CN115212826A - 一种带气体分布器的反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种带气体分布器的反应器，包括：反应器壳体；固定机构，所述固定机构设置在反应器壳体内部，包括固定支架和固定轴，所述固定支架水平固定设置在反应器壳体上，所述固定轴竖直设置，一端固定在反应器壳体底部，另一端固定在固定支架上；搅拌机构，所述搅拌机构包括搅拌桨叶，所述搅拌桨叶上设有磁性体，中间设有轴承，所述轴承固定在固定轴上；气体分布器，所述气体分布器位于搅拌桨叶下方；电磁发生机构，所述电磁发生机构位于反应器壳体外部。本发明所述装置既解决了传统气体分布器气泡尺寸分布较大且分布不均导致反应器内传质效率低下的问题，还避免了传统气体分布器易堵塞导致生产不连续的问题。
Description
技术领域
本发明属于化工设备技术领域，具体涉及一种带气体分布器的反应器。
背景技术
许多反应器中均需要通入气体来参与反应，气体既是反应物，也起到了搅拌的作用。为了增大气液接触面积，增强气液传质效率，就要使通入反应器中的气体分布比较均匀且分布成尺寸尽量小的气泡。
最简单的向反应器中通气方式是将气体管口直接插入到反应器料浆中，这样结构简单，但气泡尺寸过大且不均匀，气液混合效果差，大量气体未能与料浆充分混合就逸出料浆，因此气体利用率很低，此种通气方式一般较少使用。
稍加改进的结构(如申请号为201820940596.7的实用新型专利：一种气-液-固三相实验反应器)是将进气管头连接到带孔的圆盘形或环状的布气管，布气管设置在反应器下部，在环状的布气管上均布小出气孔，气体从出气孔中均匀喷入到料浆中，这样气体分布成的气泡尺寸较小也较为均匀，混合效果较好，但这种环状的布气管一般不适合固液混合料浆或气液混合反应产生固体沉淀物的反应器，这是因为，布气管上小出气孔在停气或气压低时，含固料浆会进入到布气管中，导致固体物堵塞布气孔，且孔越小其堵塞越严重，从而使气体分布器失效。
反应器中常用的气体分布器还有烧结板气体分布器，如授权公告号为CN210846318U的实用新型专利公布了一种固定流化床反应器，在其气体分布器顶端设有直径45mm、高度3mm的800目304不锈钢金属烧结板，采用烧结板作为气体分布器时，气体通过时在烧结板表面形成大气泡，然后破碎成多个小气泡，故初始气泡直径较大；另外，烧结板孔径较小，在进气过程中，容易被压缩气中的微尘堵塞，在不能连续运行时不得不更换烧结板。
能使气体分布尺寸更小、更均匀的气体分布器为喷嘴式气体分布器，如公开号为CN 109692628 A的发明专利申请提出了一种气液分布器，包括气体分布管、液体分布管、气体进料管和液体进料管，气体分布管与气体进料管交叉连通，液体分布管与液体进料管交叉连通，液体分布管设于气体分布管下方；气体分布管上设有气体上喷嘴，液体分布管上设有液体上喷嘴，液体上喷嘴穿过气体分布管进入气体上喷嘴中。通过在气体分布器上均匀设置孔径极小的气体喷嘴，可以产生初始尺寸较小且分布均匀的气泡，从而增强气液传质。但气体分布器上的喷嘴(开孔)孔径通常为微米级，有固体颗粒参与反应时，在气速较低的情况下极容易堵塞气体喷嘴，导致生产不连续。
目前的反应器中大多采用的气体分布方式是搅拌桨。如申请号为201920857612.0的实用新型专利采用的气体分布方式为在搅拌槽内设置搅拌桨。具体地，在槽体侧下方设置有进气管；槽体中央设置有搅拌装置；搅拌装置的下端部连接着搅拌器。该搅拌槽系统既具有中心通气搅拌装置布气、混合、反应相当功能，又具有结构简单，造价低的特点，是固液混合料浆或气液混合反应产生固体沉淀物的一种较好地通气方式。搅拌桨具有良好的气液混合效果，但是对于化工装置中的高压反应釜，搅拌桨面临一个很难克服的轴封问题，针对此问题，许多研究者提出了采用磁力搅拌来避免泄漏。申请号为201520154213.X的实用新型专利提出了一种实验室用磁力搅拌反应釜装置，包括釜体和底座，釜体固定设于底座上，底座内设有磁力驱动装置，釜体内设有水、容器、加热管，容器内设有搅拌转子，搅拌转子与磁力驱动装置对应设置，磁力驱动装置驱动搅拌转子在容器内转动。该类型的磁力搅拌装置由于搅拌转子在磁力作用下与釜底接触，因此会磨损反应釜和搅拌转子。此外，搅拌转子在高速旋转情况下也易造成飞出，导致非正常供气。最后，磁力驱动装置不能置于大型反应器的底部，否则会因为承重问题导致非常高昂的投资成本。
为了避免此问题，申请号为201721248568.0的实用新型专利公布了一种磁力搅拌反应釜，包括非金属的反应容器、密封盖、放置于所述反应容器内的搅拌转子和可围绕所述反应容器旋转的磁力转动机构；所述反应容器包括进料口和出料口，所述出料口设于所述反应容器下方，所述进料口设于所述反应容器上方，所述进料口被所述密封盖密封覆盖。该实用新型可通过磁力的作用使搅拌转子悬浮，避免在高速搅拌下与反应釜接触而磨损。然而由于搅拌转子完全靠磁力作用悬浮和旋转，没有任何固定装置，会使搅拌转子在高速旋转时撞击反应釜内壁，造成严重的生产安全问题。
工业上常用的磁力搅拌反应釜如公开号为CN 111621401 A的专利申请公布的一种磁力搅拌发酵罐和公开号为CN 107519831 A的专利申请提出的新型磁力搅拌反应釜，该类型反应釜中的磁力传动机构包括电动机、外磁转子、隔离套、内磁转子、输出轴等。电动机转轴通过联轴器的方式带动外磁转子转动，内磁转子在外磁转子磁力合力的作用下转动，内磁钢与外磁钢之间是间接接触，内磁转子与搅拌轴连接在一起，搅拌轴随着内磁转子的转动而转动，从而带动搅拌器实现搅拌的功能。但由于内磁转子和外磁转子之间无直接刚性连接，当动力输出轴的负载突然增大或超载过大时，内外磁转子之间将产生滑脱。对于大型反应釜，其搅拌轴和搅拌桨通常重量很大，内外磁力耦合作用不够稳定，容易产生滑脱。此外，该型磁力搅拌反应釜通常是由电机驱动外磁钢，外磁钢利用磁力耦合带动内磁钢、再由内磁钢带动搅拌轴、搅拌轴带动搅拌桨叶进行转动，传动过程较为复杂，造成能量损耗大及传动不稳定。
另外，对于常压大型装置，从顶部加入搅拌轴会存在减小反应器有效体积及造价高的问题；且搅拌桨的搅拌转速大多数都在1000r/min以下，尤其随着反应器尺寸增大，搅拌桨尺寸和重量也要随之增加，搅拌转速相应地会大幅度降低，分布成的气泡尺寸也相应增大，从而使气液混合效果变差且能耗较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带气体分布器的反应器，以解决现有气体分布技术易堵塞、无法将气体分布至微米级小气泡及造价高等问题。
为实现上述目的，本发明提供一种带气体分布器的反应器，包括：
反应器壳体；
固定机构，所述固定机构设置在反应器壳体内部，包括固定支架和固定轴，所述固定支架水平固定设置在反应器壳体上，所述固定轴竖直设置，一端固定在反应器壳体底部，另一端固定在固定支架上；
搅拌机构，所述搅拌机构包括搅拌桨叶，所述搅拌桨叶上设有磁性体，中间设有轴承，所述轴承固定在固定轴上；
气体分布器，所述气体分布器位于搅拌桨叶下方；
电磁发生机构，所述电磁发生机构位于反应器壳体外部。
在本发明的技术方案中，反应器壳体用作容器，用于提供反应场所，气体分布器用于将通入反应器壳体中的气体初步分散成大气泡，搅拌桨叶用于将大气泡打碎至微米级的小气泡，也用于促进反应物料混合均匀，固定轴用于将搅拌桨叶固定，防止搅拌桨叶在高速旋转时脱落飞出。当搅拌桨叶转动到电磁发生机构附近时，电磁发生机构产生磁场，利用同极相斥原理与搅拌桨叶上的磁性互斥来带动搅拌桨叶转动，将反应器中的气体打碎至微米级并充分分散，使气液接触更充分。
本发明所述的带气体分布器的反应器，其中，所述电磁发生机构包括螺旋线圈、磁簧开关和直流电源，所述螺旋线圈、磁簧开关和直流电源组成一个电路回路，螺旋线圈和磁簧开关处于磁性体感应范围内。螺旋线圈用于通电后产生磁场，磁簧开关用于控制电路连通与断开，直流电源用于供电。
本发明所述的带气体分布器的反应器，其中，所述电路回路的个数为一个或多个。
本发明所述的带气体分布器的反应器，其中，所述搅拌桨叶为径向桨和/或斜叶桨。
本发明所述的带气体分布器的反应器，其中，所述搅拌桨叶的个数为一个或多个，每个搅拌桨叶末端的磁性体磁极相同。
本发明所述的带气体分布器的反应器，其中，所述搅拌桨叶的直径与反应器壳体的直径之比为0.01-0.99。
本发明所述的带气体分布器的反应器，其中，所述轴承通过螺母和横条固定在固定轴上。
本发明所述的带气体分布器的反应器，其中，所述固定支架位于反应器壳体下部。
本发明所述的带气体分布器的反应器，其中，所述固定轴通过焊接或浇注的方式垂直固定在反应器壳体内底部中央。
本发明所述的带气体分布器的反应器，其中，所述气体分布器上上下交错开孔，开孔孔径为1-10cm。
本发明所述的带气体分布器的反应器，其中，所述反应器壳体上设有进料口、出料口、进气口和排气口。
本发明所述的带气体分布器的反应器，其中，搅拌桨叶和反应器壳体为非磁性或弱磁性材料制成。
本发明的有益效果是：
本发明所述装置既解决了传统气体分布器气泡尺寸分布较大且分布不均导致反应器内传质效率低下的问题，还避免了传统气体分布器易堵塞导致生产不连续的问题；同时，不存在搅拌桨的轴封问题及顶部加入搅拌轴的问题；再者，解决了无搅拌轴时搅拌桨的固定问题并避免了传统磁力搅拌底座在应用于大型装置中导致造价昂贵的问题；更重要的是，改进了现有磁力搅拌传动过程复杂、不稳定的问题，尤其适用于高长径比及高压密闭的反应环境。
附图说明
图1为本发明实施例1中反应器的示意图；
图2为图1中A部分的放大图；
图3为本发明实施例2中的反应器的示意图；
图4为图3中A-A向的俯视图。
其中，附图标记：
1-反应器壳体；
2-进料口；
3-出料口；
4-进气口；
5-排气口；
6-布气管；
7-搅拌桨叶；
8-磁性体；
9-固定轴；
10-固定支架；
11-轴承；
12-螺母；
13-横条；
14-螺旋线圈；
15-磁簧开关；
16-直流电源；
17-导流筒。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体描述。有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。
一种带气体分布器的反应器，包括：
反应器壳体1；
固定机构，所述固定机构设置在反应器壳体1内部，包括固定支架10和固定轴9，所述固定支架10水平固定设置在反应器壳体1上，所述固定轴9竖直设置，一端固定在反应器壳体1底部，另一端固定在固定支架10上；
搅拌机构，所述搅拌机构包括搅拌桨叶7，所述搅拌桨叶7上设有磁性体8，中间设有轴承11，所述轴承11固定在固定轴9上；
气体分布器，所述气体分布器位于搅拌桨叶7下方；
电磁发生机构，所述电磁发生机构位于反应器壳体1外部。
在本发明的技术方案中，反应器壳体1用作容器，用于提供反应场所，气体分布器用于将通入反应器壳体1中的气体初步分散成大气泡，搅拌桨叶7用于将大气泡打碎至微米级的小气泡，也用于促进反应物料混合均匀，固定轴9用于将搅拌桨叶7固定，防止搅拌桨叶7在高速旋转时脱落飞出。当搅拌桨叶7转动到电磁发生机构附近时，电磁发生机构产生磁场，利用同极相斥原理与搅拌桨叶7上的磁性互斥来带动搅拌桨叶7转动，将反应器中的气体打碎至微米级并充分分散，使气液接触更充分。
本发明所述的带气体分布器的反应器，其中，所述电磁发生机构包括螺旋线圈14、磁簧开关15和直流电源16，所述螺旋线圈14、磁簧开关15和直流电源16组成一个电路回路，螺旋线圈14和磁簧开关15处于磁性体8感应范围内。螺旋线圈14用于通电后产生磁场，磁簧开关15用于控制电路连通与断开，直流电源16用于供电。
本发明所述的带气体分布器的反应器，其中，所述电路回路的个数为一个或多个。
本发明所述的带气体分布器的反应器，其中，所述搅拌桨叶7为径向桨和/或斜叶桨。
本发明所述的带气体分布器的反应器，其中，所述搅拌桨叶7的个数为一个或多个，每个搅拌桨叶7末端的磁性体8磁极相同。
本发明所述的带气体分布器的反应器，其中，所述搅拌桨叶7的直径与反应器壳体1的直径之比为0.01-0.99。
本发明所述的带气体分布器的反应器，其中，所述轴承11通过螺母12和横条13固定在固定轴9上。
本发明所述的带气体分布器的反应器，其中，所述固定支架10位于反应器壳体1下部。
本发明所述的带气体分布器的反应器，其中，所述固定轴9通过焊接或浇注的方式垂直固定在反应器壳体1内底部中央。
本发明所述的带气体分布器的反应器，其中，所述气体分布器上上下交错开孔，开孔孔径为1-10cm。
本发明所述的带气体分布器的反应器，其中，所述反应器壳体上设有进料口2、出料口3、进气口4和排气口5。
本发明所述的带气体分布器的反应器，其中，搅拌桨叶7和反应器壳体1为非磁性或弱磁性材料制成。
以下结合附图对本发明进行进一步说明。
实施例1
如图1和图2所示，反应器包括进料口2、出料口3、进气口4、排气口5，反应器底部中心位置固定有固定轴9，固定轴9上方固定连接有固定支架10，固定支架10固定连接在反应器内壁上且位于反应器下部；搅拌桨叶7位于固定支架10下方且中心位置设有轴承11，轴承11通过螺母12和横条13固定在固定轴9上，搅拌桨叶7的末端嵌有磁性体8；气体分布器为环形，在反应器内部，位于搅拌桨叶7下方且靠近反应器底部；反应器外侧设有螺旋线圈14、磁簧开关15和直流电源16，螺旋线圈14、磁簧开关15和直流电源16组成一个电路回路，螺旋线圈14和磁簧开关15处于磁性体8感应范围内。当搅拌桨叶7转动到磁簧开关15附近时，电路连通，螺旋线圈14产生磁场，利用同极相斥原理与搅拌桨叶7末端的磁性体8互斥来带动搅拌桨叶7转动，将反应器中的气体打碎至微米级并充分分散，使气液接触更充分。
具体的，反应器壳体1高度为4m，直径为0.65m，反应器壳体1和搅拌桨叶7采用奥氏体不锈钢材料制成，搅拌桨叶7为2片径向桨，搅拌桨叶7直径与反应器壳体1直径比为1:3，搅拌桨叶7厚度为6mm，中心开孔孔径为3.6cm，在每个搅拌桨叶7末端镶嵌有条形磁性体8，磁性体8长8cm，宽5cm，2个磁性体8末端的磁极相同，均为N极，一套螺旋线圈14、磁簧开关15和直流电源16组成一个回路并设置于反应器壳体1外侧，固定轴9采用奥氏体不锈钢材料，固定轴9通过焊接方式固定于反应器壳体1内底面中央，固定轴9直径为3.5cm，长度为25cm，固定轴9穿过搅拌桨叶7中心的轴承11并在轴承11上下分别结合螺母12和横条13将其固定，横条13横穿过固定轴9，固定支架10长度与装置壳体1直径相等，两根固定支架10交叉焊接在固定轴9顶部，布气管6(气体分布器)圆管内径为0.08m，布气管6周长1.0m，其上下交叉开有10个圆孔，圆孔内径0.04m。
以石油化工中的重油加氢工艺为例，以劣质重油为原料油，H2为原料气，使用镍催化剂，螺旋线圈14接通直流电源16后产生磁场，其磁场方向与磁性体8末端方向相同，利用同极相斥原理与搅拌桨叶7末端的磁性体8互斥来带动搅拌桨叶7转动，利用磁簧开关15控制电路开合，从而保持搅拌桨叶7持续转动。原料液从反应器壳体1一侧的进料口2进入，原料气从反应器壳体1底部的进气口4进入布气管6，通过布气管6上的圆孔进入后被搅拌桨叶7分散，气液混合均匀后，通过提高直流电的电流密度增加磁场强度，将搅拌桨叶7的转速逐步提高至1000r/min，在搅拌桨叶7的高速搅拌下，气泡被分散成200μm的微小气泡，使气液传质效率更高，反应器壳体1内部压力维持在18.0MPa，多余的气体从反应器壳体1顶部的排气口5溢出，产物从反应器壳体1侧面的出料口3流出。
实施例2
如图3和图4所示，反应器包括进料口2、出料口3、进气口4、排气口5和导流筒17，反应器底部中心位置固定有固定轴9，固定轴9上方固定连接有固定支架10，固定支架10固定连接在导流筒17内壁上且靠近反应器下部；搅拌桨叶7位于固定支架10下方且中心位置设有轴承11，轴承11通过螺母12和横条13固定在固定轴9上，搅拌桨叶7的末端嵌有磁性体8；气体分布器为环形，在反应器内部，位于搅拌桨叶7下方且靠近反应器底部；气体分布器、搅拌桨叶7都位于导流筒17内部；反应器外侧设有螺旋线圈14、磁簧开关15和直流电源16，螺旋线圈14、磁簧开关15和直流电源16组成一个电路回路，螺旋线圈14和磁簧开关15处于磁性体8感应范围内。当搅拌桨叶7转动到磁簧开关15附近时，电路连通，螺旋线圈14产生磁场，利用同极相斥原理与搅拌桨叶7末端的磁性体8互斥来带动搅拌桨叶7转动，将反应器中的气体打碎至微米级并充分分散，使气液接触更充分。
具体的，反应器壳体1高度为11m，直径为1.6m，反应器壳体1和搅拌桨叶7采用非磁性不锈钢材料，搅拌桨叶7为2片径向桨叶和2片斜叶桨的组合体，其直径与反应器直径比为1:2，搅拌桨叶7厚度为1.5cm，中心开孔孔径为2.90cm，在每个搅拌桨叶7末端镶嵌有条形磁性体8，其末端磁极相同，均为S极，两套螺旋线圈14、磁簧开关15和直流电源16分别组成电路回路并对称设置于反应器壳体1外侧，固定轴9采用非磁性材料，通过浇筑方式固定于反应器壳体1内底面中央，固定轴9长度为20cm，固定轴9直径为2.80cm，固定轴9穿过搅拌桨叶7中心的轴承11并在轴承11上下分别结合螺母12和横条13将其固定，横条13横穿过固定轴9，固定支架10长度与导流筒17直径相等，两根固定支架10交叉焊接在固定轴9顶部，导流筒17内径为1.1m，导流筒17底距反应器壳体1底部为15cm，布气管6圆管内径为0.1m，布气管6周长2.4m，其上下交叉开有16个圆孔，圆孔内径0.06m。
以生物反应中的好氧生物发酵工艺为例，搅拌桨叶7和反应器壳体1内部提前灭菌再进行反应，以空气为氧气来源，螺旋线圈14接通直流电源16后产生磁场，利用同极相斥原理与搅拌桨叶7末端的磁性体8互斥来带动搅拌桨叶7转动，利用磁簧开关15控制电路开合，从而保持搅拌桨叶7持续转动。电源接通后搅拌桨叶7开始慢速搅拌，反应物料从反应器壳体1一侧的加料口2进入，空气从反应器壳体1底部的进气口4进入布气管6后被搅拌桨叶7分散，通过提高直流电的电流密度增加磁场强度，逐步提高搅拌桨叶7转速至200r/min，在搅拌桨叶7的高速搅拌下，气体被分散成150μm的微小气泡，使气液传质效率更高，反应器壳体1内部压力维持在0.7MPa，多余的气体从反应器壳体1顶部的排气口5溢出，产物从反应器壳体1侧面的出料口3流出。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。
Claims (12)
1.一种带气体分布器的反应器，其特征在于，包括：
反应器壳体；
固定机构，所述固定机构设置在反应器壳体内部，包括固定支架和固定轴，所述固定支架水平固定设置在反应器壳体上，所述固定轴竖直设置，一端固定在反应器壳体底部，另一端固定在固定支架上；
搅拌机构，所述搅拌机构包括搅拌桨叶，所述搅拌桨叶上设有磁性体，中间设有轴承，所述轴承固定在固定轴上；
气体分布器，所述气体分布器位于搅拌桨叶下方；
电磁发生机构，所述电磁发生机构位于反应器壳体外部。
2.根据权利要求1所述的带气体分布器的反应器，其特征在于，所述电磁发生机构包括螺旋线圈、磁簧开关和直流电源，所述螺旋线圈、磁簧开关和直流电源组成一个电路回路，螺旋线圈和磁簧开关处于磁性体感应范围内。
3.根据权利要求2所述的带气体分布器的反应器，其特征在于，所述电路回路的个数为一个或多个。
4.根据权利要求1所述的带气体分布器的反应器，其特征在于，所述搅拌桨叶为径向桨和/或斜叶桨。
5.根据权利要求1所述的带气体分布器的反应器，其特征在于，所述搅拌桨叶的个数为一个或多个，每个搅拌桨叶末端的磁性体磁极相同。
6.根据权利要求1所述的带气体分布器的反应器，其特征在于，所述搅拌桨叶的直径与反应器壳体的直径之比为0.01-0.99。
7.根据权利要求1所述的带气体分布器的反应器，其特征在于，所述轴承通过螺母和横条固定在固定轴上。
8.根据权利要求1所述的带气体分布器的反应器，其特征在于，所述固定支架位于反应器壳体下部。
9.根据权利要求1所述的带气体分布器的反应器，其特征在于，所述固定轴通过焊接或浇注的方式垂直固定在反应器壳体内底部中央。
10.根据权利要求1所述的带气体分布器的反应器，其特征在于，所述气体分布器上上下交错开孔，开孔孔径为1-10cm。
11.根据权利要求1所述的带气体分布器的反应器，其特征在于，所述反应器壳体上设有进料口、出料口、进气口和排气口。
12.根据权利要求1所述的带气体分布器的反应器，其特征在于，搅拌桨叶和反应器壳体为非磁性或弱磁性材料制成。
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