CN115400681B - 一种强化旋流流动的变径搅拌反应器 - Google Patents

Abstract

发明提供一种强化旋流流动的变径搅拌反应器。本变径搅拌反应器利用椭圆槽长轴面和短轴面宏观上的非对称性，使得椭圆状的搅拌反应器内的宏观流动呈现出非对称性的形态。利用搅拌槽的非对称形状破坏宏观流动的对称性，相较于加入挡板和偏心搅拌等方式，既不会增加能耗也不会加重设备振动，是一种经济且简单的混合强化方式。

Description

一种强化旋流流动的变径搅拌反应器

技术领域

本发明涉及搅拌反应器技术领域，特别涉及一种强化旋流流动的变径搅拌反应器。

背景技术

搅拌反应器广泛应用于化工、炼油、制药和聚合等工业过程，搅拌反应器市场占有率约为70％。然而，市场应用的搅拌反应器容易形成对称性宏观流场。搅拌液体为低粘度液体时，搅拌槽中部会形成所谓固体回转部的不良混合区。固体回转部是一个直径约为叶轮直径的十分之七左右的液体柱，这部分液体以与叶轮同样的角速度旋转，由此该液体内部的流体单元之间不发生剪切，而且该液体柱内、外的液体间也难于发生质量交换。

在当前技术条件下，为消除固体回转部，通常采用槽侧壁加挡板和偏心搅拌的方式。挡板可以有效阻碍流体回转部的形成，与无挡板的壁面相比较，流体遇到挡板后，流动方向发生偏转，回转区域被消除。然而挡板的加入会较大的增加功耗，据测算，在搅拌转速不变情况下，加入挡板后功耗约为原来的3-8倍。采用偏心搅拌方式可以在偏心侧和另外一侧形成的大小不等的流体循环圈，这就有效破坏圆筒搅拌反应器内宏观流场的对称性，提高混合效率。然而偏心搅拌方式分割的流体不对称，搅动起来的流体对器壁的冲撞力也不对称，加剧了搅拌反应器的振动，给设备的长期稳定运行和安全操作带来潜在威胁。

因此，优化搅拌反应器的结构消除固体回转部，提高反应器的产品性能，具有巨大的应用前景和潜在的经济价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种强化旋流流动的变径搅拌反应器，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种强化旋流流动的变径搅拌反应器，包括搅拌槽、封头和搅拌装置。

所述搅拌槽为桶体结构。所述搅拌槽的横截面为椭圆。所述桶体的上端敞口采用封头封堵。所述封头上开设有与搅拌槽内腔连通的人孔。所述封头连通设置有进料管。所述进料管延伸至搅拌槽内部。所述搅拌槽的底部连通设置有出料管。

所述搅拌装置包括驱动电机、搅拌轴和搅拌桨。所述驱动电机设置在封头上方。所述搅拌轴竖直贯穿封头。所述搅拌轴由驱动电机驱动。所述搅拌轴上安装有若干层搅拌桨。

进一步，所述搅拌槽和封头采用法兰密封连接。

进一步，所述搅拌槽横截面对应的椭圆的长轴为L，短轴为D。D/L＝0.4～0.8。

进一步，所述搅拌桨为涡轮式、桨式、锚式、布鲁马金式、螺杆式、螺带式中的一种或任意多种的组合形式。

进一步，所述搅拌反应器用于低粘度液体高效混合反应，促进低粘度液体搅拌均匀或者反应充分。所述搅拌槽用于容纳低粘度液体。所述搅拌桨浸没在低粘度液体中。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：

A.利用椭圆槽长轴面和短轴面宏观上的非对称性，使得椭圆状的搅拌反应器内的宏观流动呈现出非对称性的形态，提高了流场旋流流动；

B.反应器无需挡板、导流筒等内构件；相较于加入挡板和偏心搅拌等方式，既不会增加能耗也不会加重设备振动，节约材料、降低能耗、易于清洁，是一种经济且简单的混合强化方式；

C.刚柔组合搅拌桨可以与椭圆搅拌反应器相互耦合，有效强化搅拌槽内的旋流流动；椭圆搅拌槽可以克服柱状回流，有效增强了流体的轴向流动，最终实现旋流流动；椭圆槽本身的变径特征破坏了流场的对称性结构，让柱状回流的流场转变为旋流流场，同时，耦合刚柔组合搅拌桨，利用刚柔组合桨强化流体混沌混合的特征，最终实现了强化流体旋流流动与混沌混合。

附图说明

图1为变径搅拌反应器示意图；

图2为椭圆搅拌反应器结构示意图；

图3为椭圆搅拌反应器性能测定实验装置示意图；

图4为六直叶圆盘涡轮桨混合过程；

图5为涡轮桨混合过程褪色时间对比；

图6为搅拌桨示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

参见图1和图2，为了破坏流场的对称性和周期性，本实施例提供一种强化旋流流动的变径搅拌反应器，包括搅拌槽4、封头和搅拌装置。

所述搅拌槽4为桶体结构。所述搅拌槽4的横截面为椭圆。所述桶体的上端敞口采用封头封堵。所述封头上开设有与搅拌槽4内腔连通的人孔。所述封头连通设置有进料管。所述进料管延伸至搅拌槽4内部。所述搅拌槽4的底部连通设置有出料管。

所述搅拌装置包括驱动电机1、搅拌轴2和搅拌桨3。所述驱动电机1设置在封头上方。所述搅拌轴2竖直贯穿封头。所述搅拌轴2由驱动电机1驱动。所述搅拌轴2上安装有多层搅拌桨3。图2a和2b为椭圆搅拌反应器结构的不同视图。

本实施例利用椭圆槽长轴面和短轴面宏观上的非对称性，使得椭圆状的搅拌反应器内的流场呈现出非对称性的形态。利用搅拌槽的非对称形状破坏宏观流动的对称性，相较于加入挡板和偏心搅拌这样的操作方式无疑是一种更为经济且行之有效的方式。

实施例2：

本实施例主要结构同实施例1，其中，所述搅拌槽4和封头采用法兰密封连接。

实施例3：

本实施例主要结构同实施例1，其中，所述搅拌槽4横截面对应的椭圆的长轴为L，短轴为D。D/L＝0.4～0.8。

实施例4：

本实施例主要结构同实施例1，其中，所述搅拌桨3为涡轮式、桨式、锚式、布鲁马金式、螺杆式、螺带式中的一种或任意多种的组合形式。

实施例5：

本实施例主要结构同实施例1，其中，参见图6，所述搅拌桨3包括至少两个圆盘体301、与301数量相同的柔性绳302以及若干刚性桨叶303。

每个圆盘体301固定在搅拌轴2上。所述搅拌轴2穿透每个圆盘体301的中心孔。每一个圆盘体301均固定有若干刚性桨叶303。这些刚性桨叶303插在圆盘体301的周围，呈辐射状地环绕搅拌轴2。

每一片刚性桨叶303均具有一个圆形通孔。每一个圆盘体301配置一根柔性绳302。一根柔性绳302依次穿透一个圆盘体301周围所有的刚性桨叶303上的每一个圆形通孔后，采用连接扣304将这根柔性绳302的两端连接起来。

刚柔组合搅拌桨可以与椭圆搅拌反应器相互耦合，有效强化搅拌槽内的旋流流动；椭圆搅拌槽可以克服柱状回流，有效增强了流体的轴向流动，最终实现旋流流动；椭圆槽本身的变径特征破坏了流场的对称性结构，让柱状回流的流场转变为旋流流场，同时，耦合刚柔组合搅拌桨，利用刚柔组合桨强化流体混沌混合的特征，最终实现了强化流体旋流流动与混沌混合。

实施例6：

本实施例主要结构同实施例1，其中，在本实施例中，所述搅拌反应器用于低粘度液体高效混合反应，促进低粘度液体搅拌均匀或者反应充分。所述搅拌槽4用于容纳低粘度液体。所述搅拌桨3浸没在低粘度液体中。

实施例7：

参见图3，本实施例用以验证实施例1～5的有效性。在本实施例中，搅拌轴2上布置有扭矩传感器5。搅拌槽4的外部布置有摄像机6。所述扭矩传感器5和摄像机6均与电脑7连接。

搅拌流体为3.0％的羧甲基纤维素钠(简称CMC)水溶液，通过酸碱中和消色法测定椭圆搅拌反应器的混合时间。具体实施过程为，在槽内加1ml的酚酞试剂，充分搅拌，使酚酞指示剂充分均匀分散在液相中。再加入20mlNaOH溶液(浓度为1mol/L)，充分搅拌使NaOH溶液充分分散于液相，由于到酚酞指示剂遇碱性溶液显红色，直到槽内呈现均匀的紫红色。调节好电机1的转速，打开安装好的摄像机6，待转速稳定后，从搅拌槽顶部加入10mlH₂SO₄溶液(浓度为1mol/L)，与此同时摄像机开始计时，对槽内液体的颜色变化进行全程记录，直到紫红色全部消失为止。通过扭矩传感器5采集扭矩时间序列并传输给电脑7。

本实施例中，实验条件：转速200rpm，浆叶为六直叶开式涡流浆(叶片顶端开有小孔)，液相为3％的CMC水溶液，显色剂为酚酞试剂，碱液为1mol/L的NaOH溶液，酸液为2mol/L的H₂SO₄溶液。均不设挡板。

实验结果：通过酸碱中和反应消色法测定混合时间，因为酸碱中和反应是快速反应，可以认为酚酞指示剂褪色时间即为混合时间。从图3可以明显看出在等高等面积的混合液中，椭圆槽内褪色速度明显快于圆形槽内，即椭圆槽内的混合效果明显优于圆形槽。图4所示的现象说明椭圆槽的非对称流场可以有效的强化流体混合，缩短混合时间，提高混合效率。

设计一个等高等体积的圆形槽搅拌反应器作为对比例1。对比例1的实验条件为转速200rpm，浆叶为涡流浆(叶片顶端开有小孔)，液相为3％的CMC水溶液，显色剂为酚酞试剂，碱液为1mol/L的NaOH溶液，酸液为2mol/L的H2SO4溶液。均不设挡板。

实验结果：如图5所示，实验中发现，至槽内指示剂基本褪色，拍摄椭圆槽与圆形槽内的流体不同时刻褪色照片，实验结果表明，圆形槽所需混合时间约为椭圆槽的2倍。进一步说明将搅拌反应器的外形设计为椭圆状可以有效强化单相液体的混合，而这种强化的贡献却不需要额外的付出功耗也不需要更复杂的操作方式。

Claims (2)

1.一种强化旋流流动的变径搅拌反应器，其特征在于：包括搅拌槽(4)、封头和搅拌装置；所述搅拌装置包括驱动电机(1)、搅拌轴(2)和搅拌桨(3)；

所述搅拌槽(4)为桶体结构；所述搅拌槽(4)的横截面为椭圆；所述搅拌槽(4)横截面对应的椭圆的长轴为L，短轴为D；D/L＝0.4～0.8；所述桶体的上端敞口采用封头封堵；所述封头上开设有与搅拌槽(4)内腔连通的人孔；所述封头连通设置有进料管；所述进料管延伸至搅拌槽(4)内部；所述搅拌槽(4)的底部连通设置有出料管；

所述搅拌桨(3)包括至少两个圆盘体(301)、与圆盘体(301)数量相同的柔性绳(302)以及若干刚性桨叶(303)；

每个圆盘体(301)固定在搅拌轴(2)上；所述搅拌轴(2)穿透每个圆盘体(301)的中心孔；每一个圆盘体(301)均固定有若干刚性桨叶(303)；这些刚性桨叶(303)插在圆盘体(301)的周围，呈辐射状地环绕搅拌轴(2)；

每一片刚性桨叶(303)均具有一个圆形通孔；每一个圆盘体(301)配置一根柔性绳(302)；一根柔性绳(302)依次穿透一个圆盘体(301)周围所有的刚性桨叶(303)上的每一个圆形通孔后，采用连接扣(304)将这根柔性绳(302)的两端连接起来；

所述驱动电机(1)设置在封头上方；所述搅拌轴(2)竖直贯穿封头；所述搅拌轴(2)由驱动电机(1)驱动；所述搅拌轴(2)上安装有若干层搅拌桨(3)；

所述搅拌反应器用于低粘度液体高效混合反应，促进低粘度液体搅拌均匀或者反应充分；所述搅拌槽(4)用于容纳低粘度液体；所述搅拌桨(3)浸没在低粘度液体中。

2.根据权利要求1所述的一种强化旋流流动的变径搅拌反应器，其特征在于：所述搅拌槽(4)和封头采用法兰密封连接。