CN113477189A - 一种基于微界面混合罐的自动混合系统及方法 - Google Patents

一种基于微界面混合罐的自动混合系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于微界面混合罐的自动混合系统，包括反应罐，所述反应罐的侧壁上设置有检测口，所述检测口连接有自动控制系统；所述反应罐的顶部设置有消泡剂口，所述消泡剂口连接有所述自动控制系统；所述反应罐底部设置有搅拌装置，所述搅拌装置的上方设置有微界面发生器，所述微界面发生器连接有空气进气口用以将空气破碎分散。该反应系统基于微界面反应技术，通过微界面将气相物料和惰性气体破碎成微米级气泡，并分散到溶液中形成微界面体系，进而可以降低反应温度、压力和催化剂使用量，提高反应效率；通过自动控制系统控制反应进程。

Description

一种基于微界面混合罐的自动混合系统及方法
技术领域
本发明涉及化学制备工业中的混合，具体而言涉及一种基于微界面混合罐的自动混合系统及其方法。
背景技术
混合系统是一种应用非常广泛的机械设备，其在化学制备、制药、树脂、食品及建筑等行业皆有广泛应用。混合系统主要功能在于将不同原料混合均匀，以利于发生化学反应时效率更高或者获得更好的物理性能。
目前，搅动叶片式混合系统是一种比较常见的混合系统，如加氢反应中，氢气被搅动叶片剪切破碎成细小气泡，一定程度上增大了气液传质面积，一个或多个搅拌叶片不断地旋转，将反应器中的物料搅拌，使得混合物之间混合均匀。
但是现有气液混合系统中，气体难以被完全破碎分散，气相物料与液相物料之间的相界传质面积较小，气体的利用率低，导致反应需要大量气体、较高的反应温度和较大的反应压力，并且现有技术中不能实时观测出混合罐中的温度、压力等参数，不能实时调整混合罐中的参数，会对反应造成影响，严重时可能会产生危险。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种基于微界面混合罐的自动混合系统及其方法，该反应系统基于微界面反应技术，通过微界面将气相物料破碎成微米级气泡，并分散到溶液中形成微界面体系，进而可以降低反应温度、压力和催化剂使用量，提高反应效率；通过自动控制系统控制反应进程。
本发明的第二目的在于提供一种采用上述反应系统的方法，该方法可以降低反应温度和压力，操作简单。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
本发明提供了一种基于微界面混合罐的自动混合系统，包括反应罐，
所述反应罐的侧壁上设置有检测口，所述检测口连接有自动控制系统；
所述反应罐的顶部设置有消泡剂口，所述消泡剂口连接有所述自动控制系统；
所述反应罐底部设置有搅拌装置，所述搅拌装置的上方设置有微界面发生器，所述微界面发生器连接有空气进气口用以将空气破碎分散。
现有技术中，气体难以被完全破碎分散，气相物料与液相物料之间的相界传质面积较小，气体的利用率低，导致反应需要大量气体、较高的反应温度和较大的反应压力，并且现有技术中不能实时观测出混合罐中的温度、压力等参数，不能实时调整混合罐中的参数，会对反应造成影响，严重时可能会产生危险。
本发明为了解决上述技术问题，在反应罐内设置了微界面发生器，微界面将气相物料和惰性气体破碎成微米级气泡，并分散到溶液中形成微界面体系，进而可以降低反应温度、压力；本发明通过将搅拌装置设置在反应罐的最底部，微界面发生器设置在反应罐的正上方，搅拌装置的扇叶将底部反应物料重新卷回反应罐上部，同时将微界面发生器出来的微气泡送往反应罐的顶部；本发明还通过设置自动控制系统，自动控制系统连接检测口用以测得反应罐内温度、压力和含氧浓度来检测反应罐内的反应程度，通过连接补料口、补酸口、补碱口和消泡剂口来控制反应罐内的反应进程。
本领域所属技术人员可以理解的是，本发明所采用的微界面发生器在本发明人在先专利中已有体现，如申请号CN201610641119.6、CN201610641251.7、CN201710766435.0、CN106187660、CN105903425A、CN109437390A、CN205833127U及CN207581700U的专利。在先专利CN201610641119.6中详细介绍了微米气泡发生器(即微界面发生器)的具体产品结构和工作原理，该申请文件中记载了“微米气泡发生器包括本体和二次破碎件、本体内具有空腔，本体上设有与空腔连通的进口，空腔的相对的第一端和第二端均敞开，其中空腔的横截面积从空腔的中部向空腔的第一端和第二端减小；二次破碎件设在空腔的第一端和第二端中的至少一个处，二次破碎件的一部分设在空腔内，二次破碎件与空腔两端敞开的通孔之间形成一个环形通道。微米气泡发生器还包括进气管和进液管。”从该申请文件中公开的具体结构可以知晓其具体工作原理为：液体通过进液管切向进入微米气泡发生器内，超高速旋转并切割气体，使气体气泡破碎成微米级别的微气泡，从而提高液相与气相之间的传质面积，而且该专利中的微米气泡发生器属于气动式微界面发生器。
另外，在先专利201610641251.7中有记载一次气泡破碎器具有循环液进口、循环气进口和气液混合物出口，二次气泡破碎器则是将进料口与气液混合物出口连通，说明气泡破碎器都是需要气液混合进入，另外从后面的附图中可知，一次气泡破碎器主要是利用循环液作为动力，所以其实一次气泡破碎器属于液动式微界面发生器，二次气泡破碎器是将气液混合物同时通入到椭圆形的旋转球中进行旋转，从而在旋转的过程中实现气泡破碎，所以二次气泡破碎器实际上是属于气液联动式微界面发生器。其实，无论是液动式微界面发生器，还是气液联动式微界面发生器，都属于微界面发生器的一种具体形式，然而本发明所采用的微界面发生器并不局限于上述几种形式，在先专利中所记载的气泡破碎器的具体结构只是本发明微界面发生器可采用的其中一种形式而已。
此外，在先专利201710766435.0中记载到“气泡破碎器的原理就是高速射流以达到气体相互碰撞”，并且也阐述了其可以用于微界面强化反应器，验证本身气泡破碎器与微界面发生器之间的关联性；而且在先专利CN106187660中对于气泡破碎器的具体结构也有相关的记载，具体见说明书中第[0031]-[0041]段，以及附图部分，其对气泡破碎器S-2的具体工作原理有详细的阐述，气泡破碎器顶部是液相进口，侧面是气相进口，通过从顶部进来的液相提供卷吸动力，从而达到粉碎成超细气泡的效果，附图中也可见气泡破碎器呈锥形的结构，上部的直径比下部的直径要大，也是为了液相能够更好的提供卷吸动力。
由于在先专利申请的初期，微界面发生器才刚研发出来，所以早期命名为微米气泡发生器(CN201610641119.6)、气泡破碎器(201710766435.0)等，随着不断技术改进，后期更名为微界面发生器，现在本发明中的微界面发生器相当于之前的微米气泡发生器、气泡破碎器等，只是名称不一样。综上所述，本发明的微界面发生器属于现有技术。
优选的，所述反应罐的内部上方设置有冲洗头，所述冲洗头连接有供水口和所述自动控制系统。本发明可以不用将反应罐拆卸清洗，只需通过自动控制系统控制反应罐内部的冲洗头即可清洗整个反应罐。
优选的，所述反应罐相对于所述检测口的另一侧的侧壁上设置有上夹套口和下夹套口，所述上夹套口和所述下夹套口连接有所述供水口用以给所述反应罐降温。冷水或者自来水从上夹套口进入，水流经过整个反应罐的外壁，之后从下夹套口流出，过程中通过换热带走了降低了反应罐的温度，从而控制反应温度。
优选的，所述消泡剂口的两边平行设置有补酸口、补碱口、补料口，所述补酸口、所述补碱口和所述补料口连接有所述自动控制系统。在反应进行的过程中，由于反应会消耗物料导致反应罐内的pH值产生变化，这时自动控制系统通过检测口检测出pH值的变化，通过补酸、补碱或补料来控制酸碱平衡。
优选的，所述微界面发生器与所述空气进气口之间设置有电伴热管用以加热空气。为了让空气更好的与液相物料混合或者参与反应，在空气进入反应罐之前就将空气进行预加热达到所需温度。
优选的，所述反应罐连接有配料罐用以供给液相物料。
优选的，所述自动控制系统包括pH检测控制模块、溶解含氧量检测控制模块、温度检测控制模块、自动消泡模块和自动补料模块；
所述检测口连接有所述pH检测控制模块、溶解含氧量检测控制模块、温度检测控制模块；
所述消泡剂口连接有自动消泡模块；所述补酸口、所述补碱口和所述补料口连接有自动补料模块。
优选的，所述搅拌装置包括扇叶，所述扇叶的朝向为垂直向上用以增大上下循环流。
优选的，所述检测口的下方设置有取样口用以在反应中取样。
另外，本发明还提供了一种应用上述自动混合系统的方法，包括如下步骤：
自动控制物料与微界面破碎分散后的空气进行混合；
自动控制补酸、补碱、补料和添加消泡剂；
自动控制冲洗头冲洗所述反应罐的内部；
排出废气，收集反应物。
具体的，该方法通过微界面发生器将气相物料打碎成微米尺度的微气泡，微气泡被扇叶送往反应器的顶部，增大气液之间的相界传质面积；该方法通过自动控制可以减少人力成本并保障安全。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)通过在反应罐内设置了微界面发生器，微界面将气相物料和惰性气体破碎成微米级气泡，并分散到溶液中形成微界面体系，进而可以降低反应温度、压力和催化剂使用量，提高反应效率。
(2)通过设置自动控制系统，自动控制系统连接检测口用以测得反应罐内温度、压力和含氧浓度来检测反应罐内的反应程度，通过连接补料口、补酸口、补碱口和消泡剂口来控制反应罐内的反应进程。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例提供的基于微界面混合罐的自动混合系统的结构示意图；
其中：
10-供水口； 11-空气进气口；
12-空气过滤器； 13-电伴热管；
14-蠕动泵； 141-上夹套口；
142-下夹套口； 20-补酸口；
21-补碱口； 22-消泡剂口；
23-补料口； 30-排气口；
40-配料罐； 50-反应罐；
501-取样口； 502-检测口；
503-微界面发生器； 504-出料口；
60-罐底隔膜阀； 70-搅拌装置；
80-自动控制系统； 91-废液罐；
92-产物收集罐； 100-反应罐外壁；
101-冲洗头。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描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、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为了更加清晰的对本发明中的技术方案进行阐述，下面以具体实施例的形式进行说明。
实施例
参阅图1所示，为本发明实施例提供的基于微界面混合罐的自动混合系统地结构示意图，其主要包括反应罐50，反应罐50的顶部依次设置有补酸口20、补碱口21、消泡剂口22、补料口23，这四个口通过蠕动泵14将料液输送至反应罐50里。自控控制系统与补酸口20、补碱口21、消泡剂口22和补料口23相连，在反应时实时控制进行补酸、补碱、补料和添加消泡剂，控制反应安全有序进行。反应罐50的内侧顶部设置有冲洗头101，冲洗头101与供水口10和自动控制系统80相连，当反应完成后，自动控制系统80打开冲洗头101对反应罐50进行全方位的清洗。
反应罐50的右侧壁上设置头检测口502和取样口501，取样口501与检测口502与自动控制系统80相连，自动控制系统80里包括pH检测控制模块、溶解含氧量检测控制模块、温度检测控制模块、自动消泡模块和自动补料模块；检测口502连接有所述pH检测控制模块、溶解含氧量检测控制模块、温度检测控制模块；消泡剂口22连接有自动消泡模块；补酸口20、补碱口21和补料口23连接有自动补料模块。
反应罐50的左侧壁上设置有上夹套口141和下夹套口142，水或者自来水从上夹套口141进入，水流经过整个反应罐50外壁，之后从下夹套口142流出，过程中通过换热带走了降低了反应罐50的温度，从而控制反应温度。
反应罐50的底部设置有罐底隔膜阀60，当罐底隔膜阀60打开时废液进入到废液罐91中，当罐底隔膜阀60关闭时，废液在反应罐50中停留。反应罐50底部的另一侧设置有出料口504，出料口504连接有产物收集罐92，反应罐50出来的产物被送往产物收集罐92中。
反应罐50内部设置有微界面发生器503，空气进气口11中的空气通过空气过滤器12去除杂质，之后仅有电伴热管13加热到适宜温度后送往微界面发生器503，被破碎分散为微气泡。
反应罐50的顶部靠近补料口23的地方设置有排气口30用以将废气和未反应完全的空气排出。排气口30的旁边设置有进料口，进料口与配料罐40相连用以向反应罐50提供液相物料。
微界面发生器503的正下方相对设置有搅拌装置70，搅拌装置70上设置有搅拌轴，搅拌轴的顶端设置有扇叶。扇叶方向朝上，将微界面发生器503中的微气泡向上送往反应罐50的中部和顶部，增大相界传质面积。
本实施例中，物料通过被自动控制送往反应罐50中，反应过程不需要人工参与，因此节省了人力，保障了安全。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于微界面混合罐的自动混合系统，其特征在于，包括反应罐，
所述反应罐的侧壁上设置有检测口，所述检测口连接有自动控制系统；
所述反应罐的顶部设置有消泡剂口，所述消泡剂口连接有所述自动控制系统；
所述反应罐底部设置有搅拌装置，所述搅拌装置的上方设置有微界面发生器，所述微界面发生器连接有空气进气口用以将空气破碎分散。
2.根据权利要求1所述的自动混合系统，其特征在于，所述反应罐的内部上方设置有冲洗头，所述冲洗头连接有供水口和所述自动控制系统。
3.根据权利要求2所述的自动混合系统，其特征在于，所述反应罐相对于所述检测口的另一侧的侧壁上设置有上夹套口和下夹套口，所述上夹套口和所述下夹套口连接有所述供水口用以给所述反应罐降温。
4.根据权利要求1所述的自动混合系统，其特征在于，所述消泡剂口的两边平行设置有补酸口、补碱口、补料口，所述补酸口、所述补碱口和所述补料口连接有所述自动控制系统。
5.根据权利要求1所述的自动混合系统，其特征在于，所述微界面发生器与所述空气进气口之间设置有电伴热管用以加热空气。
6.根据权利要求1所述的自动混合系统，其特征在于，所述反应罐连接有配料罐用以供给液相物料。
7.根据权利要求1-6任一项所述的自动混合系统，其特征在于，所述自动控制系统包括pH检测控制模块、溶解含氧量检测控制模块、温度检测控制模块、自动消泡模块和自动补料模块；
所述检测口连接有所述pH检测控制模块、溶解含氧量检测控制模块、温度检测控制模块；
所述消泡剂口连接有自动消泡模块；所述补酸口、所述补碱口和所述补料口连接有自动补料模块。
8.根据权利要求1所述的自动混合系统，其特征在于，所述搅拌装置包括扇叶，所述扇叶的朝向为垂直向上用以增大上下循环流。
9.根据权利要求1所述的自动混合系统，其特征在于，所述检测口的下方设置有取样口用以在反应中取样。
10.根据权利要求1-9任一项所述自动混合系统的方法，其特征在于，包括如下步骤：
自动控制物料与微界面破碎分散后的空气进行混合；
自动控制补酸、补碱、补料和添加消泡剂；
自动控制冲洗头冲洗所述反应罐的内部；
排出废气，收集反应物。
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