CN1533832A

CN1533832A - 涡旋脉动式反应装置

Info

Publication number: CN1533832A
Application number: CNA031214584A
Authority: CN
Inventors: 初广文; 宋云华; 陈建铭; 陈建峰; 付纪文
Original assignee: Beijing University of Chemical Technology
Current assignee: Beijing University of Chemical Technology
Priority date: 2003-04-01
Filing date: 2003-04-01
Publication date: 2004-10-06
Anticipated expiration: 2023-04-01
Also published as: CN1218777C

Abstract

本发明涡旋脉动式反应装置包括反应器、振荡器、泵和贮槽。在反应器的侧壁设有气体进口，反应器的顶部设有气体出口，反应器中设有轴向相对布置的两个喷嘴和产生多股切向气流的气体分配器；液体从贮槽由泵输送经过产生脉动的振荡器形成两股或四股的液体从喷嘴喷出，再从反应器底部的液体出口排出进入贮槽；气体从气体进口进入气体分配器，气体经过气体分配器从反应器顶部的气体出口排出。该装置可以应用于气—液、气—液—固、气—液—液、液—液等体系的吸收、解吸、萃取、混合、多相反应等工艺过程，并能应用于超细粉体和纳米粉体的制备。

Description

涡旋脉动式反应装置

技术领域

本发明涉及一种涡旋脉动式反应装置，应用于气—液、气—液—固、气—液—液、液—液等体系的工艺过程。

背景技术

撞击流(Impinging Streams，简称IS)是一种新技术方法。以色列Ben Gurion大学Tamir教授在他的专著《撞击流反应器—原理和应用》(Tamir A著，伍沅译：化学工业出版，1996)里对撞击流全面系统地进行了介绍，其基本构思是使两股气体-颗粒或滴粒两相流沿同轴相向流动，并在两流体的中点处相互撞击，由于惯性，颗粒穿过撞击面掺入反相流，如此反复进行，直到因颗粒间相互碰撞、速度降低等原因被排出系统为止。撞击流是强化相间传递过程尤其是外扩散控制的传递过程最有效的方法之一，传递系数可比一般方法提高数倍到数十倍。在干燥、吸收、冷却、加热、混合、多相反应等多种加工过程中有广阔的应用前景。

撞击流反应器即撞击流接触器，通常包括了与接触器联结的两根加速管，颗粒在加速管中被连续相加速；产物从接触器底部出口，顶部是连续相出口。现有的撞击流接触器具有以下几个方面的不足：

(1)相互撞击的两流体速度要求较高(20m/s)，这对流体输送机械的动力要求较高，要求泵的扬程大于100米，甚至高达300米；同时，在喷嘴结构上要求有加速段，这导致喷嘴的结构变得复杂。

(2)对撞区内，轴向存在相撞的两股流体的相互渗透作用，但时间很短。在流量一定的情况下，无法实现对停留时间的有效控制。

(3)虽然在轴向存在两股流体的相互渗透作用，但在径向两股流体以几乎相同的速度运动，导致液滴的表面更新速度较慢。

发明内容

本发明借鉴撞击流接触器的基本结构，提出一种涡旋脉动式反应装置。其技术方案如下：

1、它包括反应器、振荡器、泵和贮槽，在反应器的侧壁设有气体进口，反应器的顶部设有气体出口，反应器中设有轴向相对布置的两个喷嘴和产生多股切向气流的气体分配器；液体从贮槽由泵输送经过产生脉动的振荡器形成两股或四股的液体从喷嘴喷出，再从反应器底部的液体出口排出进入贮槽；气体从气体进口进入气体分配器，气体经过气体分配器从反应器顶部的气体出口排出。

2、振荡器由电机、转子、壳体、衬套、压盖、进口管、出口管构成，进口管与压盖连接，压盖与壳体端头连接，出口管与壳体周壁连接，衬套固定在壳体内，电机带动转子在衬套内转动，转子上有中心轴孔和两个径向孔相通，两个径向孔的中心线分别与各自相对应的出口管的中心线在同一平面上，两个径向孔之间有圆柱面与衬套内表面相配合起密封作用，将两个径向孔隔开，转子转动时转子上的两个径向孔周期性地交替与对应的出口管相通。

3、转子为圆柱体。

4、可以在转子径向孔的出口位置开设半月槽。

5、电机的转速在100～1200r/min范围。

6、气体分配器由圆筒壁、底筒构成，在圆筒壁上设有切向导板和进气缝，在底筒有中心孔和排液孔。

7、与两股液体配用的喷嘴为单管型喷嘴。

8、与四股液体配用的喷嘴为同心环型喷嘴。

9、泵的扬程为20～50米。

附图说明

图1为用于液相为两股的本发明涡旋脉动式反应装置的示意图。

图2为用于液相为四股的本发明涡旋脉动式反应装置的示意图。

图3为图1中的振荡器的结构图。

图4为图2中的振荡器的结构图。

图5为振荡器的圆柱体转子的剖面图。

图6为振荡器的开设有半月槽的圆柱体转子的正视图。

图7为图6中的A-A剖视图。

图8为气体分配器的结构示意图。

图9为图8中的A-A剖视图。

图10为采用本发明装置制备的纳米碳酸钙的TEM图。

本发明涡旋脉动式反应装置如图1所示，它包括反应器1、振荡器2、泵3和贮槽4，在反应器1的侧壁设有气体进口5，反应器1的顶部设有气体出口6，反应器1中设有两个喷嘴7和气体分配器8，反应器1底部设有液体出口9。本发明涡旋脉动式反应装置还可以如图2所示，泵为两台：3A和3B，贮槽为两台：4A和4B，贮槽4C与液体出口9连接。

本发明的振荡器2如图3所示，由电机2-1、转子2-2、壳体2-3、衬套2-4、压盖2-5、进口管2-6、出口管2-7构成，进口管2-6与压盖2-5连接，压盖2-5与壳体2-3的端头连接，出口管2-7与壳体2-3的周壁连接，衬套2-4固定在壳体2-3内，转子2-2上有中心轴孔2-8和两个反向的径向孔2-9相通，两个径向孔2-9之间有圆柱面与衬套2-4的内表面相配合起密封作用，将两个径向孔2-9隔开，两个径向孔2-9的中心线分别与各自对应的出口管2-7的中心线在同一平面上。转子2-2的截面形状形状可以为如图5所示的圆柱体；转子2-2也可以如图3、图4、图6和图7所示在转子径向孔的出口位置开设半月槽2-10的圆柱体。中心轴孔2-8和两个反向的径向孔2-9相通。转子2-2在相同转速的条件下，图7中的带半月槽2-10的圆柱体转子比图5中的圆柱体转子与图3或图4中的出口管2-7接通的时间更长，流体的流量变化更平缓，前者更适合转子转速比较低的情况。衬套2-4的材料为四氟乙烯、尼龙、石墨或耐磨合金。本发明的振荡器2还可以如图4所示，由一台电机与两套由转子2-2、壳体2-3、衬套2-4、压盖2-5、进口管2-6和出口管2-7等零件构成的系统组成。电机2-1的转速可在100～1200r/min范围选取，最好在300～600r/min范围。

本发明的气体分配器8如图8和图9所示，由圆筒壁8-1、底筒8-2构成，在圆筒壁8-1上设有切向导板8-3和进气缝8-4，在底筒有中心孔8-5和排液孔8-6。气体分配器8的进气缝8-4的数量、大小及切向导板8-3角度可以根据气量来确定。

如图1和图3所示，液体从贮槽4由泵3输送由进口管2-6进入转子2-2的中心轴孔2-8和两个径向孔2-9，电机2-1带动转子2-2转动，两个径向孔2-9周期性地交替分别与对应的出口管2-7相通，液体经过产生脉动的振荡器2形成两股液体从喷嘴7喷出，再从反应器1底部的液体出口9排出进入贮槽4；气体从气体进口5进入气体分配器8，气体经过气体分配器8从反应器1顶部的气体出口6排出。在反应器1中从两个喷嘴7喷出后相撞的两股流体在流量上存在一定的差异，在某一瞬间上喷嘴7的流量大，则两股流体相撞后的流动形态是一个正圆锥形，如果下喷嘴的流量大，则两股流体相撞后的流动形态是一个倒圆锥形。整个过程实际上是两种流动形态(正圆锥和倒圆锥)的不断转换，导致液相整体流动形态像周期性开合的“雨伞”。由于振荡器2的转速可以通过改变电机2-1的转速来调节，这样可以实现对“雨伞”的开合幅度的调节。由于开合幅度的不同，液体在反应器1内的飞行时间不同。从而可以通过调节振荡器2的转子2-2的转速实现对液相停留时间的调控。同时，由于两股流体在相撞的瞬间流量不同，自结构相同的喷嘴7喷出后两股流体存在一定的速度差，在径向上由于速度差的存在，两股流体之间将产生相互摩擦，增大了液滴表面更新速度；同时，自反应器1的气体进口5进入的气体，在气体分配器8的作用下，产生多股切向流入的气流，与反应器1内的细小液滴反应。可以通过对气量、液量以及振荡器转速等因素的调控，实现对反应的有效控制。

本发明可以选用20～50米低扬程的普通工业泵；喷嘴为单管型喷嘴或同心环型喷嘴，结构简单。

本发明可以应用于气—液、气—液—固、气—液—液、液—液等体系的吸收、解吸、萃取、混合、多相反应等工艺过程。可克服现有撞击流接触器的不足，并成功地应用于超细粉体和纳米粉体的制备。

具体实施方式

实施例1

本发明涡旋脉动式反应装置用于气—液、气—液—固体系的一种结构。其结构如图1所示，所采用的振荡器结构如图3所示。液体可以是溶液、乳浊液或含固体颗粒的悬浮液，液体从贮槽4由泵3输送经过产生脉动的振荡器2形成A1和B1两股液体分别从两个喷嘴7喷出并相互撞击，产生大量表面更新速度很快的细小液滴；气体从气体进口5进入气体分配器8，经过气体分配器8产生多股切向流入的气流，与反应器1内细小的液滴反应。液体再从反应器1底部的液体出口9排出进入贮槽4，多余的未反应的气体从反应器1顶部的气体出口6排出。喷嘴为单管型喷嘴。

实施例2

本发明涡旋脉动式反应装置用于气—液—液、液—液体系的一种结构。其结构如图2所示，所采用的振荡器结构如图4所示。与实施例1不同的是所采用的喷嘴7为对中布置的同心环喷嘴；液相有两个系统，分别来自贮槽4A和4B的两种液体用分别用两台泵(3A和3B)输送，振荡器2是由一台电机2-1和其余零件相同的两套部件组成。经过振荡器产生A1、A2和B1、B2四股液相流，从同心环喷嘴7喷出，其中A1与B1在喷嘴环隙喷出，A2与B2在喷嘴中心喷出。反应物从液体出口9排出进入贮槽4C。在某一段时间内，流体A1与B1由喷嘴环隙喷出相撞击，产生大量的液滴。随着转子的旋转，喷嘴环隙的流量减小，而喷嘴中心的流量增大，逐渐变为自喷嘴中心流出的流体A2、B2相撞击为主，同时也产生大量的液滴，并且由于此时比A1、B1相撞击所产生的液滴流速大，它们之间将产生摩擦，并且环隙液滴被中心液滴加速。在下一段时间内，变为中心液滴被环隙液滴加速。在撞击区内流体的流动形态是两种加速过程的不断转换。通过这样的作用，可以产生分散均匀、相互撞击、同时也可以发生反应的液滴。通过改变振荡器2的转速，可以调节这种彼此加速的转换频率，调控液滴的直径及分散的均匀性。如果是气—液—液体系，自反应器1的气体进口5进入的气体，经过气体分配器8，产生多股切向流入的气流，与反应器1内的细小的液滴反应。

实施例3

采用本发明实施例1的的涡旋脉动式反应装置，选择Ca(OH)₂-H₂O-CO₂气—液—固反应体系制备纳米碳酸钙。

液体为Ca(OH)₂悬浮液，振荡器2的转子旋转速度为300r/min，泵3是扬程40米、流量1米³的旋涡泵，Ca(OH)₂悬浮液经过喷嘴7喷出，CO₂气体自反应器1的气体进口5进入，在气体分配器8的作用下，产生多股切向流入的气流，与反应器1内细小的Ca(OH)₂悬浮液液滴相接触并发生反应，所采用的气体分配器8周向开有6条进气缝8-4，角度α约为5°。反应结束后，经过滤、干燥得到碳酸钙产品。采用本发明制备的纳米碳酸钙产品的透射电镜(TEM)照片如图10所示，粒度分析表明，平均粒径为40～50nm。

Claims

1.一种涡旋脉动式反应装置，包括反应器、振荡器、泵和贮槽，在反应器的侧壁设有气体进口，反应器的顶部设有气体出口，反应器中设有轴向相对布置的两个喷嘴和产生多股切向气流的气体分配器；液体从贮槽由泵输送经过产生脉动的振荡器形成两股或四股的液体从喷嘴喷出，再从反应器底部的液体出口排出进入贮槽；气体从气体进口进入气体分配器，气体经过气体分配器从反应器顶部的气体出口排出。

2.根据权利要求1所述的涡旋脉动式反应装置，其特征在于：振荡器由电机、转子、壳体、衬套、压盖、进口管、出口管构成，进口管与压盖连接，压盖与壳体端头连接，出口管与壳体周壁连接，衬套固定在壳体内，电机带动转子在衬套内转动，转子上有中心轴孔和两个径向孔相通，两个径向孔的中心线分别与各自相对应的出口管的中心线在同一平面上，两个径向孔之间有圆柱面与衬套内表面相配合起密封作用，将两个径向孔隔开，转子转动时转子上的两个径向孔周期性地交替与对应的出口管相通。

3.根据权利要求2所述的涡旋脉动式反应装置，其特征在于：转子为圆柱体。

4.根据权利要求3所述的涡旋脉动式反应装置，其特征在于：转子在径向孔的出口位置开设有半月槽。

5.根据权利要求2所述的涡旋脉动式反应装置，其特征在于：电机的转速在100～1200r/min范围。

6.根据权利要求1所述的涡旋脉动式反应装置，其特征在于：气体分配器由圆筒壁、底筒构成，在圆筒壁上设有切向导板和进气缝，在底筒有中心孔和排液孔。

7.根据权利要求1所述的涡旋脉动式反应装置，其特征在于：与两股液体配用的喷嘴为单管型喷嘴。

8.根据权利要求1所述的涡旋脉动式反应装置，其特征在于：与四股液体配用的喷嘴为同心环型喷嘴。

9.根据权利要求1所述的涡旋脉动式反应装置，其特征在于：泵的扬程为20～50米。