CN1704155A - 定－转子反应器及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明定－转子反应器及其应用，定－转子反应器在端盖上设有喷嘴，壳体的另一端与电机相连，定子由端盖与多层同心环或多层同心圆均布的柱销构成，转子由转子座与多层同心环或多层同心圆均布的柱销构成，转子座与电机转轴相连，同心环或柱销用螺纹连接固定在端盖或转子座上，同心环在圆周上有通道，转子的转速在100～300r/min范围。本发明定－转子反应器可以应用于气－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。
Description
技术领域
本发明涉及一种定-转子反应器，以及定-转子反应器在气-液、气-液-固、气-液-液、液-液等体系的应用。
背景技术
用于物料混合、匀化、细化、乳化的机械，例如“旋转冲击式细、匀、乳装置”(公开号CN 1386570.A)，该装置的动力轴装有正转叶轮和反转叶轮，进料口内有进料叶轮，能有效地提高被处理物的冲击速度，从而提高细、匀、乳性能。例如“旋冲式超细匀化乳化装置”(CN 2385792Y)，该装置有按同心环均布的齿及豁口的定齿盘和旋转齿盘，由于它们的结构的局限，限定了它们只能用于物理处理过程。
现有的超重力反应器(也称旋转床)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，例如“一种纳米氢氧化镁阻燃材料制备新工艺”(ZL 01141787.0)，“油田注水脱氧的方法”(ZL 92102061)，“超细碳酸钙的制备方法”(ZL95105343.4)等。超重力反应器可以强化相间的传递及反应过程，是一种较好的过程强化设备。超重力反应器在靠近转子内表面的填料内(即端效应区内)，液体物料受到高剪切作用被撕裂成很薄的液膜、很细的丝或分散于填料间隙的很小的液滴。而在外层填料中，液体基本上是沿径向流动，受到的剪切作用变弱，对相间的混合与传递过程的强化程度不如端效应区。另外，由于超重力反应器转子多采用有填料层的形式，对于高粘度物料及结晶沉淀体系，运行过程中会出现堵塞状况，需要经常清洗。而且用于气-液反应的超重力反应器，为了防止气体短路，需要设置内密封，使结构复杂。
发明内容
本发明提出一种可以应用于气-液、气-液-固、气-液-液、液-液等体系的定-转子反应器，该反应器可以应用于吸收、解吸、萃取、混合、多相反应等工艺过程。该反应器对于高粘度物料或结晶沉淀体系不易出现堵塞现象，一台反应器可以适应多种使用要求。
一般带旋转的装置由端盖、壳体、定子、转子、电机、机械密封构成，壳体的一端与端盖相连，出料口在壳体上，转子通过转轴与电机连接。本发明定-转子反应器的技术方案如下：
1、在定-转子反应器的端盖上设有喷嘴，壳体的另一端与电机相连，定子由端盖与多层同心环或多层同心圆均布的柱销构成，转子由转子座与多层同心环或多层同心圆均布的柱销构成，转子座与电机转轴相连，同心环或柱销用螺纹连接固定在端盖或转子座上，同心环在圆周上有通道，转子的转速在100～3000r/min范围。
2、定-转子反应器的喷嘴由进液管、喷嘴座、喷嘴流体通道、喷嘴芯构成，喷嘴芯与喷嘴座螺纹连接。
3、定-转子反应器的喷嘴为双流体并流、双流体逆流喷嘴、三流体并流或三流体逆流喷嘴。
4、定-转子反应器的同心环在圆周上的通道为槽时，沿径向是直槽、前弯槽、后弯槽、渐开线槽或放射线槽。
5、定-转子反应器的同心环在圆周上的通道为孔时，孔为圆孔或长圆孔。
6、定-转子反应器的柱销截面为圆形、椭圆形、正方形、长方形、三角形或菱形。
本发明的定-转子反应器可应用于气-液、气-液-固、气-液-液或液-液体系的吸收、解吸、萃取、混合或多相反应工艺过程。
本发明定-转子反应器的应用，例如：采用液-液沉淀法，用NaOH溶液与MgCl2溶液制备粉体氢氧化镁，经过反应器，反应物再经过滤、洗涤、干燥得到粉体氢氧化镁产品，定-转子反应器用双流体并流喷嘴，NaOH溶液与MgCl2溶液分别经进液管和喷嘴流体通道加入到定-转子反应器。
本发明定-转子反应器的应用，例如：用于水脱氧体系，脱出水中的氧气，定-转子反应器用双流体逆流喷嘴，含氧水经进液管喷入定-转子反应器，无氧气体由壳体气体通道进入定-转子反应器，混合气体由气体进口/出口管排出。
本发明定-转子反应器的应用，例如：采用气-液-固沉淀法制备粉体碳酸钙，用Ca(OH)2悬浮液和CO2气体经过反应器，反应物经过滤、干燥得到碳酸钙产品，定-转子反应器用双流体逆流喷嘴，Ca(OH)2悬浮液由双流体并流喷嘴入定-转子反应器，CO2气体由壳体气体通道进入定-转子反应器，未完全反应的CO2和惰性气体由喷嘴流体通道排出。
附图说明
图1为定-转子反应器的结构图。
图2为双流体并流喷嘴的结构图。
图3为双流体逆流喷嘴的结构图。
图4为三流体并流喷嘴的结构图。
图5为三流体逆流喷嘴的结构图。
图6为直槽的定子结构示意图。
图7为后弯槽的定子结构示意图。
图8为前弯槽的转子结构示意图。
图9为圆孔同心环的圆周展开图。
图10为长圆孔同心环的圆周展开图。
图11为带柱销的定子结构示意图。
图12为定-转子反应器用于液-液、气-液或气-液-固体系的装置示意图。
图13为定-转子反应器用于气-液-液体系的装置示意图。
图14为本发明制备的氢氧化镁产品的透射电镜照片。
图15为本发明制备的碳酸钙产品的透射电镜照片。
在以上图中零部件名称如下：
定-转子反应器1，端盖1-1，喷嘴1-2，进液管1-2-1，喷嘴座1-2-2，喷嘴流体通道1-2-3，喷嘴芯1-2-4，螺栓孔1-2-5，垂直孔1-2-6，通孔1-2-7，流体进口1-2-8，壳体1-3，气体通道1-4，电机1-5，电机转轴1-5-1，电机座1-5-2，同心环1-6，柱销1-7，转子座1-8，螺钉1-9，机械密封1-10，物料出口1-11，支座2，贮槽3A，贮槽3B，泵4A，泵4B，流量调节阀5A，流量调节阀5B，流量计6A，流量计6B，液体切换阀7，气体切换阀8，气体进口/出口管9，排料切换阀10，物料切换阀11，产品出口12。
本发明的定-转子反应器如图1所示，包括端盖1-1、喷嘴1-2、壳体1-3、定子、转子、电机1-5、机械密封1-10，物料出口1-11设在壳体1-3上，喷嘴1-2接在端盖1-1上，在壳体1-3上设有气体通道1-4，壳体1-3的一端与端盖1-1相连，壳体1-3的另一端与电机座1-5-2相连，定子由端盖1-1与多层同心环1-6或多层同心圆均布的柱销1-7(如图11所示)构成，转子由转子座1-8与多层同心环1-6或多层同心圆均布的柱销1-7(如图11所示)构成，转子通过转子座1-8与电机转轴1-5-1相连，同心环1-6通过螺钉1-9固定在端盖1-1或转子座1-8上，同心环1-6在圆周上有流体通道。柱销1-7与端盖1-1或转子座1-8之间用螺纹连接，柱销间的间隙构成流体通道。
本发明定-转子反应器所用的喷嘴如图2、图3、图4和图5所示，喷嘴由进液管1-2-1、喷嘴座1-2-2、喷嘴流体通道1-2-3、喷嘴芯1-2-4构成，喷嘴芯1-2-4上开有垂直孔1-2-6或通孔1-2-7，喷嘴芯1-2-4的一端通过螺纹与喷嘴座1-2-2相连，喷嘴芯1-2-4的另一端与喷嘴座1-2-2之间的环隙构成流体进口1-2-8。螺栓孔1-2-5用螺钉与端盖1-1固定(如图1所示)。
本发明采用的双流体并流喷嘴如图2所示，气体或液体从喷嘴流体通道1-2-3进入，由喷嘴芯1-2-4上的垂直孔1-2-6喷出，与来自进液管1-2-1的另一种液体在流体进口1-2-8处相遇。由此实现双流体并流，同时实现两种流体的一次混合。
本发明采用的双流体逆流喷嘴如图3所示，液体由进液管1-2-1进入经流体进口1-2-8喷出，气体由喷嘴芯1-2-4上的通孔1-2-7经喷嘴流体通道1-2-3排出。
本发明采用的三流体并流喷嘴如图4所示，有两个进液管1-2-1，分别进入不同的液体，两种液体在喷嘴芯1-2-4与喷嘴座1-2-2之间的通道中混合后由流体进口1-2-8喷出，另一种气体或液体从喷嘴流体通道1-2-3进入，由喷嘴芯1-2-4上的垂直孔1-2-6喷出，在流体进口1-2-8处与前两种流体相遇。由此实现三流体并流，同时实现流体之间的一次混合。
本发明采用的三流体逆流喷嘴如图5所示，两种液体分别由进液管1-2-1进入，两种液体在喷嘴芯1-2-4与喷嘴座1-2-2之间的通道中混合后经流体进口1-2-8喷出，反应器中的惰性气体或未完全反应的气体由喷嘴芯1-2-4上的通孔1-2-7经喷嘴流体通道1-2-3排出。由此实现三流体逆流，同时实现流体之间的一次混合。
本发明反应器的定子或转子上的同心环1-6在圆周上的通道为槽时，可以是如图6所示的直槽1-6A；也可以是如图7所示的后弯槽1-6B；也可以是如图8所示的前弯槽1-6C；槽也可以是渐开线槽或放射线槽。同心环1-6在圆周上的通道为孔时，孔可以是如图9所示的圆孔1-6D或如图10所示的长圆孔1-6E。用螺钉1-9将同心环1-6固定在端盖1-1上构成定子；用螺钉1-9将同心环1-6固定在转子座1-8上构成转子。如图1所示，定子上的多层同心环1-6与转子上的多层同心环1-6，各层的直径不等，反应器组装后定子上的多层同心环1-6的凸起部位与转子上的多层同心环1-6的凹起部位交叉在一起；反之，定子上的多层同心环1-6的凹起部位与转子上的多层同心环1-6的凸起部位交叉在一起。定子通过端盖1-1固定在壳体1-3上，转子通过转子座1-8与电机转轴1-5-1连接，电机转轴1-5-1与壳体1-3之间有机械密封1-10，电机1-5通过电机座1-5-2与壳体1-3固定连接。电机1-5的转动带动转子旋转运动。反应物在通过定子和转子的同心环的槽或孔的通道的流动过程中受到高剪切、高度湍流。
本发明反应器的定子或转子上的柱销的截面为圆形、椭圆形、正方形、长方形、三角形或菱形。例如：图11所示的定子上柱销1-7的截面为圆形，呈多层同心圆分布，柱销1-7用螺纹固定在端盖1-1上。同样，转子上柱销也是用螺纹固定在转子座上上。定子上的柱销与转子上的柱销的呈交叉状态分布在不同直径的同心圆上，反应物在定子和转子的柱销间的间隙中受到高剪切、高度湍流。
本发明定-转子反应器的转子转速，可以由调频仪控制电机转速实现。
本发明定-转子反应器用于液-液、气-液或气-液-固体系的装置如图12所示，它包括定-转子反应器1、支座2、贮槽3A、贮槽3B、泵4A、泵4B、流量调节阀5A、流量调节阀5B、流量计6A、流量计6B、液体切换阀7、气体切换阀8、气体进口/出口管9、排料切换阀10、物料切换阀11、产品出口12。
本发明用于气-液-液体系的定-转子反应器如图13所示，它包括定-转子反应器1、支座2、贮槽3A、贮槽3B、泵4A、泵4B、流量调节阀5A、流量调节阀5B、流量计6A、流量计6B、气体进口/出口管9、排料切换阀10、物料切换阀11及产品出口12。
本发明的定-转子反应器，采用喷嘴进料，有利于多种流体的一次混合，而且流体在定子和转子之间流动过程中，流体每经过一层同心环的通道(槽或孔)或一层同心圆均布柱销的间隙就要重新分布一次，相当于超重力反应器内多个端效应区的串联。本发明的定-转子反应器由于没有超重力反应器那样的填料层。同时在定-转子之间的流体受到高剪切，处于高度湍流状态，而且具有很好的自清洁作用，对于高粘度物料或结晶沉淀体系不易出现堵塞现象。同心环与转子座以及同心环与端盖间采用螺钉可拆连接方式，柱销与转子座以及柱销与端盖间采用螺纹可拆连接方式，组装及拆卸方便。同一台设备可以根据于不同的使用要求，采用不同的喷嘴结构、不同的同心环结构或不同的柱销结构。本发明的这些部件都是可以组合、更换，一台反应器可以适应多种使用要求。本发明的定-转子反应器用于气-液反应时，不存在气体的短路的问题，所以不需要设置内密封，因此结构更简单。
本发明的定-转子反应器用于液-液体系制备粉体氢氧化镁，可以采用与发明专利“一种纳米阻燃材料制备新工艺”(ZL 01141787.0)相同的工艺，用NaOH溶液代替氨水，用本发明的定-转子反应器替代超重力反应器。采用传统的化学沉淀法，用NaOH溶液与MgCl2溶液制备粉体氢氧化镁，定-转子反应器的喷嘴采用双流体并流喷嘴。
本发明的定-转子反应器用于水脱氧体系，可以采用与发明专利“油田注水脱氧的方法”(ZL 92102061)相同的工艺，用本发明的定-转子反应器替代超重力反应器，定-转子反应器的喷嘴采用双流体逆流喷嘴。
本发明的定-转子反应器用于气-液-固体系制备纳米碳酸钙，可以采用与发明专利“超细碳酸钙的制备方法”(ZL 95105343.4)相同的工艺，用本发明的定-转子反应器替代超重力反应器。采用传统的化学沉淀法，用Ca(OH)2悬浮液和CO2气体制备纳米碳酸钙。定-转子反应器用双流体逆流喷嘴。
具体实施方式
实施例1
对于液-液体系，采用如图12所示的装置，如图1所示的定-转子反应器1固定在支架2上，由液体切换阀7连接反应流体系统，由气体切换阀8连接气体进口/出口管9，定-转子反应器1用如图2所示的双流体并流喷嘴。液体切换阀7是打开状态，气体切换阀8是关闭状态，来自贮槽3A和贮槽3B的液体分别经泵4A和泵4B输送，通过流量调节阀5A和流量调节阀5B控制流量，由转子流量计6A和转子流量计6B计量后分别进入喷嘴的进液管1-2-1和喷嘴的流体通道1-2-3，再经流体进口1-2-8混合后喷到定-转子反应器1的转子的内圈上，由于转子高速转动，流体受到高强度的离心力及剪切力，以高度湍流状态通过转子与定子之间的间隙或转子与定子上的槽或孔飞到壳体中，再经物料出口1-11流出，可以通过排料切换阀10和物料切换阀11控制物料进入贮槽3A进行循环或作为产品由产品出口12流出。
实施例2
对于气-液或气-液-固体系，采用如图12所示的装置，气-液并流方式采用双流体并流喷嘴(如图2所示的)。液体切换阀7是关闭状态，气体切换阀8是打开状态。来自贮槽3A的液体经泵4A输送，通过流量调节阀5A控制流量，由转子流量计6A计量后经进液管1-2-1喷入定-转子反应器1的转子的内圈上。气体由气体进口/出口管9经过喷嘴的流体通道1-2-3进入定-转子反应器1。液体受到高强度的离心力及剪切力，以高度湍流状态通过转子与定子之间的间隙及转子与定子上的槽或孔，与气体进行充分的接触或反应后经物料出口1-11流出，未完全反应或惰性气体由壳体气体通道1-4排出。通过排料切换阀10和物料切换阀11决定物料进入贮槽3A进行循环还是作为产品由产品出口12流出。
实施例3
对于气-液或气-液-固体系，采用如图12所示的装置，气-液逆流方式采用双流体逆流喷嘴(如图3所示的)。气体由壳体气体通道1-4进入定-转子反应器1，未完全反应的气体或惰性气体由气体进口/出口管9排出。
实施例4
对于气-液-液体系，采用如图13所示的装置，气-液并流方式采用三流体并流喷嘴(如图4所示的)。来自贮槽3A和贮槽3B的液体分别经泵4A和泵4B输送，通过流量调节阀5A和流量调节阀5B控制流量，由转子流量计6A和转子流量计6B计量后分别经相应的进液管1-2-1喷到定-转子反应器的转子的内圈上。气体由喷嘴流体通道1-2-3进入定-转子反应器1。液体受到高强度的离心力及剪切力，以高度湍流状态通过转子与定子之间的间隙及转子与定子上的槽或孔，与气体进行充分的接触或反应后经物料出口1-11流出，未完全反应或惰性气体由壳体气体通道1-4排出。通过排料切换阀10和物料切换阀11决定物料进入贮槽3A进行循环还是作为产品由产品出口12流出。
实施例5
对于气-液-液体系，采用如图13所示的装置，气-液逆流方式采用三流体逆流喷嘴(如图5所示的)。气体由壳体气体通道1-4进入定-转子反应器1。未完全反应或惰性气体由喷嘴流体通道1-2-3排出。
实施例6
采用实施例1的装置，采用如图2所示的双流体并流喷嘴，转子转速900r/min。液体切换阀7是打开状态，气体切换阀8是关闭状态，来自贮槽3A的3L浓度为4mol/L的NaOH溶液和来自贮槽3B的3L浓度为2mol/L的MgCl2溶液分别经泵4A和泵4B输送，通过流量调节阀5A和流量调节阀5B控制流量，由转子流量计6A和转子流量计6B计量，控制NaOH与MgCl2溶液的流量分别为400L/hr和50L/hr经进液管1-2-1和喷嘴流体通道1-2-3喷到定-转子反应器1的转子的内圈上，由于转子高速转动，流体受到高强度的离心力及剪切力，以高度湍流状态通过转子-定子之间的间隙及转子-定子上的槽或孔同时发生剧烈反应生成白色沉淀，经物料出口1-11流出，调节排料切换阀10和物料切换阀11控制物料进入贮槽3A进行循环，当MgCl2溶液全部加入完再继续循环一段时间后，经产品出口12流出。经过滤、洗涤、干燥得到氢氧化镁产品。采用本发明制备的氢氧化镁产品的透射电镜(TEM)照片如图14所示，粒度分析表明，平均粒径为70～90nm。
实施例7
对于水脱氧体系，用图12的装置，采用气-液逆流方式，所用喷嘴如图3所示的双流体逆流喷嘴，转子转速为1450r/min。液体切换阀7是关闭状态，气体切换阀8是打开状态。来自贮槽3A含氧量约为10ppm的水经泵4A输送，通过流量调节阀5A控制流量，由转子流量计6A计量后以流量为1m3/hr经进液管1-2-1喷入定-转子反应器的转子的内圈上。所用的无氧气体为氮气，氮气以流量为5m3/hr由壳体气体通道1-4进入定-转子反应器1。脱出的氧气与氮气的混合气体由气体进口/出口管9排出。脱出氧气后的水中氧含量为0.03ppm，由物料出口12排出。
实施例8
采用Ca(OH)2-H2O-CO2气-液-固反应体系制备纳米碳酸钙。用图12的装置，采用气-液逆流方式，所用喷嘴如图3所示的双流体逆流喷嘴，转子转速为1200r/min。液体切换阀7是关闭状态，气体切换阀8是打开状态。来自贮槽3A的Ca(OH)2悬浮液经泵4A输送，通过流量调节阀5A控制流量，由转子流量计6A计量后经进液管1-2-1喷入定-转子反应器的转子的内圈上。CO2气体由壳体气体通道1-4进入定-转子反应器1。未完全反应的CO2和惰性气体由气体进口/出口管9排出。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15所示，粒度分析表明，平均粒径为15～40nm。
Claims (10)
1、一种定-转子反应器，主要由端盖、壳体、定子、转子、电机、机械密封构成，壳体的一端与端盖相连，在壳体上设有气体通道，出料口在壳体上，转子通过转轴与电机连接，其特征在于：端盖上设有喷嘴，壳体的另一端与电机相连，定子由端盖与多层同心环或多层同心圆均布的柱销构成，转子由转子座与多层同心环或多层同心圆均布的柱销构成，转子座与电机转轴相连，同心环或柱销用螺纹连接固定在端盖或转子座上，同心环在圆周上有通道，转子的转速在100～3000r/min范围。
2、根据权利要求1所述的定-转子反应器，其特征在于：喷嘴由进液管、喷嘴座、喷嘴流体通道、喷嘴芯构成，喷嘴芯与喷嘴座螺纹连接。
3、根据权利要求1或2所述的定-转子反应器，其特征在于：喷嘴为双流体并流、双流体逆流喷嘴、三流体并流或三流体逆流喷嘴。
4、根据权利要求1所述的定-转子反应器，其特征在于：同心环在圆周上的通道为槽，沿径向是直槽、前弯槽、后弯槽、渐开线槽或放射线槽。
5、根据权利要求1所述的定-转子反应器，其特征在于：同心环在圆周上的通道为孔，孔为圆孔或长圆孔。
6、根据权利要求1所述的定-转子反应器，其特征在于：柱销的截面为圆形、椭圆形、正方形、长方形、三角形或菱形。
7、根据权利要求1所述定-转子反应器，其特征在于：应用于气-液、气-液-固、气-液-液或液-液体系的吸收、解吸、萃取、混合或多相反应工艺过程。
8、根据权利要求7所述定-转子反应器的应用，采用液-液沉淀法，用NaOH溶液与MgCl2溶液制备粉体氢氧化镁，经过反应器，反应物再经过滤、洗涤、干燥得到粉体氢氧化镁产品，其特征在于：定-转子反应器用双流体并流喷嘴，NaOH溶液与MgCl2溶液分别经进液管和喷嘴流体通道加入到定-转子反应器。
9、根据权利要求7所述的定-转子反应器的应用，用于水脱氧体系，脱出水中的氧气，其特征在于：定-转子反应器用双流体逆流喷嘴，含氧水经进液管喷入定-转子反应器，无氧气体由壳体气体通道进入定-转子反应器，混合气体由气体进口/出口管排出。
10、根据权利要求7所述定-转子反应器的应用，采用气-液-固沉淀法制备粉体碳酸钙，用Ca(OH)2悬浮液和CO2气体经过反应器，反应物经过滤、干燥得到碳酸钙产品，其特征在于：定-转子反应器用双流体逆流喷嘴，Ca(OH)2悬浮液由双流体并流喷嘴入定-转子反应器，CO2气体由壳体气体通道进入定-转子反应器，未完全反应的CO2和惰性气体由喷嘴流体通道排出。
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