CN111359466B - 强化两相混合传质的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及强化两相混合传质的装置与方法，提供了一种强化两相混合传质的装置，该装置包括：变径管道(1)，其上分别设置了连续相进口(3)和分散相进口(4)；与变径管道(1)连接的直管道(2)，其上设置了混合物料出口(5)；设置在所述变径管道(1)的小径管道内的旋转搅拌器(6)，该旋转搅拌器(6)与所述分散相进口(4)对齐；以及分别设置在所述直管道(2)的内部前端的一级螺旋混合内件(10)，内部中端的纤维混合内件(11)和内部后端的二级螺旋混合内件(12)。还提供了一种强化两相混合传质的方法。

Description

强化两相混合传质的装置与方法

技术领域

本公开属于流体混合设备技术领域，具体涉及一种强化两相混合传质的装置与方法。

背景技术

在石油化工等领域中，几种液体的混合，特别是两相的混合，经常是工业生产中的关键环节，比如萃取、乳化、酸碱中和、液体中有害物质的去除等等，液-液混合的是否均匀、传质的是否彻底往往关系到产品的生产或产品的质量。

管道混合器作为一种高效混合设备，其基本工作机理是利用固定在管内的混合单元体改变流体在管内的流动状态，以达到不同流体之间良好分散和充分混合的目的。现有技术中的管道混合器主要有两种形式，一种是将管道内部设置为螺旋结构或其他结构，如中国专利CN 206560803U和CN 103816822B，通过连续相在管道内螺旋流动促进两相液体的混合，此种方式虽结构简单，但受限于管道的内部有限空间，螺旋结构无法使得连续相发生较大的搅动和分散，进而分散相与连续相的混合不够充分，并且存在流动混合死角，易造成分散相的极大浪费。另一种是在管道内设置旋转轴，如中国专利申请CN 105396482 A和中国专利CN 101185860B，利用电机带动旋转轴的旋转来搅动连续相，进而促进连续相与分散相的混合，这种混合方式往往混合的较为充分均匀，但是旋转轴依靠电动设备带动旋转，不仅需构建较为复杂的动力设备，而且造价较高，耗能大，极大的增加了生产处理的成本。

基于以上的情况，本领域急需开发一种结构简单、高效、能够低成本地实现充分混合传质的装置与方法。

发明内容

本公开提供了一种新颖的强化两相混合传质的装置与方法，解决了现有技术中混合器存在两相流体混合不充分、传质不彻底的技术难题。

一方面，本公开提供了一种强化两相混合传质的装置，该装置包括：

变径管道，其上分别设置了连续相进口和分散相进口；

与变径管道连接的直管道，其上设置了混合物料出口；

设置在所述变径管道的小径管道内的旋转搅拌器，该旋转搅拌器与所述分散相进口对齐；以及

分别设置在所述直管道的内部前端的一级螺旋混合内件，内部中端的纤维混合内件和内部后端的二级螺旋混合内件；

其中，所述变径管道侧方设有相切的侧进管道，侧进管道与所述分散相进口连通；变径管道的小径管道与所述连续相进口连通，变径管道的大径管道与所述直管道连通。

在一个优选地实施方式中，所述变径管道与所述直管道通过法兰螺栓连接。

在另一个优选地实施方式中，所述旋转搅拌器由轴套和扇形叶片组成，扇形叶片与轴套之间呈30-60°倾角，并沿圆周均匀排列，扇形叶片的数量设为2-6个。

在另一个优选地实施方式中，所述扇形叶片与轴套之间呈45°倾角，扇形叶片的数量设为3个。

在另一个优选地实施方式中，所述旋转搅拌器安装在支撑架上，并通过顶头将其固定；支撑架焊接在变径管道内，同时在旋转搅拌器与支撑架之间设有耐磨套筒。

在另一个优选地实施方式中，所述一级螺旋混合内件和二级螺旋混合内件分别为正螺旋叶片和反螺旋叶片，其上均匀开孔，孔直径为2-8mm，并焊接在直管道内；正螺旋叶片和反螺旋叶片的长度为1D-3D，其中，D为直管道直径。

在另一个优选地实施方式中，所述一级螺旋混合内件和二级螺旋混合内件选自SK、SX、SL、SV和SH型静态混合器中混合单元的一种或两种；孔直径为5mm。

在另一个优选地实施方式中，所述纤维混合内件的孔隙率为0.7-0.9，纤维材料为亲分散相纤维，纤维直径为0.1-0.2mm，所述纤维混合内件的长度为0.5D-2D，其中，D为直管道直径。

在另一个优选地实施方式中，所述纤维混合内件的孔隙率为0.85，纤维直径为0.12mm；所述纤维材料包括不锈钢金属纤维、玻璃纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维和聚四氟乙烯纤维。

另一方面，本公开提供了一种强化两相混合传质的方法，该方法包括以下步骤：

(a)连续相经连续相进口流入变径管道后，直接冲击其中的螺旋搅拌器的叶片以使叶片旋转，同时旋转的叶片反过来对经分散相进口切向进入变径管道的分散相进行剪切破碎，两相混合液在叶片的旋转搅拌下混合和传质；以及

(b)步骤(a)中得到的混合后的两相依次经过置于与变径管道连接的直管道内的一级螺旋混合内件、纤维混合内件和二级螺旋混合内件以强化分散混合效果，使得两相进一步混合和传质。

有益效果：

本发明的装置通过法兰螺栓连接，易于拆装和检修，可以根据流体介质的情况，随时更换螺旋混合内件的形式。同时，将旋转搅拌混合、纤维切割混合、螺旋紊流混合三种混合方法结合起来，可极大地提高液-液混合的分散度，强化混合传质效果。本发明的装置仅利用内部结构，无需外加动力设备，结构简单，成本低，效率高，适用于石油、环保、化工、制药、食品等多个领域。

附图说明

附图是用以提供对本公开的进一步理解的，它只是构成本说明书的一部分以进一步解释本公开，并不构成对本公开的限制。

图1是根据本公开的一个优选实施方式的强化两相混合传质的装置的立体结构示意图。

图2是根据本公开的一个优选实施方式的强化两相混合传质的装置的剖面示意图。

图3是根据本公开的一个优选实施方式的旋转搅拌器的立体结构图。

图4是根据本公开的一个优选实施方式的旋转搅拌器的主视结构图。

图5是根据本公开的一个优选实施方式的支撑架的立体结构图。

图6是根据本公开的一个优选实施方式的耐磨套筒的立体结构图。

图7是根据本公开的一个优选实施方式的顶头的立体结构图。

图8是根据本公开的一个优选实施方式的正螺旋叶片的正视结构图。

图9是根据本公开的一个优选实施方式的正螺旋叶片的左视结构图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本申请的发明人经过广泛而深入的研究，针对现有技术中混合器存在两相流体混合不充分、传质不彻底的技术难题，通过在混合器管道内设置旋转搅拌器、一级螺旋混合内件、纤维混合内件和二级螺旋混合内件，充分利用旋转搅拌器扇形叶片的旋转搅拌混合、螺旋混合内件螺旋叶片的正反向螺旋混合和纤维内件的分割混合传质，使得进入该装置的连续相与分散相能够混合地更加充分均匀，并达到彻底传质的效果，从而解决了现有装置液-液混合不均匀、传质效果不佳的技术问题，并且该装置无需增加额外动力，结构简单，效率高，安装、更换、维修简单，可在石油、环保、化工、制药、食品等多领域推广。

在本公开的第一方面，提供了一种强化两相混合传质的装置，该装置包括：

变径管道，其上分别设置了连续相进口和分散相进口；

与变径管道连接的直管道，其上设置了混合物料出口；

设置在所述变径管道的小径管道内的旋转搅拌器，该旋转搅拌器与所述分散相进口对齐；以及

分别设置在所述直管道的内部前端的一级螺旋混合内件，内部中端的纤维混合内件和内部后端的二级螺旋混合内件；

其中，所述变径管道侧方设有相切的侧进管道，侧进管道与所述分散相进口连通；变径管道的小径管道与所述连续相进口连通，变径管道的大径管道与所述直管道连通。

在本公开中，所述变径管道与所述直管道通过法兰螺栓连接。

在本公开中，所述旋转搅拌器由轴套和扇形叶片组成，扇形叶片与轴套之间呈30-60°倾角，优选呈45°倾角，并沿圆周均匀排列，扇形叶片的数量设为2-6个，优选设为3个。

在本公开中，所述旋转搅拌器安装在支撑架上，并通过顶头将其固定；支撑架焊接在变径管道内，同时在旋转搅拌器与支撑架之间设有耐磨套筒。

在本公开中，所述一级螺旋混合内件和二级螺旋混合内件分别为正螺旋叶片和反螺旋叶片，其上均匀开孔，孔直径为2-8mm，优选5mm，并焊接在直管道内；正螺旋叶片和反螺旋叶片的长度为1D-3D，其中，D为直管道直径。

在本公开中，所述一级螺旋混合内件和二级螺旋混合内件可根据工况选自SK、SX、SL、SV和SH型静态混合器中混合单元的一种或两种。

在本公开中，所述纤维混合内件的孔隙率为0.7-0.9，优选0.85，纤维材料为亲分散相纤维，包括不锈钢金属纤维、玻璃纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维和聚四氟乙烯纤维，优选不锈钢金属纤维；纤维直径为0.1-0.2mm，优选0.12mm，所述纤维混合内件的长度为0.5D-2D，其中，D为直管道直径。

在本公开的第二方面，提供了一种强化两相混合传质的方法，该方法包括以下步骤：

(a)连续相经连续相进口流入变径管道后，直接冲击其中的螺旋搅拌器的叶片以使叶片高速旋转，同时高速旋转的叶片反过来对经分散相进口切向进入变径管道的分散相进行剪切破碎，两相混合液在叶片的高速旋转搅拌下充分混合和传质；以及

(b)步骤(a)中得到的混合后的两相依次经过置于与变径管道连接的直管道内的一级螺旋混合内件、纤维混合内件和二级螺旋混合内件以强化分散混合效果，使得两相更加充分的混合和传质。

本发明在不需要增加动力的情况下，仅在液体流动的过程中即可达到液-液均匀混合传质的目的，可实现连续相和分散相的充分混合并强化传质。

本发明的装置主要由以下三个部分组成：

(1)旋转搅拌器部分

旋转搅拌器部分由轴套和扇形旋转叶片组成，在连续相自身的流动动力下，旋转搅拌器中叶片产生高速旋转，使得连续相发生旋转流动，同时分散相切向流入，直接冲击叶片，又可增加叶片的高速旋转动力，反过来旋转的叶片又会对分散相进行剪切破碎，使得分散相和连续相在叶片的搅拌混合下充分混合传质。

(2)纤维混合内件部分

纤维混合内件可由一种或多种不同的纤维编织而成，其内部形成杂乱无章的纤维和不规则的通道，使液体流经此处时分散相会在纤维的表面上附着变形并且充分传质，同时利用纤维网的切割效果，可强化分散相和连续相的均匀混合。

(3)螺旋混合内件部分

螺旋混合内件采用带孔的螺旋片，这种螺旋片结构既能使液体流动形成充分的紊流，又能通过均匀开孔减少流动阻力，可有效降低进水水头损失，同时螺旋片正反布置，使得螺旋方向相反，能进一步加强两相流体混合传质的效果。

以下参看附图。

图1是根据本公开的一个优选实施方式的强化两相混合传质的装置的立体结构示意图。如图1所示，所述装置包括变径管道1，其上分别设置了连续相进口3和分散相进口4；以及与变径管道1连接的直管道2，其上设置了混合物料出口5，其中，所述变径管道1侧方设有相切的侧进管道，侧进管道与所述分散相进口4连通；变径管道1的小径管道与所述连续相进口3连通，变径管道1的大径管道与所述直管道2连通。

图2是根据本公开的一个优选实施方式的强化两相混合传质的装置的剖面示意图。如图2所示，变径管道的小径管道内设置旋转搅拌器6，该旋转搅拌器6与分散相进口对齐；直管道的内部前端设置一级螺旋混合内件10，内部中端设置纤维混合内件11，内部后端设置二级螺旋混合内件12；所述旋转搅拌器6安装在支撑架9上，并通过顶头7将其固定；支撑架9焊接在变径管道1内，同时在旋转搅拌器6与支撑架9之间设有耐磨套筒8。

实施例

下面结合具体的实施例进一步阐述本发明。但是，应该明白，这些实施例仅用于说明本发明而不构成对本发明范围的限制。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。除非另有说明，所有的百分比和份数按重量计。

实施例1：

某化工厂使用本发明装置强化两相混合传质。

1.工艺设备

如图1-2所示。该装置包括变径管道1、直管道2、连续相进口3、分散相进口4、混合物料出口5、旋转搅拌器6、一级螺旋混合内件10、纤维混合内件11和二级螺旋混合内件12；所述变径管道1侧方设有相切的分散相进口4，所述变径管道1的小径管道与所述连续相进口3连通，变径管道1的大径管道与所述直管道2连通，连通方式为法兰螺栓连接；所述旋转搅拌器6设置在所述变径管道1的小径管道内，并与分散相进口4对齐，所述旋转搅拌器6由轴套和扇形叶片组成，扇形叶片与轴套程45°倾角焊接，并沿圆周均匀排列，扇形叶片数为3个；所述旋转搅拌器6安装在支撑架9上，支撑架9焊接在变径管道1内，旋转搅拌器6与支撑架9之间安有耐磨铜套筒8，并且旋转搅拌器6和耐磨铜套筒8通过顶头7固定在支撑架9上；所述直管道1内部前端设有一级螺旋混合内件10，一级螺旋混合内件10采用正螺旋叶片，螺旋叶片上均匀开直径为5mm的孔，并焊接在直管道内，所述直管道1内部中端设有所述纤维混合内件10，所述纤维混合内件10孔隙率为0.85，纤维材料选用不锈钢金属纤维，且纤维直径为0.12mm，所述直管道1的内部后端设有二级螺旋混合内件12，二级螺旋混合内件12采用反螺旋叶片，螺旋叶片上均匀开直径为5mm的孔，并焊接在直管道内。

由于变径管道1与直管道2通过法兰螺栓连接，可根据流体介质的情况随时更换螺旋混合内件的内件形式。对于清洁低粘度流体，螺旋混合内件可替换成用SV、SH型混合器中混合单元的一种或两种；对于高粘度或伴有杂质的流体，螺旋混合内件可替换用SK、SX、SL型混合器中混合单元的一种或两种。

2.工艺流程

如图1-2所示。连续相(酸性油)液体沿连续相进口3流入变径管道1，并流经旋转搅拌器6，在液体流动产生的动力下旋转搅拌器6开始旋转，并带动液体旋转流动，在旋转搅拌器6所在的管道切向方向有一个分散相进口4，分散相(碱液)从分散相进口4流入后，直接撞击旋转搅拌器叶片，从而被高速旋转的旋转搅拌器6剪切破碎，连续相和分散相开始第一次的搅拌混合传质；混合后的液体流经一级螺旋混合内件10，在正螺旋叶片的导流下以正螺旋的方式流动，在螺旋流动的过程中完成螺旋混合传质；当混合液体到达纤维混合内件11时，在毛细纤维的作用下，分散相会在纤维提供的表面上变形以及附着传质，同时混合液在纤维的切割下，使得混合分散程度增加，在此流动的过程中完成纤维的切割混合传质，大大加强了混合传质效果；混合液体继续向后流动，到达二级螺旋混合内件12时，由于二级螺旋混合内件12采取反向螺旋叶片的特殊设计，使液体在此时发生反螺旋流动，流态的改变进一步强化连续相与分散相的均匀混合和传质效果；经过这四次不同方式的混合过程后，可以使分散相与连续相能够充分接触并彻底混合传质。

3.技术效果

本发明将旋转搅拌混合、纤维切割混合、螺旋紊流混合三种混合方法结合起来，极大地提高了液-液混合的分散度，强化混合传质效果。使用本发明的装置后，油中酸性物质的含量由1000-2000mg/L降至10mg/L以下，酸性油和碱液混合后pH值可达到7，同时良好的混合传质效果使得碱液用量减少了40％。

上述所列的实施例仅仅是本公开的较佳实施例，并非用来限定本公开的实施范围。即凡依据本申请专利范围的内容所作的等效变化和修饰，都应为本公开的技术范畴。

在本公开提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本公开的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本公开作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种强化两相混合传质的装置，该装置包括：

变径管道（1），其上分别设置了连续相进口（3）和分散相进口（4）；

与变径管道（1）连接的直管道（2），其上设置了混合物料出口（5）；

设置在所述变径管道（1）的小径管道内的旋转搅拌器（6），该旋转搅拌器（6）与所述分散相进口（4）对齐；以及

分别设置在所述直管道（2）的内部前端的一级螺旋混合内件（10），内部中端的纤维混合内件（11）和内部后端的二级螺旋混合内件（12）；

其中，所述变径管道（1）侧方设有相切的侧进管道，侧进管道与所述分散相进口（4）连通；变径管道（1）的小径管道与所述连续相进口（3）连通，变径管道（1）的大径管道与所述直管道（2）连通，

其中，所述一级螺旋混合内件（10）和二级螺旋混合内件（12）分别为正螺旋叶片和反螺旋叶片，其上均匀开孔，孔直径为2-8mm，并焊接在直管道（2）内；正螺旋叶片和反螺旋叶片的长度为1D-3D，其中，D为直管道（2）直径；

所述纤维混合内件（11）的孔隙率为0.7-0.9，纤维材料为亲分散相纤维，纤维直径为0.1-0.2mm，所述纤维混合内件（11）的长度为0.5D-2D，其中，D为直管道（2）直径。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述变径管道（1）与所述直管道（2）通过法兰螺栓连接。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述旋转搅拌器（6）由轴套和扇形叶片组成，扇形叶片与轴套之间呈30-60°倾角，并沿圆周均匀排列，扇形叶片的数量设为2-6个。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述扇形叶片与轴套之间呈45°倾角，扇形叶片的数量设为3个。

5.如权利要求1和3-4中任一项所述的装置，其特征在于，所述旋转搅拌器（6）安装在支撑架（9）上，并通过顶头（7）将其固定；支撑架（9）焊接在变径管道（1）内，同时在旋转搅拌器（6）与支撑架（9）之间设有耐磨套筒（8）。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述一级螺旋混合内件（10）和二级螺旋混合内件（12）选自SK、SX、SL、SV和SH型静态混合器中混合单元的一种或两种；孔直径为5mm。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述纤维混合内件（11）的孔隙率为0.85，纤维直径为0.12mm；所述纤维材料包括不锈钢金属纤维、玻璃纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维和聚四氟乙烯纤维。

8.一种使用权利要求1-7中任一项所述的装置的强化两相混合传质的方法，该方法包括以下步骤：

（a）连续相经连续相进口（3）流入变径管道（1）后，直接冲击其中的旋转搅拌器（6）的叶片以使叶片旋转，同时旋转的叶片反过来对经分散相进口（4）切向进入变径管道（1）的分散相进行剪切破碎，两相混合液在叶片的旋转搅拌下混合和传质；以及

（b）步骤（a）中得到的混合后的两相依次经过置于与变径管道（1）连接的直管道（2）内的一级螺旋混合内件（10）、纤维混合内件（11）和二级螺旋混合内件（12）以强化分散混合效果，使得两相进一步混合和传质。

Images