連續均質混合反應器的制作方法

專利名稱：連續均質混合反應器的制作方法
技術領域：
本發 明涉及一種混合反應設備，尤其是一種能夠實現物料先進先出、混合均勻 的連續均質混合反應器。
背景技術：
在化工過程或工程化學中，混合、反應與攪拌是密不可分的。通常意義上的攪 拌包括容器內的攪拌軸和驅動攪拌軸用的減速傳動裝置以及密封器件等。攪拌有多種形 式以適應不同容器、不同物料的要求。對液體物料來說，多為錨式、槳式攪拌反應器， 此外還有推流式、連續流式、任意流式攪拌反應器。對于現有的固體混料機大多采用分 批分次式混料機，操作較麻煩，運行不夠可靠，生產效率較低，無法適應連續生產的需 要。另外，針對兩相物料的混合，如固體和液體的混合，由于物料之間存在密度差 異，在混合時就不可避免出現沉降現象，這樣就會導致工業生產投料時濃度控制不準 確，只能將濃度控制在某一個范圍內，在此范圍內濃度會發生不停波動，這樣會直接影 響最終產品的質量，同時也會使得生產控制處于動態變動中，對生產線的控制要求相應 也會提高，導致其造價增加，最終使得產品成本提高。如果能夠保證投料時物料濃度波動小甚至沒有波動，將會保證生產的穩定性， 保證產品性能均一，而且生產穩定更有利于優化工藝，提高產品質量，同時也降低對設 備的要求，使得成本下降，最終提升產品的競爭力。因此，物料混合的均勻與否，對工 業生產影響重大。現今工業，為實現生產的連續性，其混合投料形式有如下幾種1、用兩釜交替混料，實現連續投料。這種方式是最早出現、也是現今處于被 淘汰的一種投料方式。即用一釜將物料混合均勻、達到要求后開始投料，這段時間內用 另外一釜開始混合物料，當第一釜物料投放完畢時，將閥門切換至第二釜，用第二釜投 料，而此時第一釜開始混和物料。如此循環，保證能夠連續投料。但是此種連續投料形式并不是真正意義上的連續投料，即實現物料先進先出、 后進后出。因為投料時，有的物料馬上就進入到后續的生產，而有一部分物料是存在于 混料釜中直到最后才進入到后續的生產，所以其不是真正的連續投料。另外，物料濃度波動范圍大，并且會有濃度的突變。如果物料之間存在密度差 異，沉降就不可避免，將會導致混料釜底部比上部濃度偏高，即在生產過程中物料濃度 會慢慢降低。當一釜料投放完畢切換至另一釜時，物料濃度將會一下變高，即濃度發生 突變，這樣導致生產設備負荷也會突然增大，對設備損傷較大。同時，由于生產工藝是 固定的，而物料濃度發生突變，必然會影響產品性能。所以，該形式的混合投料方法已 逐漸不為接受。2、利用螺桿擠出機連續混料，包括單螺桿和雙螺桿擠出機。螺桿擠出機從一端進料，另一端出料，可以實現真正的連續投料。并且由于螺桿的強力剪切作用，能夠 很好的將物料混合均勻。不過螺桿擠出機，從字面上我們就可以看出，其重點在于擠出上面，其適用范 圍為粘度較高的液相物料，對于粘度很低的液體，例如水，其推進效果就不是很好，而 且很容易發生返混現象，導致物料濃度出現一定波動。對于粘度很低的兩種液體的混 合，螺桿擠出機更是不適合。由于螺桿擠出機的混合效果與轉速有關，轉速高，其混合效果好，但是轉速高 時，物料在其中停留的時間就會很短。這樣，對于停留時間需要較長的物料，螺桿擠出 機就無法滿足要求了。另外，螺桿擠出機造價高，尤其是大型螺桿擠出機，一臺造價甚至需要數百萬元。3、利用靜態混合器混合物料。靜態混合器相對于螺桿擠出機，造價要低，能夠實現物料的先進先出，且是連 續投料。但是靜態混合器保證混合效果時，要求物料流速不能過低，這樣，對于要求停 留時間較長的物料，靜態混合器的長度將會很長，長度將會達到幾十米甚至上百米。如 果還需要有加熱系統，如此長的設備在設計、安裝時就需要慎重考慮其受熱膨脹所帶來 的影響了，并且，如此長的靜態混合器，其造價相對于螺桿擠出機也不一定能低多少。另外，靜態混合器對物料的適用范圍比較窄，可能會出現死角，混合效果相對 于螺桿擠出機要差一些。也有將螺桿擠出機與靜態混合器結合起來運用的，相互取長補短。例如在申請 號為200410096076.5的中國專利中，為了實現超高分子量聚乙烯的連續溶脹，且保證濃 度均勻的往下級螺桿擠出機進料，其選用了一臺螺桿擠出機和三套靜態混合器。但是， 這樣將會導致物料需要壓力增大，因此該專利還需配備3臺增壓泵。最終，這種方式雖 然達到目的，可是設備投資相應要增大、同時廠房面積占地多、流程長、控制復雜、能 耗大。現今工業上使用的還有其它很多種形式的連續混合投料設備，例如在申請號 為200710159163.4的中國專利中，公開了一種粉體物料混料機，包括一個設有進料口和 出料口的筒體，混料機構，驅動機構，電控裝置，混料機構由與驅動機構相連接的中心 軸，中心軸上的一組撥料機構，阻尼器所組成。撥料機構由固定在中心軸上的一組撥料 機構底座，撥料桿，撥料塊所組成，撥料機構底座的分布方式為均勻交替分布在中心軸 上的兩個相互垂直的徑向表面，撥料桿與中心軸之間的夾角為45° -135°，撥料塊與中 心軸之間的徑向夾角為45° -135°，相鄰撥料塊的徑向指向相反，撥料桿上設有縱向加 強筋，反料塊。對于沒有特別要求的物料混合，該結構就可以滿足。但是如果需要物料 混合均勻，要求投料過程中濃度波動小、防止沉降要求高，要求停留時間較長而滿足反 應所需條件，且能夠連續先進先出投料的，大多數設備就很難同時滿足。有鑒于此特提出本發明。

發明內容
本發明要解決的技術問題在于克服現有技術的不足，提供一種能夠滿足連續、均勻的混料、投料及物料反應時間長的連續均質混合反應器，該混合反應器一種動態混 合反應器，能夠實現物料先進先出的同時，保證幾種物料之間能夠混合均勻，保證物料 濃度波動小甚至幾乎無波動，還能控制物料在其內部的停留時間，同時配合工藝要求為 物料實現加熱或者冷卻，混合物料同時完成一些要求的物理或者化學反應，如溶脹、溶 解、有機合成、粘度不高的聚合等。為解決上述技術問題，本發明采用技術方案的基本構思是一種連續均質混合 反應器，包括一設有進料口和出料口的筒體容器、設在該筒體容器內的混料裝置、與混 料裝置驅動連接的驅動系統、與此驅動系統相連接的電器控制系統，其特征在于所述 的混料裝置由與驅動系統相連接的中心旋轉軸、安裝在該中心旋轉軸上的多組E形槳葉 和組合板式槳葉及設置在筒體容器內的多個擋板構成，所述的多個擋板將筒體容器分割 為進料口處的進料區、出料口處的出料區及進料區與出料區之間的多個混合反應區，由 進料區至出料區設有一由擋板與擋板之間、擋板與筒體容器內壁之間形成的彎曲連通各 區的出料通路。本發明的反應器可為臥式或立式，物料由進料口進入容器，經過有推進功能的 組合板式槳葉，被推進入筒體容器內部。位于筒體容器圓心處的中心旋轉軸上，對應 每一混合反應區，都安裝有一組起攪拌推進作用的槳葉，每組槳葉由兩種形式的槳葉組 成。其中一種槳葉形狀為英文大寫字母“E”形狀相似，因此我們將其命名為E形槳 葉，E形槳葉包括四個部分，三個平行葉端部與中心旋轉軸焊接，其特點在于其槳葉面積 很小，尤其是邊緣平行于軸向的部分，并不需要很寬；另外，E形槳葉與筒體容器內壁 以及兩側的擋板間隙均很小，范圍在0.5mm 5mm之間。在中心旋轉軸轉動時，其作 用在于使圓筒內壁及擋板附近液體產生高速流動，避免物料發生沉降而聚集在上述區域 附近。E形槳葉包括四個部分，三個平行葉端部與中心旋轉軸焊接，另一外邊緣葉部分 在進料區與軸向有5° 85°夾角，使其具有推進物料作用，在其它區與軸向平行；此 種槳葉，一組有2 6葉，其連線經過軸心，以軸心為中心對稱分布。 另外一種槳葉我們命名為組合板式槳葉，其是由兩塊較扁的矩形板或其它形狀 板交叉構成，交叉角度β在0° 90°范圍內可調，可根據不同工藝需要確定該角度 β。這兩塊板中，與軸連接的一塊要寬一些，另一塊要相對窄一些。該槳葉由4 12葉 組成，具體數量與E形槳葉數量相匹配，若該連續均質混合反應器直徑較大，中心旋轉 軸上也可以安裝多余6葉以上的E形槳葉及12葉以上的組合板式槳葉。安裝時，其中一 塊矩形板與軸平行，但與E形槳葉在軸向投影上保持一定夾角α，夾角α范圍在0° 90°之間，最好為10° 80°，其連線不經過軸心，但仍以軸心為中心對稱分布。組合 板式槳葉相對E形槳葉要顯得“矮胖”，其作用一方面避免物料在軸心附近產生聚集， 另一作用利用其與軸向有夾角的矩形槳葉產生推進力，推進物料行進，因此，該組合板 式槳葉除了由兩塊較扁的矩形板組成外，還可以為較扁的橢圓形板組成，或者平行四邊 形，三角形，甚至其它多邊形均可以，優選的為矩形板，組合板式槳葉也可以由不同形 狀的板構成，如橢圓形板與矩形板、三角形板與矩形板，或者橢圓形板與三角形板。本發明最佳的為，所述的E形槳葉每組有4葉，所述的組合板式槳葉每組有8 葉，每兩葉組合板式槳葉對應設于一E形槳葉三個平行葉之間的空位處，在軸向投影上，組合板式槳葉與E形槳葉之間有一個的30°的夾角。所述的筒體容器長度與半徑比不大于50，筒體容器內壁依次交替排列多個檔 板，所述擋板為圓缺形，其方向與軸向垂直，擋板長度是圓筒直徑的0.5倍到0.95倍，進 料區和出料區的檔板分別安裝 在進料口和出料口一側的筒體容器內壁上，由進料區和混 合反應區的檔板與筒體容器內壁之間組成的出料通路為“S”形。綜合各種因素，筒體容器長度與半徑比最好在4 1到20 1之間，因為長徑 比過低，不利于其內部擋板及混合單元的劃分，導致物料混合效果下降；長徑比過高， 增加設備加工難度，增加其造價。擋板作用為導流物料，讓物料按照設定“S”路線行 進，保證物料在容器內既不會出現“短路”現象，又不會出現返混現象，實現物料的先 進先出；同時還可以延長物料的行進路線，增加其停留時間。擋板最佳長度為圓筒直徑 的0.65倍到0.85倍，因為長度偏短，導流效果將會下降；長度偏長，將會影響物料影響 流量下降。所述的混合反應器還包括加熱或冷卻裝置，該加熱或冷卻裝置為一設于筒體容 器外部的夾套，夾套的底部和頂部分別設有通循環熱媒或冷媒以給物料加熱或冷卻的進 口和出口，夾套的底部還設有排空口，或者加熱裝置為電加熱，冷卻裝置為干冰浴冷 卻。所述的驅動系統控制中心旋轉軸在20轉/分鐘 500轉/分鐘之間的轉速變化以 控制物料在混合反應器內部的停留反應時間，所述電器控制系統包括溫度及轉動速度的 調節與控制。所用驅動系統為電動機，包括但不限于變頻電機、同步電機；交流電機、 直流電機等。中心旋轉軸與筒體容器兩端要求密封，密封形式可以為機械密封、填料密 封、磁力耦合密封以及未提到現實存在使用的其它密封形式。所述的混合反應器為固相與液相之間或者液相與液相之間的混合反應器，所述 的固相或者液相物料為各自一種物料，或兩種以上的物料相混合。所述的混合反應器為物理或化學反應器。采用上述技術方案后，本發明與現有技術相比具有以下有益效果。由于本發明混料裝置中兩種槳葉的配合使用，既可以使物料能按照一定的速度 (一般速度較低)在軸向上向前推進，滿足了停留時間的要求；同時又能使得物料在徑向 方向作高速流動，保證物料混合均勻，避免了沉降或團聚現象的出現。同時，在配合擋 板的導流作用，可以保證物料按照預定的路線行進，實現物料的先進先出，避免物料出 現返混。正是由于上述擋板及槳葉的科學設計及合理組合，該連續均質混合反應器能夠 實現工業上物料連續、均勻的混合、投料，同時能夠保證物料的停留時間使所需反應完 全，在配合加熱或冷卻系統，實現特殊的生產工藝要求。同時，由于本反應器的連續化 特性，因此生產能力大，不僅能減少設備投資、節約生產廠房，還可以相應得降低能源 消耗。下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步詳細的描述。


圖1是本發明連續均質混合反應器實施例的結構示意圖2是圖1中混合反應器筒體容器的A-A剖面示意圖；圖3是本發明E形槳葉示意圖；圖4至圖7是本發明組合板式槳葉不同結構的示意圖。
具體實施例方式本發明的實施例如圖1至圖4所示，該實施例中的混合反應器為一臥式連續均質 混合反應器，立式結構的連續均質混合反應器和本結構相同。該連續均質混合反應器包 括筒體容器8、設在該筒體容器8內的混料裝置、與混料裝置驅動連接的驅動系統、與此 驅動系統相連接的電器控制系統，筒體容器8為圓筒形，其外有一夾套6，夾套6的底部 和頂部分別設有進口 61和出口 62，夾套6的底部還設有排空口 63，可通循環熱媒或冷 媒，用于給物料加熱或冷卻。在筒體容器8靠近驅動系統一段上方，設有一進料口 1，在 另外一端下方，設有一出料口 7。在筒體容器8內表面，上下依次交替裝有一組擋板3，擋板高度是圓筒直徑的 0.75倍。擋板3將容器分為10個區，包括1個進料區B、1個出料區C和8個混合反應 區D。其中，在進料口 1的擋板3安裝在筒體容器8內壁頂部，在出料口 7的擋板3安 裝在筒體容器8內部底部，之間的擋板交替排列，這樣可保證物料延S路線單向行進，不 會出現“短路”現象。在筒體容器圓心處裝有一中心旋轉軸2，中心旋轉軸2 —端與驅動系統連接，所 用驅動系統為電機9，包括但不限于變頻電機、同步電機；交流電機、直流電機等，在 電機驅動下旋轉，轉動速度由調速器控制，可根據工藝需要設定合適的轉速。中心旋轉 軸2的另一端用軸承固定在支座上。中心旋轉軸2與筒體容器8兩端要求密封，密封形式 可以為機械密封、填料密封、磁力耦合密封以及未提到現實存在使用的其它密封形式。在中心旋轉軸2上，對應于每個區，裝有一組E形槳葉4和組合板式槳葉5。其 中E形槳葉每組有4葉，相互垂直，以軸心為中心對稱分布，其延長線交于旋轉軸心(參 閱圖2)，E形槳葉4與筒體容器8內壁和擋板的間距分別為2mm。E形槳葉4包括四個 部分(參閱圖3)，三個平行葉端部41與中心旋轉軸2焊接，另一外邊緣葉部分42在進料 區與軸向有5° 85°夾角，使其具有推進物料作用，在其它區與軸向平行。組合板式槳葉5每組有8葉，每4葉為一小組，有2小組，也以軸心為中心對稱 分布，不過其延長線不經過軸心，不相交于一點，每兩葉組合板式槳葉5對應設于一E形 槳葉4三個平行葉之間的空位處，在軸向投影上，組合板式槳葉與E形槳葉之間有一個的 的夾角α，本實施例中的α為30° (參閱圖2)。本實施例中，組合板式槳葉由兩塊矩形板51、52構成(參閱圖4)，兩塊板之 間夾角設計為活動可調結構，可根據物料所需停留反應時間的長短來調節該夾角β的大 小，夾角β的大小在每個區不一定均相同。一般來說，該夾角β越接近0°或90°， 槳葉所產生的推進力越小，物料在反應器中停留的時間相對越長。在本實施例中，該夾 角β優選的調節為60°，為了表示明顯，將兩塊板不同夾角的組合板式槳葉5附在同一 圖中，參閱圖4，分別表示兩不同的夾角大小，其中圖中上部分的兩塊板之間夾角β為 18°，下部分的兩塊板之間夾角β為90°。 組合板式槳葉也除了由兩塊較扁的矩形板組成外，還可以為較扁的橢圓形板組成，或者平行四邊形，三角形，甚至其它多邊形或不規則形狀的板結構均可以，優選的 為矩形板，組合板式槳葉也可以由不同形狀的板構成，如橢圓形板與矩形板、三角形板 與矩形板，或者橢圓形板與三角形板。如圖5所示，組合板式槳葉由一梯形板53和一三角形板54構成，如圖6所示， 組合板式槳葉由兩塊橢圓形板55、56構成，如圖7所示，組合板式槳葉由一多邊形板57 和一三角形板58構成，組合板式槳葉的兩塊板結構形狀及夾角不固定，一般根據物料所 需停留反應時間的長短設計。當物料由進料口 1進入筒體容器8后，在進料區B，受到E形槳葉4和組合槳葉 5的劇烈攪拌，很快將被分散均勻，難以發生沉降或者團聚；同時，由于槳葉還有軸向 推進力，物料將會從擋板3與筒體容器8內壁之間的間隙向下一個混合反應區流動。在 每個混合反應區，物料將得到進一步混合、反應，沿設計的S形路線單向流動，最終從 出料口 7流出。本實施例在電機9控制的中心旋轉軸轉速為lOOr/min時，物料停留時間為2小 時，不同時間從出料口 7取樣，檢測濃度，在投料濃度士0.5個百分點內波動。 由于本發明上述擋板及槳葉的科學設計及合理組合，連續均質混合反應器能夠 實現工業上物料連續、均勻的混合、投料，同時能夠保證物料的停留時間使所需反應完 全，在配合加熱或冷卻系統，實現特殊的生產工藝要求。同時，由于本反應器的連續化 特性，因此生產能力大，不僅能減少設備投資、節約生產廠房，還可以相應得降低能源 消耗。
權利要求
1.一種連續均質混合反應器，包括一設有進料口和出料口的筒體容器、設在該筒體 容器內的混料裝置、與混料裝置驅動連接的驅動系統、與此驅動系統相連接的電器控制 系統，其特征在于所述的混料裝置由與驅動系統相連接的中心旋轉軸、安裝在該中心 旋轉軸上的多組E形槳葉和組合板式槳葉及設置在筒體容器內的多個擋板構成，所述的 多個擋板將筒體容器分割為進料口處的進料區、出料口處的出料區及進料區與出料區之 間的多個混合反應區，由進料區至出料區設有一由擋板與擋板之間、擋板與筒體容器內 壁之間形成的彎曲連通各區的出料通路。
2.根據權利要求1所述的連續均質混合反應器，其特征在于所述的筒體容器長度 與半徑比不大于50，筒體容器內壁依次交替排列多個檔板，所述擋板為圓缺形，其方向 與軸向垂直，擋板長度是圓筒直徑的0.5倍到0.95倍，進料區和出料區的檔板分別安裝在 進料口和出料口一側的筒體容器內壁上，由進料區和混合反應區的檔板與筒體容器內壁 之間組成的出料通路為“S”形。
3.根據權利要求1所述的連續均質混合反應器，其特征在于于所述的中心旋轉 軸上，對應于、出料區和各混合反應區，分別于每一區裝有一組E形槳葉和組合板式槳 葉，每一葉E形槳葉對應兩葉組合板式槳葉。
4.根據權利要求3所述的連續均質混合反應器，其特征在于所述的E形槳葉每組 有2 6葉，以軸心為中心對稱分布，其延長線交于旋轉軸心，E形槳葉包括四個部分， 三個平行葉端部與中心旋轉軸焊接，另一外邊緣葉部分在進料區與軸向有5° 85°夾 角，在其它區與軸向平行；所述的組合板式槳葉每組有4 12葉，由兩塊較扁的矩形板 或其它形狀板交叉構成，交叉角度在0° 90°范圍內可調，在軸向投影上，組合板式 槳葉與E形槳葉之間有一個的0° 90°的夾角。
5.根據權利要求1或2所述的連續均質混合反應器，其特征在于所述的E形槳葉與 筒體容器內壁以及擋板間隙在0.5mm 5mm之間。
6.根據權利要求1所述的連續均質混合反應器，其特征在于所述的混合反應器還 包括加熱或冷卻裝置，該加熱或冷卻裝置為一設于筒體容器外部的夾套，夾套的底部和 頂部分別設有通循環熱媒或冷媒以給物料加熱或冷卻的進口和出口，夾套的底部還設有 排空口，或者加熱裝置為電加熱，冷卻裝置為干冰浴冷卻。
7.根據權利要求1所述的連續均質混合反應器，其特征在于所述的驅動系統控制 中心旋轉軸在20轉/分鐘 500轉/分鐘之間的轉速變化以控制物料在混合反應器內部 的停留反應時間，所述電器控制系統包括溫度及轉動速度的調節與控制。
8.根據權利要求1所述的連續均質混合反應器，其特征在于所述的混合反應器為 固相與液相之間或者液相與液相之間的混合反應器，所述的固相或者液相物料為各自一 種物料，或兩種以上的物料相混合。
9.根據權利要求1或8所述的連續均質混合反應器，其特征在于所述的混合反應器 為物理或化學反應器。
全文摘要
本發明公開了一種連續均質混合反應器，包括一設有進料口和出料口的筒體容器、設在該筒體容器內的混料裝置、與混料裝置驅動連接的驅動系統、與此驅動系統相連接的電器控制系統，所述的混料裝置由與驅動系統相連接的中心旋轉軸、安裝在該中心旋轉軸上的多組E形槳葉和組合板式槳葉及設置在筒體容器內的多個擋板構成，所述的多個擋板將筒體容器分割為進料口處的進料區、出料口處的出料區及進料區與出料區之間的多個混合反應區，由進料區至出料區設有一由擋板與擋板之間、擋板與筒體容器內壁之間形成的彎曲連通各區的出料通路。本發明實現物料先進先出的同時，保證幾種物料之間混合均勻，物料濃度波動小甚至幾乎無波動。
文檔編號B01J19/18GK102019163SQ20091030720
公開日2011年4月20日 申請日期2009年9月17日 優先權日2009年9月17日
發明者孔令熙, 孫玉山, 張琦, 李曉俊, 陳功林 申請人:中國紡織科學研究院