專利名稱：形成受控渦流和再循環氣體的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及攪拌反應器，特別涉及把氣體用作化學反應助劑的高效反應器。在所述反應器中，防止形成單一渦流，不裝導流板的反應器一般都會形成這種單一渦流，它主要形成在位于反應器中部的攪拌器件的轉動軸周圍并常常一直伸展到攪拌器件處。這種渦流的有效的吸氣性在本發明中得以保持，但同時確保獲得好幾個渦流，它們受到控制并且不伸展到攪拌器件近旁。本發明裝置包括裝在反應器內部的可調導流板，用這些導流板可在反應器中形成若干受控渦流，從而把氣體從液體表面吸入液相中。
攪拌反應器正常情況下有裝在反應器壁體上的導流板。通常有四塊導流板，其目的是消除比方說中央的吸氣渦流，中央的吸氣渦流常常被看成是有害的。當比方說要氧化反應器中的溶液時，一般把空氣或氧之類的氧化氣體送入分散設很大的攪拌器件的有效空間中。若該氣體為空氣，把空氣從上方液體表面吸回溶液中的做法是不實際的，有時甚至是不可取的，因為此時溶液中的氮含量只會增加。另一方面，若該氧化氣體為氧，則使它重新進入循環在經濟上是有利的。因此可如上所述也即使用分散攪拌器件來實現氧化，但除此之外，最好以這種或那種方式把未經反應的氧從上方液面吸回到溶液中。
若該反應器為圓筒形，垂直放置，則可通過一裝在反應器圓筒部分的中心軸線的一軸使攪拌器件轉動，如果反應器的有效容量使得有待攪拌的液體的高度大致等于反應器直徑，則在該軸底端裝上一個攪拌器一般已足夠，攪拌器功效的力和力的方向決定于攪拌器的類型和形狀。有些攪拌器的幾乎全部輸出都消耗在循環和運送有待攪拌的溶液上。反應過程通常需要進行攪拌，而該攪拌是由強大的渦流和充分的循環構成。若有效容量大到溶液高度為反應器直徑的一倍半至2倍或更大，則常常需要在其頂部放置幾個以合適間距隔開的攪拌器。從而可在同一軸上設置不同類型的攪拌器。
在一些現有反應器中，使用四個位于反應器壁體上的導流板來防止在中心軸上旋轉的上述常常是有害的強大氣體渦流。在導流板的靠近壁體一側常常留出一流動孔，以便比方說防止聚積固體粒子。
在先有技術中，還已知有其它類型的導流板結構，它們都可用來防止吸氣渦流，或防止甚至被看成是有害的渦流。美國專利4,800,017敘述一種裝置，其中，空氣通過軸送至一分散攪拌器、一轉子，導流板則裝在轉子近旁，以便加強其分散度。
還已知，當在反應器中加上阻礙旋轉的導流板時，攪拌器所需功率增大。在芬蘭專利說明書77,384中，導流板設計成螺旋形，其目是要獲得以最小功率獲得最大攪拌效果的導流板結構。
另一種現有技術是使用所謂的下吸原理從溶液表面抽吸氣體。美國專利說明書4,454,077敘述了一種裝置，其中，為了通過中心管向下泵送氣體，使用了形如雙頭螺絲那樣的攪拌器，該裝置還包括上部和下部導流板。美國專利說明書4,328,175介紹了一種相似類型的裝置，但中心管的頂端做成錐形。
另一方面，在芬蘭專利91,365中，專門要防止形成泡沫和渦流以及防止從表面抽吸氣體。為此，使用了沿徑向輸送的攪拌器以及具有翼型形狀、并只伸展到反應器頂部的導流板。
在這些現有應用中，或是為了消除渦流，即使液體表面穩定；或是相反，為了加強在攪拌器軸上形成的強大中心渦流，即更強烈地把氣體吸入溶液。在后面這種情況中，由強大的中心渦流吸進的氣體進入攪拌器。這種強大而大量的氣體渦流雖然有時可很有效地把來自表面氣體進入液體中，但在一定的氣體流量下，攪拌器的工況變慢，因為該攪拌器開始在大氣泡中轉動。此時，隨著功率變弱，渦流也變弱，氣體抽吸作用下降。但是，以上述方式產生的渦流不受控制，若該渦流一直伸展到攪拌器，就會造成很大的功率變動并從而損壞設備。
本發明用在反應器中形成受控渦流的新方法和裝置是基于對各導流板的配置，其目的是消除上述現有結構的缺點、在反應器中以更有效、運行更安全的新方式把氣體從液體或液體懸浮液和固體的表面吸入液相，同時對攪拌來說獲得一有效的流場，從而更高地利用氣體。本發明裝置包括可調地安裝在反應器內的導流板，這些導流板足夠高，以便形成有效的渦流。本發明最根本的新穎性從下文的權利要求中明顯看出。
按照本發明，最好通過把受控一定量的氣體送入攪拌器的有效空間以及用若干強大渦流從上方液體表面抽吸氣體而使液體或液體加上主要為粉末狀的固體之類在要攪拌的反應器相互發生接觸。若為氧化，反應氣體就是含氧氣體、空氣或最好是氧。本方法的優點比方說在用純氧進行氧化時變得十分明顯，因為此時在從液相表面進行抽吸時，惰性氣體、主要是氮在液相中并不增加，在這種情況下，為了回收所有被利用的氣體，最好在反應器頂部采用封閉式氣體空間。
在要精確、有效使用饋入氣體的其它場合情況也復如此。作為例子，可舉出使用其它氣體、比方說氫氣和二氧化碳的反應器。所術反應可以比方說直接從帶有金屬的溶液中產生金屬粉末或把溶液中某一成份從一種狀態還原到另一種狀態。作為后一種情況的一個例子，可舉出鉻(V1)，它對環境有害，因而要還原，所使用的還原劑常常是上述的SO2氣體。
在使用硫化氫之類的有毒氣體時，必須消耗掉所有氣體。此時最好使用氣體能從氣體空間再循環到溶液中的反應器。在還有一些情況中，目的是用惰性氣體稀釋反應氣體。所述反應可以是比方說上述以硫化氫進行的硫化沉淀反應，此時，可通過加入諸如氮之類的惰性氣體來增加對沉淀反應的選擇性。此時用隋性氣體氮稀釋時所使用的硫化氫，從而避免強烈的局部沉淀，此局部沉淀往往也同時沉淀出不符合要求的溶液成分。
本發明還包括氣體空間暢開的那類反應器，這類反應器可用來對溶液或沉淀漿充氣。通過副渦流，反應器把新鮮空氣吸到溶液中，從而改變其空氣含量，同時用過的空氣在上升氣泡中分離表面后逸入反應器空間。這類反應器可用來比方說在進行下一步之前除去氣體處理后的最終廢氣。另一種可能性是用空氣進行氧化；此時在無法使用高壓或鼓風空氣的情況下可不需要使用單獨的空氣輸送裝置。
本發明方法和裝置的最明顯優點是它的可控性。首先，輸入反應器內含物中的反應氣體量正好是攪拌器在不損失攪拌所需功率的條件下所容許的量。其次，從反應器的液面吸入的氣體并不立即大量地引到攪拌器附近而惡化受控的攪拌效果，按照本發明，由于形成若干受控渦流，因此液相和從液體表面吸入的氣體由于這些狹小的渦流所形成很大表面。而且，分布抽吸渦流就起作用結果抽吸渦流是電交替起抽吸作用和“乳化”作用的副渦流所組成。
產生渦流的一個前提是使反應器中的液體發生轉動。若反應器中根本沒有導流板，就會在反應器的中心軸上形成上述的強大氣體渦流，該渦流由于具有足夠的轉動能量而會一直延伸到引起液體轉動的攪拌器處。該攪拌器會在徑向向全部或部分地引起液體流動。在反應器靠外部位上設置兩個或多個、最好是至少四個徑向導流板就可防止形成中心渦流。若把導流板向中央移動，至少是部分地更靠近中心軸，同時在導流板與反應器壁體之間留出一使流體轉動的孔，就可在靠近導流板部位獲得一抽吸液體表面空氣的強大渦流。除此之外，至少一部分導流板可以放置在攪拌器與液體表面之間的區域內。適當調正導流板的形狀，就可提高導流板所形成渦流的效果。
本發明的基本點是，安裝并使用了對形成渦流來說具有足夠高度的可調導流板。最好同時使用至少兩種類型的可調導流板，至少一部分導流板是可調的。更靠近反應器壁體的導流板最好由兩部分構成，其靠外的一部分也即位于反應器壁體上的一部分可圍繞一位于反應器壁體上也即該導流板的邊緣上的調節軸轉動從而達到可調。此時使強大的渦流運動流向構成壁體一側導流板的第二部分的大體為形成渦流的靜止的導流板，就可提高液體轉動的效率，并因而也就提高了渦流形成的效率。
除了主要安裝在反應器壁體上的導流板，反應器可以最好在壁體處的導流板與攪拌器之間的空間中設置導流板，可用這些導流板按照需要來加強或減慢液體的流動。原則上這些導流板是靜止不動的，最好伸展在液體表面與攪拌器之間的區域中。
本發明反應器的一個應用是高壓釜，它當然是所謂的分層型，具有若干分層。一個層的橫截面為長方形，而在垂直平面上為U形，吸入面氣體的渦流是借助上述相似的導流板裝置獲得。
下面結合附圖詳述本發明裝置。附圖中
圖1以攪拌反應器的三維側視立面圖表示出本發明形成渦流的結構的一優選產施例；圖2以側視立面圖表示出本發明的渦流加強結構；圖3為圖2實施例的俯視圖；圖4為圖1實施例的一種變型的俯視圖，它設有四個導流板；圖5為圖1實施例的另一種變型的俯視圖，該反應器設有二個導流板；圖6為把本發明應用于高壓釜的側視圖；圖7為圖6的俯視圖。
從圖1中可看出，反應器1包括底部2和圓筒形壁部3。反應器可關上、也可打開，但圖中未示出蓋子。反應器當然也可以是其它類型，比方說多邊形。一攪拌器4懸在軸5上，在例示性附圖中，大體在靠近反應器壁體處，有四個專門制造并大體為直立的導流板6，它們從頂部伸展到底部，至少伸到攪拌器的高度，一般一直伸到底部2。并位于壁體上的導流板與軸之間的空間中，大體在反應器的中間部位，還裝有附加導流板7，它們位于反應器的垂直方向上，其底邊8最好保持在攪拌器4上方附近。
圖2表示攪拌器4轉動時如何在軸5周圍生成渦流9，但特別用附加導流板7來防止該渦流一直向下到達攪拌器處，故而另外在每一附加導流板7周圍形成一獨立有效的渦流10。中央渦流9和由附加導流板7形成的渦流10把反應器內含物從表面向里抽送，從而把位于液體表面的氣體順利地吸入液體中，附圖中未單獨表示出如何把氣體輸入反應器中，但比方說通過攪拌器軸等現有方式把空氣輸入反應器中，本發明的實施例只著重說明如何加強循環以及把空氣從液體表面吸入液體中。
圖3更詳細地表示出從圖1和圖2中已顯而易見的內容壁部導流板6是電兩部分11和12所組成，至少其中之一可圍繞其垂直調節軸轉動。在圖3實施例中，靠外部分11的位置主要通過其位于反應器壁上的調節軸13而可調；該導流板的靠里部分12可圍繞其中央位置上的調節軸14轉動，改變導流板的部分11和12的相對位置，就可調節形成在附加導流板7周圍的渦流的方向和深度。在圖3中，導流板的部分11和12幾乎互相碰到，因此通過該窄縫排出的流體又沖又窄。此時流體的范圍受到相當限制，并且附加導流板7緊靠著壁部導流板的部分11和12。
在圖3中，附加導流板7沿徑向位于與壁部導流板6相同的部位上，但附加導流板與壁部導流板的相對位置可調，即它們可安置在反應器中的其它位置上。圖4表示附加導流板7雖然仍位于壁部導流板6與攪拌器4之間的部位，但它們與壁部導流板不在同一直線上。此時壁部導流板的靠里部分12與反應器半徑大致平行。實驗表明，這種位置的安置造成強大而作用深遠的循環，從而有助于加強形成在附加導流板7后方的兩滾10。
在圖5實施例中，只使用兩塊導流板6，并且附加導流板7相對導流板6則放置在另一種不同位置上。
圖6和圖7表示在本發明的封閉式高壓釜裝置中形成的渦流，但該實施例的基本特征也適用于暢工式高壓釜。從圖6可見，在高壓釜15中，軸16上裝有兩個攪拌器17和18。上述實施例所述由若干部分組成的壁部導流板6在這里與一朝里彎的膝狀導流板19結合在一起。朝向反應器中央的膝部20向里一直伸展到兩攪拌器之間區域。膝部的角度可視需要加以調節。顯然，在同一軸上可裝比兩攪拌器更多的攪拌器，此時在反應器中，可配置其膝部位于攪拌器之間至少一個間隔中的導流板。
除了膝部20的角度及其形狀可改變外，比方說其形狀可改成圓形，導流板在反應器中的位置也可調節。在垂直方向上，導流板19大體不伸展到攪拌器18下方。曲線形底部結構21加上若干最好是下壓的攪拌器可產生強大的垂直渦流。
導流板19和壁22之間的流動空間23的特征與由可調導流板11和12給出的流體控制的特征相同。在反應器的邊緣處，在流動空間23中向上流動的液體在膝部20處形成強大的渦流運動，該液體以渦流運動前進到表面部分并在表面上形成把氣體吸入反應器的渦流24。由于反應器底部附近沒有導流板，這就進一步加強反應器內含物的渦流運動，從而更易形成副渦流。
當上述反應器用作轉閉型裝置時，它適用于氣體高效反應顯得特別重要的氧化反應或還原反應。該反應器比方說可用于流化沉淀，此時把硫化氫以及或許還有一些起烯釋作用的氮輸入反應器中，從而進行沉淀。把同樣的反應器做成開放型裝置可使反應器內含物很好地換氣。該反應器還可用于以空氣進行氧化的場合。
顯然，除了附圖所示實施例外，在本發明范圍內也可形成其它導流板布置，用它們可用效地把氣體從液體表面吸入液組中。
權利要求
1.一種在裝有液體或液體懸浮體和固體懸浮體并輸入在氣體的反應器中形成受控渦流并從而形成再循環氣體的方法，并且用攪拌器和導流板使液體作渦流運動，其特征在于，在該反應器中借助導流板形成至少兩個在攪拌器軸外的渦流，所述渦流的吸力可調，從而用所述渦流把氣體從懸浮液表面吸入液相中。
2.一種在裝有液體或液體懸浮體和固體懸浮體的反應器(1，15)中形成受控渦流并從而形成再循環氣體的裝置，所述反應器至少包括底部(2，21)和壁部(3，22)從而用至少一個懸在一軸(5，16)上的攪拌器(4，17，18)使該液體作渦流運動并且該反應器在壁部上裝有大體垂直的導流板(6)，其特征在于，安置在反應器(1)中并從頂部伸展到底部至少達到攪拌器高度的導流板(6，19)裝成可調的。
3.按權利要求2所述的裝置，其特征在于，安置在反應器壁部(3，22)上的導流板(6，19)一直伸展到最底下攪拌器(18)的高度處。
4.按權利要求2所述的裝置，其特征在于，在壁部導流板(6)與攪拌器(4)之間區域設有附加導流板(7)。
5.按權利要求2所述的裝置，其特征在于，附加導流板大體直立，導流板底邊(8)伸展到攪拌器(4)附近。
6.按權利要求2所述的裝置，其特征在于，導流板(6)和附加導流板(7)的相對位置可調。
7.按權利要求2所述的裝置，其特征在于，導流板(16)由兩部分(11，12)所組成，至少其中之一可調。
8.按權利要求7所述的裝置，其特征在于，導流板的兩部分(11，12)借助其調節軸(12，14)而可調。
9.按權利要求2所述的裝置，其特征在于，壁部導流板(6)形成至少一個朝向反應器中央的膝部(20)。
10.按權利要求2到9所述的裝置，其特征在于，反應器(1)在同一軸(5，16)上裝有至少兩個攪拌器(17，18)，并且，導流板的膝部(20)在垂直方向上位于攪拌器之間。
11.按權利要求9所述的裝置，其特征在于，該膝部(20)是可調的。
全文摘要
本發明涉及在裝有液體或液體懸浮體和固體懸浮體的反應器(1，15)中形成受控渦流并從而形成再循環氣體的一種方法，反應器中還輸入有氣體，從而用攪拌器(4，17，18)和導流板(6，17，19)使液體作渦流運動。使用可調導流板(6，9)在反應器中的攪拌軸外形成至少兩個渦流(10)，從而把氣體從懸浮液表面吸入液相中。
文檔編號B01J19/00GK1126106SQ95106369
公開日1996年7月10日 申請日期1995年5月19日 優先權日1994年5月20日
發明者斯提格·E·霍爾瑟爾姆, 勞諾·L·利佳, 維爾多·J·馬克塔羅, 堡羅·G·諾曼 申請人:奧托孔普工程承包商公司