间，沿圆周均匀分布，所述出料口11设置在所述静子套筒9的最外两层圆筒之间，沿环隙周向均匀排列多个。图6示出根据本发明一实施例的静子截面图，如图6所示，所述静子套筒9由按一定径向间距同轴心排列的多层嵌套圆筒构成，并且各层圆筒具有相同的高度，相邻圆筒之间的直径比例根据需要设定，直径比例范围设置在1.1-2之间。优选地，本发明实施例的静子4的内一层圆筒直径是外一层圆筒直径的0.5-0.95倍，最外层圆筒直径是最内筒圆筒直径的1-3倍。所述静子套筒9的材料可以是金属、塑料或其它材料，所述静子套筒9的各层圆筒的内壁面为光滑壁面，各层圆筒的外壁面可以是光滑壁面或粗糙壁面。所述静子套筒9在靠近圆形底板8的各层圆筒壁面上开设有多个出液孔，所述多个出液孔沿所述圆筒壁面底部均匀排列，优选地，本发明实施例的出液孔的数量在1-1000个之间。所述出液孔的形状可以是圆形、椭圆形、方形、三角形以及其他多边形，优选地，本发明实施例的出液孔的形状为圆形，或椭圆形，或方形，或三角形，出液孔的面积为0.1mm2-300mm2。所述静子套筒9的各层圆筒的外壁面可以安装各种内构件12，包括但不限于环形板、条、棒。
实施例2
为了使本领域技术人员更容易理解和实施本发明，以下通过一个实例详述本发明技术方案的一个使用方法。
图7示出根据本发明一实施例的装有内构建的套筒示意图，如图7所示，为了强化混合与控制返混，在静子4的各层圆筒的内壁面以及转子3的各层圆筒外壁面上的安装了各种类型的内构件12，在安装内构件12后，将反应液经过反应容器的进料口流入旋涡反应器的各个环隙之间，在转子圆筒的旋转运动诱导形成涡旋，进而发生混合与反应，并沿轴向运动，通过圆筒壁面上出液孔在相邻环隙之间流动，最后从出料口流出。
本发明提供的一种旋涡反应器，结构简单，制作安装方便，利用静子与转子的多层嵌套圆筒结构设计，并利用离心力形成涡旋进行机械搅拌，能够充分有效的利用反应器体积，延长物料的停留时间，通过调节环隙间距可控调节环隙中的流体剪切应力，可以满足反应物与生成物在不同反应阶段时对流动、剪切与混合的特别需求。
以上结合具体实施方式(包括实施例和实例)详细描述了本发明的概念、原理和思想。本领域技术人员应理解，本发明的实施方式不止上文给出的这几种形式，本领域技术人员在阅读本申请文件以后，可以对上述实施方式中的步骤、方法、装置、部件做出任何可能的改进、替换和等同形式，这些改进、替换和等同形式应视为落入在本发明的范围内。本发明的保护范围仅以权利要求书为准。
Claims (10)
1.一种旋涡反应器，其特征在于，包括：反应容器以及设置在所述反应容器内部的转子和静子，所述反应容器为圆筒形结构，所述反应容器的中心设置有转轴，所述转轴与所述转子固定连接，所述静子固定于所述反应容器的底部，与所述转子同轴连接；
所述静子和所述转子为同轴心排列的多层嵌套圆筒结构，所述静子的各层圆筒套装在所述转子的各层圆筒的内侧，所述静子的各层圆筒与所述转子的各层圆筒之间构成多个独立且相互连通的环隙。
2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述反应容器的底部设置有多个进料口，所述多个进料口设置于所述静子的各层圆筒之间，并且沿所述环隙的圆周均匀分布。
3.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述反应容器的底部设置有多个出料口，所述多个出料口设置于所述静子的最外两层圆筒之间，并且沿所述环隙的圆周均匀分布。
4.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述转子的各层圆筒的内壁表面与所述静子对应的各层圆筒的外壁表面相互贴合接触。
5.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述转子的顶端设置有圆形顶板，所述转子的各层圆筒与所述圆形顶板焊接连接或螺栓连接。
6.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述静子的底端设置有圆形底板，所述静子的各层圆筒与所述圆形底板焊接连接或螺栓连接。
7.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述环隙的宽度根据相邻圆筒的直径比例进行调节。
8.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述转子与所述静子的各层圆筒壁面上开设有多个出液孔，所述多个出液孔沿所述圆筒壁面底部均匀排列。
9.根据权利要求8所述的反应器，其特征在于，所述出液孔的形状为圆形、或者椭圆形、或者方形、或者三角形。
10.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述静子的各层圆筒高度相同，并且所述静子的各层圆筒顶部远离所述转子的圆形顶板，所述转子的各层圆筒高度相同，并且所述转子的各层圆筒底部远离所述静子的圆形底板。
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