CN1450931A - 混合装置和在封闭式反应器中混合气体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种混合装置和在一个将气体用作一种高效操作助剂并且在所述溶液中粉状固体颗粒含量高的封闭式混合反应器中混合气体的一种方法。目的是在利用所述反应器中心处的旋转混合装置从所述液体表面吸收气体的所述反应器中获得流体，并且在所述反应器的满负荷生产能力范围内对所述气体进行混合。本发明的混合装置由至少两个在同一根轴上不同高度的混合器组成。所述上混合器装有一块固定在所述轴上的中心板，带有从所述中心板上下提升的基本垂直的内叶片以及朝外的外叶片，这些叶片与水平方向倾斜。所述下混合器装有一块固定在所述轴上的中心板，带有位于所述外缘的垂直叶片。
Description
本发明涉及一种混合装置和在封闭式混合反应器中，尤其是在将气体用作一种高效操作助剂并且在溶液中粉状固体颗粒含量高的压热器中，对气体进行混合的一种方法。目的是在反应器中心处使用旋转混合装置从液体表面上吸收气体的反应器中获得一个流动，并且在所述反应器的满负荷生产能力范围内对所述气体进行混合。本发明的混合装置由至少两个处在同一根轴上不同高度的混合器组成。所述上混合器装有一块固定在所述轴上的中心板，带有从所述中心板上下提升的基本垂直的内叶片以及朝外的外叶片，这些叶片与水平方向倾斜。所述下混合器装有一块固定在所述轴上的中心板，带有位于所述外缘的垂直叶片。
压热器通常是卧式的，经常有多个隔舱，而且不带挡板。供气通常通过在大功率扩散混合装置的有效范围内输入空气、氧气(氧化)或氢气(还原)来进行。经常在诸如压热器这样的封闭式反应器中，要求气体从所述表面上返回到所述溶液中。在使用空气时，这并不敏感，正如在那种情况下氮气仅聚积成一层那样，但对于纯氧气和氢气，通过从所述表面上吸收它，剩余气体甚至能重新利用。
就从表面上吸收气体，然后将之扩散而言，有一些称作自吸十字形管的管道，其中在空心轴底端的所述气体空间通常分成顶端敞开的四条支管。旋转十字形管在气体空间中产生真空，这造成所述气体排出并且在反应器的溶液空间扩散成气泡。应当注意，随着溶液的温度上升，流流压力也升高，在这种情况下，真空的效果减弱。不过，这种十字形管结构不能进一步将气体扩散到所述溶液中，多少保持一种(稠密的)固体颗粒悬浮运动。
以前也知道运用下降流原理从表面吸收气体。美国专利4,454,077说明一种装置，其中使用一个像双头螺栓似的混合装置，通过一个中心管将气体向下泵送，此外该装置还包括上下挡板。美国专利4,328,175说明一个类似的装置，但中心管的上端呈锥形。
由此知道，气体因混合器的轴处强大的中央涡旋而被压入混合器，就是说，气体被强化吸入溶液。这种强大的和经常广泛存在的气体涡旋将气体从表面输送到拟混合的液体或溶液中，有时甚至效果太强了，但在某种气体速度上，混合装置的运行随着混合器“在大量气泡中”旋转而减弱。这时，随着动力减弱，所述涡旋也减弱，而且从表面向溶液中的吸气也减少了。然而，以上述方式产生的涡旋是不受控制的，而且当推广到气体混合器时，它造成强烈的功率变化，从而对设备造成损害。更糟糕的是，混合器不再能对粉状固体颗粒进行混合，因为它对稠密的粉状固体颗粒悬浮尤其无效。
从美国专利5549854中得知一种从液体表面上吸气的方法，这种方法将旋转混合装置用作能量源和特殊可调阻流的挡板。采用这一方法能实现受控吸气涡流，它并不立即将所述气体输送到所述混合装置本身。
在封闭式氧化或还原反应器中使充足的气体量进入固体—溶液悬浮液中，尤其是在固体颗粒含量高(＞50％)的场合，一般要求气体进入反应器下部的溶液空间，主要在混合装置下面。这种气体经常沿混合器向下经过溶液表面，而其下端通过一根管子导向反应器的中心轴并且在所述混合器下旋转。这就是如何试图使气体进入下部并且利用混合器加以扩散的方法。
尤其是在压热器中，所述反应器必须衬砌一些特殊物质，大多使用钛。例如这同样适用于供气管。钛处理、焊接等比通常更困难。此外，钛比普通材料更昂贵。这些因素决定了对混合和气体扩散的巨大需求。混合器获得强大的流体，因为这种悬浮液包含大量固体颗粒，而且当这些流体撞击气体管道时，在最坏的情况下，它们可能将管道磨穿。这意味着气体朝上升，甚至没有接触到用以扩散这些气体的混合装置，因此气体效率大大降低。
对于压热器，还知道扩大其中的所述开口尺寸事实上导致壁厚增加，这直接表现为投入资金增加。出于这种原因，在反应器顶盖中供混合装置使用的开口通常在直径600～800毫米数量级。在维护/更换混合器方面一件非常重要的事是这一工作能够通过直接从开口中提升混合器来完成，即混合器的尺寸通常取决于压热器中开口的大小。如果这种流程需要大量轴功率(千瓦/立方米)，就值得使用要求并提供大量功率的混合器。混合器提供的功率当然能够通过提高旋转速度来增加，但必须记住，在此同时，混合器的叶片速度也增加。当叶片速度显著增加(＞6米/秒)时，所述混合器也会开始出现显著磨损。
本发明涉及一种混合装置和在封闭式反应器中，尤其是在将气体用作一种高效操作助剂和在溶液中粉状固体颗粒含量高的压热器中，对气体进行混合的一种方法。目的是在反应器中获得一股流体，利用所述反应器中心的旋转混合装置从所述液体表面上吸收气体。本发明的混合装置由至少两个处在同一根轴上不同高度的混合器组成。所述上混合器装有一块固定在所述轴上的中心板，带有从所述中心板上下提升的基本垂直的内叶片以及朝外的外叶片，这些叶片与水平方向倾斜。所述下混合器装有一块固定在所述轴上的中心板，带有位于所述中心板外缘的垂直叶片。本发明的重要特征将在所附专利权利要求中说明。
这里按照本发明为在诸如压热器等封闭式反应器中轴附近实现受控中心涡旋而开发的方法，利用至少两个具有独立功能的混合装置来实现，一个在同一根轴上安装在另一个的上部。这种安排能消除以前方法的缺点，而且依然取得一个有效的气体涡旋，将气体吸入所述液体，主要借助最上面的所述混合装置。这种装置不仅用来形成所述气体旋涡。而且用来将吸入的气体扩散成小气泡，并且推压小气泡，从而在轴周围延伸的流体中下行到下混合装置处，在固体悬浮液中均匀分配。最下面的混合器显然比所述上混合装置具有更大的能量。借助这一能量，下推的气泡扩散得更小，因此增加了气体与液体的接触面，由此所述反应远比用普通方法更快速和彻底。剩余能量用来混合和扩散反应器整个容积内大量悬浮液中的固体颗粒。
因此，开发两个混合器，尤其是下混合器，以便它们能比通常获得更多的轴功率。在采用现有技术的多数反应器中，悬浮液中的气体只是局部大量扩散，并且因此而降低了混合器的轴功率。
现将本发明的构想简要说明如下：最上面的混合装置是这样：它使固体—溶液悬浮表面上的吸气在混合器上面的溶液中形成多个管状气体涡旋。这些气体腔进一步由混合器本身吸入并且由几乎垂直的中心混合器叶片扩散成小气泡。由此形成的气泡从中心轴向另一侧，即外叶片侧运动，叶片与水平方向有一个适当的角度，优选地为45度。混合到所述溶液中的气泡因这些叶片而继续扩散，但它们同时被向下推到最下面的所述混合装置处。
最下面的混合装置显然比上混合装置获得更多的轴功率，借此有可能将来到那里的所述气泡极其精细地扩散，而不损失大量混合能量。除了将精细扩散的气泡分散到这一侧，然后随流场向上之外，下混合器有充足的功率在整个溶液空间将粉状固体颗粒分离成均匀的悬浮液。因此按照本发明的整个方法保证从液体表面充分吸收气体，两级和有效地扩散，巨大的混合能量以及在反应器各处均匀分布的固体颗粒悬浮液，虽然有高的悬浮液密度。
这里参照附图更详细地说明按照本发明的所述装置，附图中：
图1表示现有技术的一个最简单形式的实施例的垂直截面，其中主要注意对固体颗粒的混合，而从表面吸气不是非常有效；
图2用图说明现有技术的另一个简单形式的实施例的垂直截面，其中注意从所述表面吸气，但未对固体颗粒进行混合；
图3用图说明现有技术的一种更先进形式的实施例的垂直截面，其中注意既对固体颗粒进行混合，又从表面吸气；
图4表示本发明应用的垂直截面，其中尤其要注意既对固体颗粒进行混合，又从表面吸气；
图5A用图说明按照本发明的一个上混合器的垂直截面，其中主要注意从所述表面吸气并且取得所需的扩散能量以及混合所述溶液中产生的气泡并将气泡向下推；
图5B表示按照本发明的一个下混合器的垂直截面，其中注意既对固体颗粒进行混合，又取得从表面吸气所需的混合能量；
图6是所述气体中空气含量作为所述各种混合器叶尖速度函数的图示；及
图7是所述各种混合器轴功率比作为空气含量函数的图示。
图1显示一个立式封闭式反应器，包括一个圆柱部分2、封闭底部3和顶盖部分4。在所述顶盖部分中有一个开口5，它的直径通常与所述混合器的直径相同。显然，所述开口在运行期间被封闭。在所述反应器中通过混合产生的大的气旋或涡旋主要受四个标准挡板6的阻挡。所述反应器充注一种含有固体颗粒7的溶液。在所述溶液的表面8上有一个气体空间9，利用供气管道10将所述空间充满，并且所述混合器11从那里获得所述溶液表面上的锥形气体构型12。一个常用的四叶混合器固定在所述轴13的底端，其中叶片角度可单独调整。该角度通常为45度。
图2表示一台与图1相同的反应器。区别在于所述混合器11已经升高到更靠近溶液表面8。所述混合器11形成的锥形气体构型12靠混合器扩散成气泡，并且向下推一段距离，但并不到底部，因为导向混合器轴的所述流体并没有强大到使固体颗粒15适当悬浮。混合器的类型与图1中相同。
图3表示一台与图1相同的反应器。区别在于有两个混合器；下混合器16靠近底部，而在同一根轴上的上混合器17靠近所述溶液表面8。混合器11形成的所述锥形气体构型12靠所述混合器扩散成气泡，并且向下推一段距离，接近所述混合器16。所述下混合器的任务应是将气泡进一步扩散成更小的气泡18，并且将气泡扩散到所述溶液中，使流体流向所述底部，从而使所述固体颗粒在溶液中均匀悬浮。
图4表示所述反应器1是一个封闭式反应器，如压热器，与前图相同。较之图3的区别在于下混合器1 6用按照本发明的一个下混合器19取代，以及上混合器17用按照本发明的一个上混合器20取代。所述上混合器20在图5A中更详细显示，而所述下混合器19在图5B中显示。利用所述上混合器20在溶液表面形成的许多小锥形气体构型12，通过按照本发明成型的垂直内叶片21扩散成比图3中小得多的气泡14。
上混合器20的外叶片22将那里形成的气泡分散并朝下推向所述下混合器19。下混合器19接收这些气泡并利用按照本发明成型的垂直叶片24进一步将气泡扩散成极小的气泡23。这些同样的产生强力的流体的叶片将这些小气泡分散到周围的溶液中，并且同时使固体颗粒7悬浮。
本发明的混合器组合工作得很理想，因为尽管它们尺寸很小(在所述开口5允许的范围内)，但两个混合器为气体扩散和固体颗粒悬浮产生比往常大得多的混合能量，而且随着气体量的增加，功率损耗增加得非常缓慢，这完全是因高效扩散和分散气泡的方式所致。
如果需要，它们可以是多个混合器，但最上面的混合器按上混合器的说明，而最下面的混合器按下混合器的说明。中间的混合器可以根据需要，从按照本发明的混合器实例中选择。
图5A更详细地显示本发明的上混合器20，这里优选地在一个圆形中心板25上固定六个特殊形状的垂直内叶片21。所述中心板对称地固定到混合器轴13上，如图4所示。所述内叶片21径向固定在所述中心板25的内侧，并且沿所述中心板上下延伸。所述叶片在其差不多中间点处固定到所述中心板上(如正视图中所示)。每个内叶片的外缘26垂直，而所述中心板下面的内缘27也垂直。所述中心板上所述叶片的内缘朝着外缘逐步变窄，形状像一条圆弧。所述垂直叶片的目的是扩散气体和将形成的气泡推向所述外叶片22。
上混合器20的外叶片22基本上是矩形，固定在所述中心板25的外缘上，并且均与水平方向倾斜。外叶片的数量与所述垂直叶片相同，都固定在所述中心板上对应于所述垂直叶片的位置。所述外叶片与水平的倾角为30～60度，优选地为45度。这些外叶片的目的是使向下的流体流向所述下混合器并且向外和向下分配所述气泡。
图5B中的混合器是一个按照本发明的下混合器19，这里优选地在一个圆形板28上固定六个特殊形状的垂直叶片24。除上下颠倒处这些垂直叶片与图5A中所示上混合器20的内叶片21形状相同。这些叶片径向固定在所述中心板28的外缘，从而它们可沿所述板上下延伸。叶片在其差不多中间点处固定到中心板上(如正视图中所示)。每个叶片的外缘29基本垂直，正如内缘30的上部，但所述内缘的下部朝所述外缘方向变窄，形状像一条圆弧。
以下举例详细说明本发明。例1.
通过测量溶液表面(水)的升高，即空气含量(％)，针对所有四种情况(图1、2、3和4中所示反应器和混合器)，对从表面吸收气体(空气)的能力进行研究。混合器的直径几乎相等，就是说，混合器与反应器的直径比为0.39。图6表示试验结果作为混合器叶尖速度的函数。这一结果为不同的混合器安排的吸气效率排出明确的顺序，即从最差到最好的顺序是：图1、图2、图3和图4。例2.
通过测量上述同样四种情况(图1、2、3和4中所示反应器和混合器)的轴功率Pi(千瓦)，对耐受从其表面吸收的气体(空气)的能力进行调查。这与普通无气体溶液的功率Po做对比。图7表示结果作为所述混合器吸入气体(空气)量的函数。这些结果表明，在图1和图2的情况下，完全不存在吸入的空气量或数量如此之少，以致甚至无法与图3和图4的情况相提并论。所述结果再次为效率持久性排出明确的顺序，即从最差到最好的顺序是：图1、图2、图3和图4。例3.
按四种同样的情况(图1、2、3和4中所示反应器和混合器)对其在从所述表面吸入气体(空气)的同时使大量粉状固体颗粒悬浮的能力进行试验。这一试验通过测量所需的叶尖速度和对应的轴功率/溶液容积(千瓦/立方米)来进行，此时粉末完全在所述反应器的底部运动。这一实验结果显示在下表中：
情况 叶尖速度 轴功率/容积
(图) 米/秒 千瓦/立方米
1 ＝4.8 ＝5.6
2 ＞7.1 ＞4.7
3 ＝4.7 ＝2.6
4 ＝2.8 ＝2.0
该表表明，在使用一个混合器时：当混合器(图1)位置较低时，能通过使用相当大的轴功率来实现所述固体颗粒的混合，但没有从所述表面吸收空气。当所述混合器位置较高时(图2)，吸收一定程度的空气，但所述固体颗粒没有处在运动中。使用两个混合器：现有技术的实施例(图3)确实从表面吸收空气，固体颗粒也处在运动状态，但利用本发明的方法(图4)，吸入的空气增加一倍，而且固体颗粒更加有效地运动。当固体颗粒更多时，这一效果进一步加强。
Claims (10)
1.一台用于从液体表面上吸收气体并且在装有挡板(6)的立式封闭式反应器(1)中进行气体混合的混合装置，借此所述混合装置由至少两个位于同一根轴(13)上不同高度的混合器构成，其特征在于上混合器(20)装有一块固定在所述轴(13)上的中心板(25)，带有从所述中心板上下提升的基本垂直的内叶片(21)以及朝外的外叶片(22)，这些叶片从与水平方向倾斜，而所述下混合器(19)装有一块固定在所述轴(13)上的中心板(28)，带有位于所述中心板外缘上的垂直叶片(24)。
2.按照权利要求1所述的混合装置，其特征在于所述上混合器(20)的内叶片(21)径向固定在所述圆形中心板(25)的内侧。
3.按照权利要求1所述的混合装置，其特征在于所述上混合器(20)的内叶片的外缘(26)和所述中心板(25)下面的内缘(27)是垂直的。
4.按照权利要求1所述的混合装置，其特征在于所述中心板(25)上方所述上混合器(20)内叶片的外缘(27)向外变窄。
5.按照权利要求1所述的混合装置，其特征在于所述上混合器(20)的外叶片与水平方向倾斜30～60度。
6.按照权利要求1所述的混合装置，其特征在于所述下混合器(19)的垂直叶片(24)径向固定在所述中心板(28)的外缘，沿该中心板上下延伸。
7.按照权利要求1所述的混合装置，其特征在于所述下混合器(19)的垂直叶片外缘(29)和内缘(30)的上部基本垂直。
8.按照权利要求1所述的混合装置，其特征在于所述中心板下面的所述下混合器(19)的垂直叶片外缘(30)向外变窄。
9.一种从液体表面上将气体吸入所述液体并且在装有挡板的立式封闭式反应器中将所述气体与所述液体和固体颗粒混合的方法，由此位于同一根轴上不同高度的两个混合器被用于所述混合，其特征在于带有其直边混合叶片的所述上混合器形成气体涡旋，该涡旋将所述气体吸入所述液体，并且将所述气体以小气泡扩散到所述液体中，而所述同一混合装置的与水平方向倾斜的外叶片将所述气泡分配到所述反应器中固体颗粒悬浮液中，并且同时向下推，借此所述下混合装置将所述气泡扩散成更小的气泡，并向侧向向外分散，然后向上以及将所述固体颗粒保持在悬浮液中。
10.按照权利要求9的方法，其特征在于最下面的混合装置比最上面的装置有更大的功率。
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