CN112999931A - 一种搅拌装置及其应用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种搅拌装置及其应用方法，该装置包括：具有密封的中空内腔的壳体；搅拌组件，所述搅拌组件包括位于所述中空内腔的旋转单元以及穿设在所述壳体上的旋转轴，所述旋转轴与所述旋转单元连接，且，所述旋转单元内设置有多孔填料；与所述旋转轴远离所述旋转单元的一端连接的驱动组件，所述驱动组件被配置为驱动旋转轴绕其自身轴线转动。本发明相对于采用传统搅拌桨釜式反应器，液滴平均直径明显减小1到2个数量级，尺寸分布更窄；本发明利用多孔填料的旋转所产生的强剪切力及装置内形成内部流场环境，把分散相切割破碎成微小的液滴，进而制备均一稳定的乳液，或增加传质比表面积，实现受传质控制液液相体系过程的强化。

Description

一种搅拌装置及其应用方法
技术领域
本发明涉及化工与轻工领域，具体涉及一种搅拌装置及其应用方法。
背景技术
液液不互溶体系的传质过程是化工、轻工及整个过程工业领域重要的单元操作之一，通常应用于乳液制备、液液萃取、化学反应等过程。根据传质理论，增加传质比表面积即减小分散相液体尺寸或提高流体的湍动强度是实现液液传质强化的有效手段。同时，分散相液体尺寸减小亦是保证乳液稳定均一的重要手段。
根据液滴分散破碎机理，分散相液体的形变是由周围连续相液体对分散相液体施加剪切应力引起的，这种力来源于空间和瞬时速度波动，即平均速度梯度、湍流涡的相互作用以及射流与壁面、挡板与转子或桨叶的碰撞。
工业上常用的液液传质设备多是搅拌釜，其结构简单，操作方便，但是传统的搅拌桨引起液滴分散的力是极其不均匀的，速度梯度或形变速度在搅拌桨附近是最高的，远离搅拌桨的区域迅速减小，因此存在湍流与层流并存的现象，很难产生较小且分散均匀的分散相液滴，导致搅拌釜传质效率低，乳液分散度和均匀性不好，以及产品批次不稳定等缺陷。而近年来提出的高剪切混合器、高压均质机等相关设备，虽改善了搅拌桨型，可制备出亚微米级的液滴，实现传质的强化，但存在高压、高转速等工况，使得设备加工成本提高，运行时具有一定的安全隐患。
发明内容
本发明提供了一种搅拌装置及其应用方法，其克服了背景技术所存在的不足。本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：
一种搅拌装置，它包括：
具有密封的中空内腔的壳体；
搅拌组件，所述搅拌组件包括位于所述中空内腔的旋转单元以及穿设在所述壳体上的旋转轴，所述旋转轴与所述旋转单元连接，且，所述旋转单元内设置有多孔填料；
与所述旋转轴远离所述旋转单元的一端连接的驱动组件，所述驱动组件被配置为驱动旋转轴绕其自身轴线转动。
一较佳实施例之中：所述多孔填料为环形的圆柱体，所述旋转单元还包括间隔布置的上盖板和下底板，所述多孔填料固接在上盖板和下底板之间，所述旋转轴穿过上盖板和多孔填料后与下底板相固接。
一较佳实施例之中：所述多孔填料包括金属泡沫填料、金属氧化物泡沫填料、非金属泡沫填料、金属丝网填料、聚丙烯填料、聚乙烯填料、聚四氟乙烯填料中的一种或几种组合。
一较佳实施例之中：所述壳体直径与旋转单元直径比值为1.3-1.8：1。
一较佳实施例之中：所述壳体顶端内壁之高度与旋转单元顶端之高度的比值为5-8：1。
一较佳实施例之中：所述旋转单元底端与壳体底端内壁之间的距离与壳体顶端内壁之高度之间的比值为0.05-0.1：1。
一较佳实施例之中：所述搅拌装置还包括位于壳体内侧壁与旋转单元之间的挡板，所述挡板环绕所述壳体的内侧表面设置且其顶端和底端分别于上盖板和下底板相固接。
一较佳实施例之中：所述壳体顶端内壁设置有若干个挡条，每一挡条由壳体顶端内壁之中心向四周延伸。
一较佳实施例之中：所述驱动组件包括驱动电机和传动机构，所述传动机构传动连接驱动电机之输出轴以及旋转轴。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：
一种搅拌装置的应用方法，采用间歇或连续操作，工作物料体系主要为液-液相或以液-液相为主体的高至低黏的多相物料体系，操作时转子的转速为50-500rpm，反应器内操作温度为0～90℃，操作压力为0.1～0.5MPa。
一较佳实施例之中：采用间歇操作时，贮液体积为壳体容积的50-90％。
一较佳实施例之中：采用连续操作时，两液相体积流量比为0.01-100：1。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
1.本发明相对于采用传统搅拌桨釜式反应器，液滴平均直径明显减小1到2个数量级，尺寸分布更窄；本发明利用多孔填料的旋转所产生的强剪切力及装置内形成内部流场环境，把分散相切割破碎成微小的液滴，进而制备均一稳定的乳液，或增加传质比表面积，实现受传质控制液液相体系过程的强化。
且，本发明相对于高剪切混合器和高压均质器，转速和压力得到极大降低，在达到相同液滴尺寸下，本发明的转速可减小10-50倍，操作压力可减小10倍，极大保证实验操作安全，并减少了设备加工成本。
相比传统液液相传质混合设备，该装置具有液滴微小稳定、占地面积小等优点。
2.壳体直径与旋转单元直径比值为1.3-1.8：1；或者，壳体顶端内壁之高度与旋转单元顶端之高度的比值为5-8：1；或者，旋转单元底端与壳体底端内壁之间的距离与壳体顶端内壁之高度之间的比值为0.05-0.1：1，也即，旋转单元与壳体内腔之间的位置关系，可进一步形成更加有利的内部流场环境。
3.挡板及挡条的设置，可实现流体有效反混，强化液体与液体间的碰撞程度，进一步提高反应器的剪切能力。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1绘示了一较佳实施例的一种搅拌装置的整体示意图。
图2绘示了一较佳实施例的一种搅拌装置的侧面结构示意图。
具体实施方式
本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，除非另有明确限定，如使用术语“第一”、“第二”或“第三”等，都是为了区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。
本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，除非另有明确限定，对于方位词，如使用术语“中心”、“横向”、“纵向”、“水平”、“垂直”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位或位置关系乃基于附图所示的方位和位置关系，且仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或以特定的方位构造和操作，所以也不能理解为限制本发明的具体保护范围。
本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，除非另有明确限定，如使用术语“固接”、“固定连接”，应作广义理解，即两者之间没有位移关系和相对转动关系的任何连接方式，也就是说包括不可拆卸的固定连接、可拆卸的固定连接、连为一体以及通过其他装置或元件固定连接。
本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，如使用术语“包括”、“具有”、以及它们的变形，意图在于“包含但不限于”。
请查阅图1至图2，一种搅拌装置的一较佳实施例，所述的一种搅拌装置，它包括具有密封的中空内腔的壳体、搅拌组件、以及与所述旋转轴12远离所述旋转单元16的一端连接的驱动组件。
如图1所示，所述壳体呈圆柱体形且其包括顶盖8、底座19以及连接顶盖8和底座19的侧壁10。壳体的形状不以此为限，也可为方形或椭圆形等。且，顶盖8处设置有进液口6和排气口7；所述底座19设置有出液口20。根据需要，进液口6和出液口20的位置可互换或者也可设置在侧壁10上，不以此为限。
所述搅拌组件包括位于所述中空内腔的旋转单元16以及穿设在所述壳体上的旋转轴12，所述旋转轴12与所述旋转单元16连接，且，所述旋转单元16内设置有多孔填料13。
本实施例中，所述多孔填料13为环形的圆柱体，所述旋转单元16还包括间隔布置的上盖板14和下底板15，所述多孔填料13固接在上盖板14和下底板15之间，所述旋转轴12穿过上盖板14和多孔填料13后与下底板15相固接。如图1所示，上盖板14为圆环板，下底板15为圆形实心板。
本实施例中，所述多孔填料13包括金属泡沫填料、金属氧化物泡沫填料、非金属泡沫填料、金属丝网填料、聚丙烯填料、聚乙烯填料、聚四氟乙烯填料中的一种或几种组合。也即，该多孔填料丝径较小且具有一定的硬度，该类填料在具有良好机械强度的同时，具有高的孔隙率(最高可达97％)和比表面积(可从几百达到上千m2/m3)。通过旋转单元16的旋转以及多孔填料13内的多孔介质环境，使得搅拌装置在低转速下即可产生强的剪切力场，实现对分散相液滴进行切割、破碎，使其达到减小液滴尺寸的目的，进而可实现均一稳定的乳液，或极大提高传质面积，强化液-液相间传质过程。
所述驱动组件被配置为驱动旋转轴12绕其自身轴线转动。
所述驱动组件包括驱动电机9和传动机构，驱动电机9通过电机支架17安装在壳体的底座19上，所述传动机构传动连接驱动电机9之输出轴4以及旋转轴12。
具体的，该传动机构包括两个皮带轮3、皮带2和联轴器5，所述旋转轴12通过联轴器5与其中一皮带轮3传动连接，该皮带轮3与另一皮带轮3间隔设置，所述皮带2支撑于两个皮带轮3之间，另一皮带轮3与所述驱动电机9传动连接。最好，驱动电机9配备有变频器18。
关于旋转单元与壳体之间的尺寸配合关系如下：
所述壳体内径与旋转单元16直径比值为1.3-1.8：1。本实施例中，壳体直径与旋转单元16直径比值为1.5：1。
所述壳体顶端内壁之高度与旋转单元16顶端之高度的比值为5-8：1。本实施例中，壳体顶端内壁之高度与旋转单元16顶端之高度的比值为8：1。
所述旋转单元16底端与壳体底端内壁之间的距离与壳体顶端内壁之高度之间的比值为0.05-0.1：1。本实施例中，旋转单元16底端与壳体底端内壁之间的距离与壳体顶端内壁之高度之间的比值为0.05：1。
所述壳体尺寸与所述旋转单元16的尺寸设置相匹配，确保装置内流体从所述旋转单元16甩出后，尽快撞击壁面，并再次返回到旋转单元16内，实现装置内流体的快速循环，保证了装置在非旋转单元区域依然有均一的剪切力场分布。
本实施例中，所述搅拌装置还包括位于壳体内侧壁与旋转单元16之间的挡板11，所述挡板11环绕所述壳体的内侧表面设置且其顶端和底端分别于上盖板14和下底板15相固接。具体的，挡板厚度控制在壳体内侧壁至旋转单元16外缘这个距离间的1/4——1/3范围内。
本实施例中，所述壳体顶端内壁设置有若干个挡条21，每一挡条21由壳体顶端内壁之中心向四周延伸。具体的，挡条21可设置四个且均呈扇形布置。
挡板11与挡条21的设置，可实现流体有效反混，强化液体与液体间的碰撞程度，进一步提高反应器的剪切能力。
一种搅拌装置的应用方法，采用间歇或连续操作，工作物料体系主要为液-液相或以液-液相为主体的高至低黏的多相物料体系，操作时转子的转速为50-500rpm，反应器内操作温度为0～90℃，操作压力为0.1～0.5MPa。
采用间歇操作时，贮液体积为壳体容积的50-90％，如可以取值为70％。
采用连续操作时，两液相体积流量比为0.01-100：1。
结合具体的实施方式进行说明：
实施例1
水-苯甲酸-正庚烷体系：为液液传质过程
以蒸馏水、正庚烷和苯甲酸为原料，采用间歇操作方式测量本发明系统装置内水-苯甲酸-正庚烷体系的传质过程。
间歇操作如下：
称取苯甲酸2.3-3g溶解在0.9-1L的正庚烷中，在水浴锅温度为70-80℃下加热，使苯甲酸完全溶解于正庚烷中，将苯甲酸-正庚烷溶液从进液口6倒入至壳体内。然后再从进液口6倒入蒸馏水2-2.5L于壳体内,开启驱动电机9，并通过变频器18调节转速在100-500rpm。在旋转的旋转单元16作用下，会强化壳体内的混合或者分散水平，同时能减少液滴直径尺寸，增加两相接触面积，从而实现了苯甲酸传质强化。结果表明旋转速度在500rpm时，总体积传质系数KLa可达到0.87s-1，而传统搅拌桨釜式反应器的总体积传质系数在相近操作条件下为0.08s-1。与传统搅拌桨釜式反应器相比，本发明装置总体积传质系数可高出其11倍。并且相比传统搅拌混合设备，本装置液滴更微小稳定、占地面积小。
实施例二
煤油-水-Tween 80：为乳化过程
本实施例使用的分散相是煤油，连续相为水，表面活性剂是Tween-80，采用间歇操作方式测量本发明系统装置内煤油-水的乳化性能。
间歇操作如下：
称取表面活性剂Tween-80为280-300mg溶解在3.4-3.9L的水中，然后将表面活性剂溶液从进液口6倒入壳体内。之后开启驱动电机9，通过变频器18调节旋转单元16转速为60-100rpm，转动1-2min，使表面活性剂完全溶解在水中，然后再从进液口6倒入煤油40-600ml于壳体内，设置转速为300-500rpm,操作时间为5-75min，通过离线取样，用激光粒度分析仪测定乳液的液滴直径分布及其其他相关数据。结果表明本发明装置在常压且转速达到400rpm时，乳液的液滴直径分布范围窄，d32可达到2μm，且达到体系稳定时间仅为15min。在同体系下，高剪切混合器达到相同的d32需要的转速达到13000rpm，高压均质机达到相同液滴尺寸需在工作时将分散液体加压到10MPa以上，且存在处理量小、安全性差等问题。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (12)

1.一种搅拌装置，其特征在于：它包括：
具有密封的中空内腔的壳体；
搅拌组件，所述搅拌组件包括位于所述中空内腔的旋转单元以及穿设在所述壳体上的旋转轴，所述旋转轴与所述旋转单元连接，且，所述旋转单元内设置有多孔填料；
与所述旋转轴远离所述旋转单元的一端连接的驱动组件，所述驱动组件被配置为驱动旋转轴绕其自身轴线转动。
2.根据权利要求1所述的一种搅拌装置，其特征在于：所述多孔填料为环形的圆柱体，所述旋转单元还包括间隔布置的上盖板和下底板，所述多孔填料固接在上盖板和下底板之间，所述旋转轴穿过上盖板和多孔填料后与下底板相固接。
3.根据权利要求2所述的一种搅拌装置，其特征在于：所述多孔填料包括金属泡沫填料、金属氧化物泡沫填料、非金属泡沫填料、金属丝网填料、聚丙烯填料、聚乙烯填料、聚四氟乙烯填料中的一种或几种组合。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种搅拌装置，其特征在于：所述壳体直径与旋转单元直径比值为1.3-1.8：1。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种搅拌装置，其特征在于：所述壳体顶端内壁之高度与旋转单元顶端之高度的比值为5-8：1。
6.根据权利要求1或2或3所述的一种搅拌装置，其特征在于：所述旋转单元底端与壳体底端内壁之间的距离与壳体顶端内壁之高度之间的比值为0.05-0.1：1。
7.根据权利要求1所述的一种搅拌装置，其特征在于：所述搅拌装置还包括位于壳体内侧壁与旋转单元之间的挡板，所述挡板环绕所述壳体的内侧表面设置且其顶端和底端分别于上盖板和下底板相固接。
8.根据权利要求1所述的一种搅拌装置，其特征在于：所述壳体顶端内壁设置有若干个挡条，每一挡条由壳体顶端内壁之中心向四周延伸。
9.根据权利要求1所述的一种搅拌装置，其特征在于：所述驱动组件包括驱动电机和传动机构，所述传动机构传动连接驱动电机之输出轴以及旋转轴。
10.一种搅拌装置的应用方法，其应用权利要求1至9中任意一项所述的搅拌装置，其特征在于：采用间歇或连续操作，工作物料体系主要为液-液相或以液-液相为主体的高至低黏的多相物料体系，操作时转子的转速为50-500rpm，反应器内操作温度为0～90℃，操作压力为0.1～0.5MPa。
11.根据权利要求10所述的一种搅拌装置的应用方法，其特征在于：采用间歇操作时，贮液体积为壳体容积的50-90％。
12.根据权利要求10所述的一种搅拌装置的应用方法，其特征在于：采用连续操作时，两液相体积流量比为0.01-100：1。
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