專利名稱：混合裝置和在封閉式反應(yīng)器中混合氣體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種混合裝置和在封閉式混合反應(yīng)器中，尤其是在將氣體用作一種高效操作助劑并且在溶液中粉狀固體顆粒含量高的壓熱器中，對氣體進(jìn)行混合的一種方法。目的是在反應(yīng)器中心處使用旋轉(zhuǎn)混合裝置從液體表面上吸收氣體的反應(yīng)器中獲得一個(gè)流動，并且在所述反應(yīng)器的滿負(fù)荷生產(chǎn)能力范圍內(nèi)對所述氣體進(jìn)行混合。本發(fā)明的混合裝置由至少兩個(gè)處在同一根軸上不同高度的混合器組成。所述上混合器裝有一塊固定在所述軸上的中心板，帶有從所述中心板上下提升的基本垂直的內(nèi)葉片以及朝外的外葉片，這些葉片與水平方向傾斜。所述下混合器裝有一塊固定在所述軸上的中心板，帶有位于所述外緣的垂直葉片。
壓熱器通常是臥式的，經(jīng)常有多個(gè)隔艙，而且不帶擋板。供氣通常通過在大功率擴(kuò)散混合裝置的有效范圍內(nèi)輸入空氣、氧氣(氧化)或氫氣(還原)來進(jìn)行。經(jīng)常在諸如壓熱器這樣的封閉式反應(yīng)器中，要求氣體從所述表面上返回到所述溶液中。在使用空氣時(shí)，這并不敏感，正如在那種情況下氮?dú)鈨H聚積成一層那樣，但對于純氧氣和氫氣，通過從所述表面上吸收它，剩余氣體甚至能重新利用。
就從表面上吸收氣體，然后將之?dāng)U散而言，有一些稱作自吸十字形管的管道，其中在空心軸底端的所述氣體空間通常分成頂端敞開的四條支管。旋轉(zhuǎn)十字形管在氣體空間中產(chǎn)生真空，這造成所述氣體排出并且在反應(yīng)器的溶液空間擴(kuò)散成氣泡。應(yīng)當(dāng)注意，隨著溶液的溫度上升，流流壓力也升高，在這種情況下，真空的效果減弱。不過，這種十字形管結(jié)構(gòu)不能進(jìn)一步將氣體擴(kuò)散到所述溶液中，多少保持一種(稠密的)固體顆粒懸浮運(yùn)動。
以前也知道運(yùn)用下降流原理從表面吸收氣體。美國專利4,454,077說明一種裝置，其中使用一個(gè)像雙頭螺栓似的混合裝置，通過一個(gè)中心管將氣體向下泵送，此外該裝置還包括上下?lián)醢?。美國專?,328,175說明一個(gè)類似的裝置，但中心管的上端呈錐形。
由此知道，氣體因混合器的軸處強(qiáng)大的中央渦旋而被壓入混合器，就是說，氣體被強(qiáng)化吸入溶液。這種強(qiáng)大的和經(jīng)常廣泛存在的氣體渦旋將氣體從表面輸送到擬混合的液體或溶液中，有時(shí)甚至效果太強(qiáng)了，但在某種氣體速度上，混合裝置的運(yùn)行隨著混合器“在大量氣泡中”旋轉(zhuǎn)而減弱。這時(shí)，隨著動力減弱，所述渦旋也減弱，而且從表面向溶液中的吸氣也減少了。然而，以上述方式產(chǎn)生的渦旋是不受控制的，而且當(dāng)推廣到氣體混合器時(shí)，它造成強(qiáng)烈的功率變化，從而對設(shè)備造成損害。更糟糕的是，混合器不再能對粉狀固體顆粒進(jìn)行混合，因?yàn)樗鼘Τ砻艿姆蹱罟腆w顆粒懸浮尤其無效。
從美國專利5549854中得知一種從液體表面上吸氣的方法，這種方法將旋轉(zhuǎn)混合裝置用作能量源和特殊可調(diào)阻流的擋板。采用這一方法能實(shí)現(xiàn)受控吸氣渦流，它并不立即將所述氣體輸送到所述混合裝置本身。
在封閉式氧化或還原反應(yīng)器中使充足的氣體量進(jìn)入固體—溶液懸浮液中，尤其是在固體顆粒含量高(＞50％)的場合，一般要求氣體進(jìn)入反應(yīng)器下部的溶液空間，主要在混合裝置下面。這種氣體經(jīng)常沿混合器向下經(jīng)過溶液表面，而其下端通過一根管子導(dǎo)向反應(yīng)器的中心軸并且在所述混合器下旋轉(zhuǎn)。這就是如何試圖使氣體進(jìn)入下部并且利用混合器加以擴(kuò)散的方法。
尤其是在壓熱器中，所述反應(yīng)器必須襯砌一些特殊物質(zhì)，大多使用鈦。例如這同樣適用于供氣管。鈦處理、焊接等比通常更困難。此外，鈦比普通材料更昂貴。這些因素決定了對混合和氣體擴(kuò)散的巨大需求?；旌掀鳙@得強(qiáng)大的流體，因?yàn)檫@種懸浮液包含大量固體顆粒，而且當(dāng)這些流體撞擊氣體管道時(shí)，在最壞的情況下，它們可能將管道磨穿。這意味著氣體朝上升，甚至沒有接觸到用以擴(kuò)散這些氣體的混合裝置，因此氣體效率大大降低。
對于壓熱器，還知道擴(kuò)大其中的所述開口尺寸事實(shí)上導(dǎo)致壁厚增加，這直接表現(xiàn)為投入資金增加。出于這種原因，在反應(yīng)器頂蓋中供混合裝置使用的開口通常在直徑600～800毫米數(shù)量級。在維護(hù)/更換混合器方面一件非常重要的事是這一工作能夠通過直接從開口中提升混合器來完成，即混合器的尺寸通常取決于壓熱器中開口的大小。如果這種流程需要大量軸功率(千瓦/立方米)，就值得使用要求并提供大量功率的混合器?；旌掀魈峁┑墓β十?dāng)然能夠通過提高旋轉(zhuǎn)速度來增加，但必須記住，在此同時(shí)，混合器的葉片速度也增加。當(dāng)葉片速度顯著增加(＞6米/秒)時(shí)，所述混合器也會開始出現(xiàn)顯著磨損。
本發(fā)明涉及一種混合裝置和在封閉式反應(yīng)器中，尤其是在將氣體用作一種高效操作助劑和在溶液中粉狀固體顆粒含量高的壓熱器中，對氣體進(jìn)行混合的一種方法。目的是在反應(yīng)器中獲得一股流體，利用所述反應(yīng)器中心的旋轉(zhuǎn)混合裝置從所述液體表面上吸收氣體。本發(fā)明的混合裝置由至少兩個(gè)處在同一根軸上不同高度的混合器組成。所述上混合器裝有一塊固定在所述軸上的中心板，帶有從所述中心板上下提升的基本垂直的內(nèi)葉片以及朝外的外葉片，這些葉片與水平方向傾斜。所述下混合器裝有一塊固定在所述軸上的中心板，帶有位于所述中心板外緣的垂直葉片。本發(fā)明的重要特征將在所附專利權(quán)利要求中說明。
這里按照本發(fā)明為在諸如壓熱器等封閉式反應(yīng)器中軸附近實(shí)現(xiàn)受控中心渦旋而開發(fā)的方法，利用至少兩個(gè)具有獨(dú)立功能的混合裝置來實(shí)現(xiàn)，一個(gè)在同一根軸上安裝在另一個(gè)的上部。這種安排能消除以前方法的缺點(diǎn)，而且依然取得一個(gè)有效的氣體渦旋，將氣體吸入所述液體，主要借助最上面的所述混合裝置。這種裝置不僅用來形成所述氣體旋渦。而且用來將吸入的氣體擴(kuò)散成小氣泡，并且推壓小氣泡，從而在軸周圍延伸的流體中下行到下混合裝置處，在固體懸浮液中均勻分配。最下面的混合器顯然比所述上混合裝置具有更大的能量。借助這一能量，下推的氣泡擴(kuò)散得更小，因此增加了氣體與液體的接觸面，由此所述反應(yīng)遠(yuǎn)比用普通方法更快速和徹底。剩余能量用來混合和擴(kuò)散反應(yīng)器整個(gè)容積內(nèi)大量懸浮液中的固體顆粒。
因此，開發(fā)兩個(gè)混合器，尤其是下混合器，以便它們能比通常獲得更多的軸功率。在采用現(xiàn)有技術(shù)的多數(shù)反應(yīng)器中，懸浮液中的氣體只是局部大量擴(kuò)散，并且因此而降低了混合器的軸功率。
現(xiàn)將本發(fā)明的構(gòu)想簡要說明如下最上面的混合裝置是這樣它使固體—溶液懸浮表面上的吸氣在混合器上面的溶液中形成多個(gè)管狀氣體渦旋。這些氣體腔進(jìn)一步由混合器本身吸入并且由幾乎垂直的中心混合器葉片擴(kuò)散成小氣泡。由此形成的氣泡從中心軸向另一側(cè)，即外葉片側(cè)運(yùn)動，葉片與水平方向有一個(gè)適當(dāng)?shù)慕嵌?，?yōu)選地為45度?；旌系剿鋈芤褐械臍馀菀蜻@些葉片而繼續(xù)擴(kuò)散，但它們同時(shí)被向下推到最下面的所述混合裝置處。
最下面的混合裝置顯然比上混合裝置獲得更多的軸功率，借此有可能將來到那里的所述氣泡極其精細(xì)地?cái)U(kuò)散，而不損失大量混合能量。除了將精細(xì)擴(kuò)散的氣泡分散到這一側(cè)，然后隨流場向上之外，下混合器有充足的功率在整個(gè)溶液空間將粉狀固體顆粒分離成均勻的懸浮液。因此按照本發(fā)明的整個(gè)方法保證從液體表面充分吸收氣體，兩級和有效地?cái)U(kuò)散，巨大的混合能量以及在反應(yīng)器各處均勻分布的固體顆粒懸浮液，雖然有高的懸浮液密度。
這里參照附圖更詳細(xì)地說明按照本發(fā)明的所述裝置，附圖中

圖1表示現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)最簡單形式的實(shí)施例的垂直截面，其中主要注意對固體顆粒的混合，而從表面吸氣不是非常有效；圖2用圖說明現(xiàn)有技術(shù)的另一個(gè)簡單形式的實(shí)施例的垂直截面，其中注意從所述表面吸氣，但未對固體顆粒進(jìn)行混合；圖3用圖說明現(xiàn)有技術(shù)的一種更先進(jìn)形式的實(shí)施例的垂直截面，其中注意既對固體顆粒進(jìn)行混合，又從表面吸氣；圖4表示本發(fā)明應(yīng)用的垂直截面，其中尤其要注意既對固體顆粒進(jìn)行混合，又從表面吸氣；圖5A用圖說明按照本發(fā)明的一個(gè)上混合器的垂直截面，其中主要注意從所述表面吸氣并且取得所需的擴(kuò)散能量以及混合所述溶液中產(chǎn)生的氣泡并將氣泡向下推；
圖5B表示按照本發(fā)明的一個(gè)下混合器的垂直截面，其中注意既對固體顆粒進(jìn)行混合，又取得從表面吸氣所需的混合能量；圖6是所述氣體中空氣含量作為所述各種混合器葉尖速度函數(shù)的圖示；及圖7是所述各種混合器軸功率比作為空氣含量函數(shù)的圖示。
圖1顯示一個(gè)立式封閉式反應(yīng)器，包括一個(gè)圓柱部分2、封閉底部3和頂蓋部分4。在所述頂蓋部分中有一個(gè)開口5，它的直徑通常與所述混合器的直徑相同。顯然，所述開口在運(yùn)行期間被封閉。在所述反應(yīng)器中通過混合產(chǎn)生的大的氣旋或渦旋主要受四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)擋板6的阻擋。所述反應(yīng)器充注一種含有固體顆粒7的溶液。在所述溶液的表面8上有一個(gè)氣體空間9，利用供氣管道10將所述空間充滿，并且所述混合器11從那里獲得所述溶液表面上的錐形氣體構(gòu)型12。一個(gè)常用的四葉混合器固定在所述軸13的底端，其中葉片角度可單獨(dú)調(diào)整。該角度通常為45度。
圖2表示一臺與圖1相同的反應(yīng)器。區(qū)別在于所述混合器11已經(jīng)升高到更靠近溶液表面8。所述混合器11形成的錐形氣體構(gòu)型12靠混合器擴(kuò)散成氣泡，并且向下推一段距離，但并不到底部，因?yàn)閷?dǎo)向混合器軸的所述流體并沒有強(qiáng)大到使固體顆粒15適當(dāng)懸浮。混合器的類型與圖1中相同。
圖3表示一臺與圖1相同的反應(yīng)器。區(qū)別在于有兩個(gè)混合器；下混合器16靠近底部，而在同一根軸上的上混合器17靠近所述溶液表面8。混合器11形成的所述錐形氣體構(gòu)型12靠所述混合器擴(kuò)散成氣泡，并且向下推一段距離，接近所述混合器16。所述下混合器的任務(wù)應(yīng)是將氣泡進(jìn)一步擴(kuò)散成更小的氣泡18，并且將氣泡擴(kuò)散到所述溶液中，使流體流向所述底部，從而使所述固體顆粒在溶液中均勻懸浮。
圖4表示所述反應(yīng)器1是一個(gè)封閉式反應(yīng)器，如壓熱器，與前圖相同。較之圖3的區(qū)別在于下混合器1 6用按照本發(fā)明的一個(gè)下混合器19取代，以及上混合器17用按照本發(fā)明的一個(gè)上混合器20取代。所述上混合器20在圖5A中更詳細(xì)顯示，而所述下混合器19在圖5B中顯示。利用所述上混合器20在溶液表面形成的許多小錐形氣體構(gòu)型12，通過按照本發(fā)明成型的垂直內(nèi)葉片21擴(kuò)散成比圖3中小得多的氣泡14。
上混合器20的外葉片22將那里形成的氣泡分散并朝下推向所述下混合器19。下混合器19接收這些氣泡并利用按照本發(fā)明成型的垂直葉片24進(jìn)一步將氣泡擴(kuò)散成極小的氣泡23。這些同樣的產(chǎn)生強(qiáng)力的流體的葉片將這些小氣泡分散到周圍的溶液中，并且同時(shí)使固體顆粒7懸浮。
本發(fā)明的混合器組合工作得很理想，因?yàn)楸M管它們尺寸很小(在所述開口5允許的范圍內(nèi))，但兩個(gè)混合器為氣體擴(kuò)散和固體顆粒懸浮產(chǎn)生比往常大得多的混合能量，而且隨著氣體量的增加，功率損耗增加得非常緩慢，這完全是因高效擴(kuò)散和分散氣泡的方式所致。
如果需要，它們可以是多個(gè)混合器，但最上面的混合器按上混合器的說明，而最下面的混合器按下混合器的說明。中間的混合器可以根據(jù)需要，從按照本發(fā)明的混合器實(shí)例中選擇。
圖5A更詳細(xì)地顯示本發(fā)明的上混合器20，這里優(yōu)選地在一個(gè)圓形中心板25上固定六個(gè)特殊形狀的垂直內(nèi)葉片21。所述中心板對稱地固定到混合器軸13上，如圖4所示。所述內(nèi)葉片21徑向固定在所述中心板25的內(nèi)側(cè)，并且沿所述中心板上下延伸。所述葉片在其差不多中間點(diǎn)處固定到所述中心板上(如正視圖中所示)。每個(gè)內(nèi)葉片的外緣26垂直，而所述中心板下面的內(nèi)緣27也垂直。所述中心板上所述葉片的內(nèi)緣朝著外緣逐步變窄，形狀像一條圓弧。所述垂直葉片的目的是擴(kuò)散氣體和將形成的氣泡推向所述外葉片22。
上混合器20的外葉片22基本上是矩形，固定在所述中心板25的外緣上，并且均與水平方向傾斜。外葉片的數(shù)量與所述垂直葉片相同，都固定在所述中心板上對應(yīng)于所述垂直葉片的位置。所述外葉片與水平的傾角為30～60度，優(yōu)選地為45度。這些外葉片的目的是使向下的流體流向所述下混合器并且向外和向下分配所述氣泡。
圖5B中的混合器是一個(gè)按照本發(fā)明的下混合器19，這里優(yōu)選地在一個(gè)圓形板28上固定六個(gè)特殊形狀的垂直葉片24。除上下顛倒處這些垂直葉片與圖5A中所示上混合器20的內(nèi)葉片21形狀相同。這些葉片徑向固定在所述中心板28的外緣，從而它們可沿所述板上下延伸。葉片在其差不多中間點(diǎn)處固定到中心板上(如正視圖中所示)。每個(gè)葉片的外緣29基本垂直，正如內(nèi)緣30的上部，但所述內(nèi)緣的下部朝所述外緣方向變窄，形狀像一條圓弧。
以下舉例詳細(xì)說明本發(fā)明。例1.
通過測量溶液表面(水)的升高，即空氣含量(％)，針對所有四種情況(圖1、2、3和4中所示反應(yīng)器和混合器)，對從表面吸收氣體(空氣)的能力進(jìn)行研究。混合器的直徑幾乎相等，就是說，混合器與反應(yīng)器的直徑比為0.39。圖6表示試驗(yàn)結(jié)果作為混合器葉尖速度的函數(shù)。這一結(jié)果為不同的混合器安排的吸氣效率排出明確的順序，即從最差到最好的順序是圖1、圖2、圖3和圖4。例2.
通過測量上述同樣四種情況(圖1、2、3和4中所示反應(yīng)器和混合器)的軸功率Pi(千瓦)，對耐受從其表面吸收的氣體(空氣)的能力進(jìn)行調(diào)查。這與普通無氣體溶液的功率Po做對比。圖7表示結(jié)果作為所述混合器吸入氣體(空氣)量的函數(shù)。這些結(jié)果表明，在圖1和圖2的情況下，完全不存在吸入的空氣量或數(shù)量如此之少，以致甚至無法與圖3和圖4的情況相提并論。所述結(jié)果再次為效率持久性排出明確的順序，即從最差到最好的順序是圖1、圖2、圖3和圖4。例3.
按四種同樣的情況(圖1、2、3和4中所示反應(yīng)器和混合器)對其在從所述表面吸入氣體(空氣)的同時(shí)使大量粉狀固體顆粒懸浮的能力進(jìn)行試驗(yàn)。這一試驗(yàn)通過測量所需的葉尖速度和對應(yīng)的軸功率/溶液容積(千瓦/立方米)來進(jìn)行，此時(shí)粉末完全在所述反應(yīng)器的底部運(yùn)動。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在下表中情況葉尖速度軸功率/容積(圖)米/秒 千瓦/立方米1 ＝4.8 ＝5.62 ＞7.1 ＞4.73 ＝4.7 ＝2.64 ＝2.8 ＝2.0該表表明，在使用一個(gè)混合器時(shí)當(dāng)混合器(圖1)位置較低時(shí)，能通過使用相當(dāng)大的軸功率來實(shí)現(xiàn)所述固體顆粒的混合，但沒有從所述表面吸收空氣。當(dāng)所述混合器位置較高時(shí)(圖2)，吸收一定程度的空氣，但所述固體顆粒沒有處在運(yùn)動中。使用兩個(gè)混合器現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)施例(圖3)確實(shí)從表面吸收空氣，固體顆粒也處在運(yùn)動狀態(tài)，但利用本發(fā)明的方法(圖4)，吸入的空氣增加一倍，而且固體顆粒更加有效地運(yùn)動。當(dāng)固體顆粒更多時(shí)，這一效果進(jìn)一步加強(qiáng)。
權(quán)利要求
1.一臺用于從液體表面上吸收氣體并且在裝有擋板(6)的立式封閉式反應(yīng)器(1)中進(jìn)行氣體混合的混合裝置，借此所述混合裝置由至少兩個(gè)位于同一根軸(13)上不同高度的混合器構(gòu)成，其特征在于上混合器(20)裝有一塊固定在所述軸(13)上的中心板(25)，帶有從所述中心板上下提升的基本垂直的內(nèi)葉片(21)以及朝外的外葉片(22)，這些葉片從與水平方向傾斜，而所述下混合器(19)裝有一塊固定在所述軸(13)上的中心板(28)，帶有位于所述中心板外緣上的垂直葉片(24)。
2.按照權(quán)利要求1所述的混合裝置，其特征在于所述上混合器(20)的內(nèi)葉片(21)徑向固定在所述圓形中心板(25)的內(nèi)側(cè)。
3.按照權(quán)利要求1所述的混合裝置，其特征在于所述上混合器(20)的內(nèi)葉片的外緣(26)和所述中心板(25)下面的內(nèi)緣(27)是垂直的。
4.按照權(quán)利要求1所述的混合裝置，其特征在于所述中心板(25)上方所述上混合器(20)內(nèi)葉片的外緣(27)向外變窄。
5.按照權(quán)利要求1所述的混合裝置，其特征在于所述上混合器(20)的外葉片與水平方向傾斜30～60度。
6.按照權(quán)利要求1所述的混合裝置，其特征在于所述下混合器(19)的垂直葉片(24)徑向固定在所述中心板(28)的外緣，沿該中心板上下延伸。
7.按照權(quán)利要求1所述的混合裝置，其特征在于所述下混合器(19)的垂直葉片外緣(29)和內(nèi)緣(30)的上部基本垂直。
8.按照權(quán)利要求1所述的混合裝置，其特征在于所述中心板下面的所述下混合器(19)的垂直葉片外緣(30)向外變窄。
9.一種從液體表面上將氣體吸入所述液體并且在裝有擋板的立式封閉式反應(yīng)器中將所述氣體與所述液體和固體顆粒混合的方法，由此位于同一根軸上不同高度的兩個(gè)混合器被用于所述混合，其特征在于帶有其直邊混合葉片的所述上混合器形成氣體渦旋，該渦旋將所述氣體吸入所述液體，并且將所述氣體以小氣泡擴(kuò)散到所述液體中，而所述同一混合裝置的與水平方向傾斜的外葉片將所述氣泡分配到所述反應(yīng)器中固體顆粒懸浮液中，并且同時(shí)向下推，借此所述下混合裝置將所述氣泡擴(kuò)散成更小的氣泡，并向側(cè)向向外分散，然后向上以及將所述固體顆粒保持在懸浮液中。
10.按照權(quán)利要求9的方法，其特征在于最下面的混合裝置比最上面的裝置有更大的功率。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種混合裝置和在一個(gè)將氣體用作一種高效操作助劑并且在所述溶液中粉狀固體顆粒含量高的封閉式混合反應(yīng)器中混合氣體的一種方法。目的是在利用所述反應(yīng)器中心處的旋轉(zhuǎn)混合裝置從所述液體表面吸收氣體的所述反應(yīng)器中獲得流體，并且在所述反應(yīng)器的滿負(fù)荷生產(chǎn)能力范圍內(nèi)對所述氣體進(jìn)行混合。本發(fā)明的混合裝置由至少兩個(gè)在同一根軸上不同高度的混合器組成。所述上混合器裝有一塊固定在所述軸上的中心板，帶有從所述中心板上下提升的基本垂直的內(nèi)葉片以及朝外的外葉片，這些葉片與水平方向傾斜。所述下混合器裝有一塊固定在所述軸上的中心板，帶有位于所述外緣的垂直葉片。
文檔編號B01F15/00GK1450931SQ01813147
公開日2003年10月22日 申請日期2001年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月21日
發(fā)明者斯蒂格－艾里克·胡爾托爾姆, 米科·尤塞拉, 勞諾·莉利亞, 布魯爾·尼曼 申請人:奧托庫姆普聯(lián)合股份公司