CN115212829B - 一种高剪切微泡射流反应釜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高剪切微泡射流反应釜，包括反应釜壳体、液体反应物进料管和微泡射流气体反应物进料器，反应釜壳体内设置有高剪切搅拌器；气体反应物微泡射流进料器管设置于釜内部；本发明的反应釜中的液体、微泡气体被内下外上的第一导流叶轮和锯齿型的第二导流叶轮分散、微气泡迅速膨胀爆炸、破碎形成极大的、不断更新的表面积，高速流动的微泡气体迅速膨胀爆炸加剧了气液体瞬间形成高能量极薄气液膜和表面的更新，在多个爆炸冲击波下形成了无数个超薄的气液膜；同时极薄气液膜在经过第二锯齿型导流叶轮后，在凸凹面上也均型成了超薄型气液相膜，使之形成膜间反应，同时由于微泡气体泡在高剪切力下迅速膨胀爆炸产生极高能量并使反应瞬间完成。

Description

一种高剪切微泡射流反应釜

技术领域

本发明涉及高剪切微泡射流膜间工程技术及爆炸反应技术领域，特别是涉及一种高剪切微泡射流反应釜。

背景技术

高剪切微泡射流膜间技术的基本原理是利用20纳米~15微米微孔陶瓷膜及射流装置条件下产生极限微泡气体的独特流动及爆炸产生高能的行为，强化相与相之间的相对速度和相互接触，从而实现高效的传质传热过程和化学反应过程。获取超能的方式主要是通过微泡气体在射流情况下高速运动及膨胀爆炸产生的微重力场，涉及的多相流体系主要包括气-固体系和气-液体系﹣爆炸能量糸。射流力场(超重力场)及爆炸重力场(高能高温)被用于相间分离和快速反应，无论在日常生活还是在工业应用上，都已有相当长的历史。

现有高剪切技术中的反应釜由于剪切力度不能达到超重力条件，造成不能提高反应速度，气体不能迅速溶解于液体的问题，导致反应釜的生产效率降低及气体的外泄，造成生产成本提高和环境污染等。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种高剪切微泡射流反应釜，解决了现有的反应釜中不能产生快速反应的超重力场及爆炸重力场，造成生产效率降低、反应条件不好控制、生产成本提高问题和气体外泄环境问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种高剪切微泡射流反应釜，包括反应釜壳体18、液体反应物进料管20、高剪切搅拌器、微泡射流气体反应物进料器；所述高剪切搅拌器位于反应釜壳体18内部，所述搅拌器包括变频电机12、第一导流叶轮15和第二导流叶轮16；变频电机12通过联轴器11与反应釜传动轴19连接，反应釜传动轴19上从上到下依次设有第一导流叶轮15和第二导流叶轮16，反应釜传动轴19的轴线、第一导流叶轮的轴线第二导流叶轮的轴线均重合。

第一导流叶轮15包括多个间隔均匀布置的、横截面呈“S型”字变形结构的第一层叶片，“S型”字变形结构第一层叶片可使液体由反应釜传动轴19处向下运动、由釜壁处向上运动；每个第一层叶片的一端均与转子外壁固定连接，第一叶片的长度方向与转子的长度方向同向，转子固定在反应釜传动轴19上。

第二导流叶轮16包括多个间隔均匀布置的第二层叶片，第二层叶片的长度方向与转子的长度方向同向；第二叶片为锯齿型桨叶，表面设有多个横截面呈“犁头”字形结构的锯齿，锯齿型桨叶由于凹面反射角及边延高剪切的存在，微气泡在此迅速膨胀爆炸，产生了高温、高能、高剪切反应。

所述微泡射流气体反应物进料器包括陶瓷膜微泡发生器13和气体反应物入口1，气体反应物入口1位于反应釜壳体18的一侧，所述陶瓷膜微泡发生器13为20纳米~15微米级多孔隙的陶瓷膜结构，产生20纳米~15微米的极限微小气泡，且以射流方式产生高动能并迅速膨胀爆炸的高温高能反应。

所述反应釜壳体18底部侧壁上设置有与其内部连通的生成物出口5，生成物出口5的设置方便将反应釜壳体内的生产物取出，所述反应釜壳体18顶部一侧设有添加剂入口3，另一侧设有液体反应物进料管20，顶部设有观察孔4，添加剂入口3和液体反应物进料管20处均设有密封盖。

优选的，本发明所述液体反应物进料管20入口处的进料管上有定量液位自动关闭阀。

优选的，本发明所述反应釜壳体18内还设置有冷却装置，冷却装置包括呈螺旋结构的冷却管17和分别设置于反应釜壳体两侧的冷却液进口2和冷却液出口6，所述冷却液进口2和冷却液出口6分别与冷却管17的两端连通；所述搅拌器设置在冷却管内。

优选的，本发明所述反应釜壳体18上设有2个液位计接口7、1个 PH计接口8、2个温度计接口9、一个电导率仪接口10，2个液位计接口7分别位于反应釜壳体18的上部和下部，2个温度计接口9分别位于反应釜壳体18的中上部和中下部。

优选的，本发明所述陶瓷膜微泡发生器13的陶瓷膜外为射流孔板14，射流孔板14上间隔均匀设置有多个微泡射流气体反应物出口21，所述气体反应物进陶瓷膜微泡发生器13及射流孔板14产生高能微气泡，每个所述微泡射流气体反应物出口21的方向为气体反应物进料射流管的射流线方向。

进一步地，为了确保搅拌器的密封性能，避免润滑油向壳体内泄漏，所述反应釜传动轴19与反应釜壳体18的连接处设置有动密封轴承。

本发明的基本原理为：驱动装置实现搅拌器的离心转动，同时气体反应物通过20纳米~15微米的陶瓷膜微泡发生器进入反应釜内部，液体反应物通过液体反应物进料管进入反应釜内；在高速离心力、剪切力和气体压力的作用下，气体依次从陶瓷膜微泡发生器13产生20纳米~15微米气泡高速溶入液体中并迅速膨胀爆炸，爆炸同时产生高能高温极薄冲击波层碎片，同时第一导流叶轮15由于产生了内下外上的高剪切力，气液混合体即产生上下循环的流动环境，第二导流叶轮16的高剪切力，使微泡气体加速膨胀爆炸并产生高能高温重力场，因为两个导流叶轮中叶片形状的设置，在两个导流叶轮的凸面点上快速流动及气泡爆炸形成极限气膜；在高速剪切力和液体压力的作用下，液体流经第二导流叶轮16，与爆炸后的高能高温极限气膜接触后形成了超薄的气液膜；在此过程中，液体、气体被第一导流叶轮15和第二导流叶轮16分散、破碎形成极大的、不断更新的表面积，曲折的流道及爆炸的高温高能加剧了液体极薄和表面的更新；这样，在搅拌反应釜内部形成了极好的传质与反应条件，由于气体自动控制了进气量，使之通过陶瓷膜微泡发生器13后形成了超薄的气液膜，同时极薄气液膜在经过第二导流叶轮16后，在凸凹面及爆炸环境下均形成了超薄型气液相膜，使之在膜间形成反应，在气液膜外由于是无传质条件，故无物质参加反应，从而使反应在膜间瞬间完成。同时由于气液相通过第一导流叶轮15和第二导流叶轮16后可产生传质物体间的切线速度可在7m/s~12m/s之间可控，同时第一叶片和第二叶片凹面形成旋涡状流体，因此细粒生成物被第二叶片抛出，也使反应生成物粒径可控。使得整个反应釜反应迅速，避免了气体溶解率低及反应慢并且产生没反应完气体溢出的问题，使反应釜气液间能高速反应，提高了反应速率，减少了反应时间，提高了成生产效率和降低了生产成本。

本发明的有益效果为：

（1）本发明所述反应釜中的液体、微泡射流气体、微气泡在高速射流下迅速膨胀爆炸为极小气液膜碎片，同时没膨胀爆炸的更小气泡被第一导流叶轮和第二导流叶轮分散、破碎形成极大的、不断更新迅速膨胀的气泡并爆炸，从而形成不断更新的表面积，曲折的流道加剧了气泡的爆炸冲击波的形成，形成了高能量超薄的气液膜，同时极薄气液膜在经过第二导流叶轮后，在凸凹面上均型成了超薄型气液相膜，使之在膜间形成反应，在气液膜外由于是无传质条件，故无物质参加反应，从而使反应在膜间瞬间完成，加快反应效率。

（2）本发明所述驱动装置可以带动搅拌器以不同的速度进行离心转动，同时第一叶片和第二叶片凹面形成旋涡状流体，因此细粒生成物被叶片抛出，而粗粒生成物从转子内部旋涡中心往下运动，从而达到迅速反应状态，也使反应生成物粒径可控；从而使整个反应釜内反应形成微泡射（超重力）场及气泡（爆炸超重力），避免了反应时间长，反应速率低的情况，使反应能在多重（重力场）条件下极速反应，减少了反应时间，提高了成生产效率和降低了生产成本。

附图说明

图1为本发明所述高剪切微泡射流反应釜的结构示意图。

图2为气体反应物微泡射流进料器的放大结构示意图。

图3为第一导流叶轮的结构示意图。

图4为第二导流叶轮的结构示意图。

图5为第二导流叶轮上锯齿的结构示意图。

其中，1-气体反应物入口；2-冷却液进口；3-添加剂入口；4-观察孔；5-生成物出口；6-冷却液出口；7-液位计接口Ⅰ；8-PH计接口；9-温度计接口；10-电导率仪接口；11-联轴器；12-变频电机；13-陶瓷膜微泡发生器；14-射流孔板；15-第一导流叶轮；16-第二导流叶轮；17-冷却管；18-反应釜壳体；19-反应釜传动轴；20-液体反应物进料管；21-微泡射流气体反应物出口。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例1

如图1~图5所示，一种高剪切微泡射流反应釜，所述反应釜壳体18内部设搅拌器和陶瓷膜微泡发生器13；所述搅拌器包括变频电机12、第一导流叶轮15和第二导流叶轮16；变频电机12通过联轴器11与反应釜传动轴19连接，反应釜传动轴19上从上到下依次设有第一导流叶轮15和第二导流叶轮16，反应釜传动轴19的轴线、第一导流叶轮的轴线第二导流叶轮的轴线均重合；第一导流叶轮15包括多个间隔均匀布置的、横截面呈“S型”字变形结构的第一层叶片，“S型”字变形结构第一层叶片内侧产生向下导流力、外侧产生向外上方导流力，可使液体由反应釜传动轴19处向下运动、由釜壁处向上运动；每个第一层叶片的一端均与转子外壁固定连接，第一叶片的长度方向与转子的长度方向同向；第二导流叶轮16包括多个间隔均匀布置的第二层叶片，第二层叶片的长度方向与转子的长度方向同向；第二叶片为锯齿型桨叶，表面设有多个横截面呈“犁头”字形结构的锯齿，锯齿型桨叶由于凹面反射角及边延高剪切的存在，微气泡在此迅速膨胀爆炸，产生了高温、高能、高剪切反应。

所述微泡射流气体反应物进料器包括陶瓷膜微泡发生器13和气体反应物入口1，气体反应物入口1位于反应釜壳体18的一侧，所述陶瓷膜微泡发生器13为20纳米~15微米级多孔隙的陶瓷膜结构，产生20纳米~15微米的极限微小气泡，且以射流方式产生高动能并迅速膨胀爆炸的高温高能反应。

所述反应釜壳体18底部侧壁上设置有与其内部连通的生成物出口5，生成物出口5的设置方便将反应釜壳体内的生产物取出，所述反应釜壳体18顶部一侧设有添加剂入口3，另一侧设有液体反应物进料管20，顶部设有观察孔4，添加剂入口3和液体反应物进料管20处均设有密封盖；所述液体反应物进料管20的位置为根据物料特性改变；所述反应釜壳体18的一侧设有气体反应物入口1，所述气体反应物入口1与陶瓷膜微泡发生器13连通。所述液体反应物进料管20入口处的进料管上有定量液位自动关闭阀。

本发明所述装置中的高剪切是靠叶片的剪切力起作用，叶片磨损很大，在实际生产中，无法生产粒径≤80nm的产品，若没有微泡射流气体反应物进料器，只能生产粒径≥100nm碳酸钙产品。若没微泡射流气体反应物进料器，那反应时间约为30分钟以上，有微泡产生，CO₂会迅速溶解于水中形成碳酸，碳酸与氢氧根反应后才会生成碳酸钙。

作为本发明的另一个实施方式：

为了使得反应釜壳体18内的温度恒定，确保满足生成物的反应温度条件，反应釜壳体18内还设置有冷却装置，冷却装置包括呈螺旋结构的冷却管17和分别设置于反应釜壳体两侧的冷却液进口2和冷却液出口6，所述冷却液进口2和冷却液出口6分别与冷却管17的两端连通；所述搅拌器设置在冷却管17内。

本发明所述反应釜壳体18上设有2个液位计接口7、1个 PH计接口8、2个温度计接口9、一个电导率仪接口10，2个液位计接口7分别位于反应釜壳体18的上部和下部，2个温度计接口9分别位于反应釜壳体18的中上部和中下部。

进一步地，作为微泡射流气体反应物进料器的一种具体设置方式，本发明所述陶瓷膜微泡发生器13的陶瓷膜外为射流孔板14，射流孔板14上间隔均匀设置有多个微泡射流气体反应物出口21，所述气体反应物进陶瓷膜微泡发生器13及射流孔板14产生高能微气泡，每个所述微泡射流气体反应物出口21的方向为气体反应物进料射流管的射流线方向。气体从微泡射流气体反应物出口21流出，由于狭管效应，使得气体的初始速度大（超过9.8m/s），产生了高速高能并迅速膨胀爆炸的气泡，而且在经过第一导流叶轮15和第二导流叶轮16时，对微泡气体进行再次加速，从而使微泡气体迅速膨胀爆炸并产超重力冲击波，同时对极小微气泡体进行再次加速并使之膨胀爆炸，从而在次形成极限气膜碎片使之反应迅速。

进一步地，为了确保搅拌器的密封性能，避免润滑油向壳体内泄漏，所述反应釜传动轴19与反应釜壳体18的连接处设置有动密封轴承。

为了实现第一导流叶轮15、和第二导流叶轮16的同步转动，搅拌器还包括安装板，第一导流叶轮15顶部、和第二导流叶轮16顶部均与安装板的下端面固定连接。

本实施例所述变频电机12的转速在0转/min ~120转/min的范围可调，进而实现气液相通过第一导流叶轮15和第二导流叶轮16、并在微气泡爆炸后高温高能冲击波下、也在微泡射流下可产生传质物体间的速度可在7m/s~12m/s之间可控，也使反应生成物粒径可控。

液体反应物在釜内内下外上的循环方式，使得液体反应物增加液体流动的初始速度，使得与气体接触时更容易形成超薄的气液膜，加快液体和气体在膜间形成反应，提高反应效率。

Claims (5)

1.一种高剪切微泡射流反应釜，其特征在于：包括反应釜壳体（18）、液体反应物进料管（20）、高剪切搅拌器、微泡射流气体反应物进料器；

所述高剪切搅拌器位于反应釜壳体（18）内部，所述搅拌器包括变频电机（12）、第一导流叶轮（15）和第二导流叶轮（16）；变频电机（12）通过联轴器（11）与反应釜传动轴（19）连接，反应釜传动轴（19）上从上到下依次设有第一导流叶轮（15）和第二导流叶轮（16），反应釜传动轴（19）的轴线、第一导流叶轮的轴线第二导流叶轮的轴线均重合；

第一导流叶轮（15）包括多个间隔均匀布置的、且横截面呈“S型”字变形结构的第一层叶片，“S型”字变形结构第一层叶片可使液体由反应釜传动轴（19）处向下运动、由釜壁处向上运动；每个第一层叶片的一端均与转子外壁固定连接，第一层叶片的长度方向与转子的长度方向同向，转子固定在反应釜传动轴（19）上；

第二导流叶轮（16）包括多个间隔均匀布置的第二层叶片，每个第二层叶片的一端均与转子外壁固定连接，第二层叶片的长度方向与转子的长度方向同向；第二层叶片为锯齿型桨叶，表面设有多个横截面呈“犁头”字形结构的锯齿，锯齿型桨叶由于凹面反射角及边延高剪切的存在，微气泡在此迅速膨胀爆炸，产生了高温、高能、高剪切反应；

所述微泡射流气体反应物进料器包括陶瓷膜微泡发生器（13）和气体反应物入口（1），气体反应物入口（1）位于反应釜壳体（18）的一侧，所述陶瓷膜微泡发生器（13）为20纳米~15微米级多孔隙的陶瓷膜结构，产生20纳米~15微米的极限微小气泡，且以射流方式产生高动能并迅速膨胀爆炸的高温高能反应；

所述反应釜壳体（18）底部侧壁上设置有与其内部连通的生成物出口（5），顶部一侧设有添加剂入口（3），另一侧设有液体反应物进料管（20），顶部设有观察孔（4），添加剂入口（3）和液体反应物进料管（20）处均设有密封盖；

所述陶瓷膜微泡发生器（13）的陶瓷膜外为射流孔板（14），射流孔板（14）上间隔均匀设置有多个微泡射流气体反应物出口（21），所述气体反应物进陶瓷膜微泡发生器（13）及射流孔板（14）产生高能微气泡，每个所述微泡射流气体反应物出口（21）的方向为气体反应物进料射流管的射流线方向。

2.根据权利要求1所述的高剪切微泡射流反应釜，其特征在于：所述液体反应物进料管（20）入口处的进料管上有定量液位自动关闭阀。

3.根据权利要求1所述的高剪切微泡射流反应釜，其特征在于：所述反应釜壳体（18）内还设置有冷却装置，冷却装置包括呈螺旋结构的冷却管（17）和分别设置于反应釜壳体两侧的冷却液进口（2）和冷却液出口（6），所述冷却液进口（2）和冷却液出口（6）分别与冷却管（17）的两端连通；所述搅拌器设置在冷却管内侧。

4.根据权利要求1所述的高剪切微泡射流反应釜，其特征在于：所述反应釜壳体（18）上设有2个液位计接口（7）、1个 PH计接口（8）、2个温度计接口（9）、一个电导率仪接口（10），2个液位计接口（7）分别位于反应釜壳体（18）的上部和下部，2个温度计接口（9）分别位于反应釜壳体（18）的中上部和中下部。

5.根据权利要求1所述的高剪切微泡射流反应釜，其特征在于：所述反应釜传动轴（19）与反应釜壳体（18）的连接处设置有动密封轴承。