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1、(10)申请公布号 CN 103768980 A (43)申请公布日 2014.05.07 CN 103768980 A (21)申请号 201410025839.0 (22)申请日 2014.01.20 B01F 7/20(2006.01) B01F 3/04(2006.01) B01J 10/00(2006.01) (71)申请人 东南大学 地址 211189 江苏省南京市玄武区四牌楼 2 号 (72)发明人 骆培成 吴华 吴俊 邰芸翠 罗小雨 (74)专利代理机构 南京苏高专利商标事务所 ( 普通合伙 ) 32204 代理人 沈振涛 (54) 发明名称 一种长桨短叶片复合搅拌器 (57)。
2、 摘要 一种长桨短叶片复合搅拌器， 包括固定盘 （1） 、 一组长桨 （2） 、 连接盘 （3） 和一组短叶片 （4） ； 所述长桨 （2） 的上端固定在固定盘 （1） 上， 下端固 定在连接盘 （3） 顶部 ； 所述短叶片 （4） 固定在连接 盘 （3） 的底部。该搅拌器结构简单、 具有表面自 吸气功能、 能大幅提高气液传质效率、 操作灵活性 大、 适用于不同黏度下的液体混合或者气液以及 气液固等多相分散过程， 也可用于液面不断变化 的单相混合或者多相分散过程。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 6 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申。
3、请 权利要求书1页 说明书5页 附图6页 (10)申请公布号 CN 103768980 A CN 103768980 A 1/1 页 2 1. 一种长桨短叶片复合搅拌器， 其特征在于 ： 包括固定盘 （1） 、 一组长桨 （2） 、 连接盘 （3） 和一组短叶片 （4） ； 所述长桨 （2） 的顶端固定在固定盘 （1） 底部， 底端固定在连接盘 （3） 顶部 ； 所述短叶片 （4） 固定在连接盘 （3） 的底部。 2.根据权利要求1所述的一种长桨短叶片复合搅拌器， 其特征在于 ： 所述长桨 （2） 的水 平截面为长方形或者椭圆形， 长方形的长边或者椭圆的长轴与指向搅拌器轴心的半径之间 的夹角为。
4、 。 3. 根据权利要求 2 所述的一种长桨短叶片复合搅拌器， 其特征在于 ： 所述角度 为 0 90。 4.根据权利要求1所述的一种长桨短叶片复合搅拌器， 其特征在于 ： 所述的连接盘 （3） 为一组同心圆环， 所述一组圆环与短叶片 （4） 相互固定。 5.根据权利要求4所述的一种长桨短叶片复合搅拌器， 其特征在于 ： 所述长桨 （2） 的数 量为 2 根以上， 且均匀分布在连接盘 （3） 上。 6.根据权利要求5所述的一种长桨短叶片复合搅拌器， 其特征在于 ： 所述长桨 （2） 在连 接盘 （3） 上的分布方式为 ： 在同心圆环的同一圆环上均匀分布， 或者在同心圆环的不同圆 环上交错排列，。
5、 其交错角为 0 360 /n， 其中 n 是长桨的总数量。 7.根据权利要求1所述的一种长桨短叶片复合搅拌器， 其特征在于 ： 所述短叶片 （4） 的 形状为平板、 斜叶或者弯曲面。 8.根据权利要求1所述的一种长桨短叶片复合搅拌器， 其特征在于 ： 所述短叶片 （4） 的 数量为 2 10 片， 且均匀分布在连接盘 （3） 底部。 权 利 要 求 书 CN 103768980 A 2 1/5 页 3 一种长桨短叶片复合搅拌器 技术领域 0001 本发明涉及一种新型的长桨短叶片复合搅拌器， 具体来说， 本发明涉及的搅拌器 可在较大的黏度范围内实现均相体系混合 （如液体液体混合） 、 非均相体。
6、系的分散过程 （如气体在液体中的分散， 不相溶的两种液体的分散， 或者气液固三相体系的高效混合、 分 散） ， 属于工业流体混合、 多相分散、 反应设备领域。 背景技术 0002 气液分散与反应问题在化工和医药等行业中是经常遇到的， 例如硝基芳烃、 脂肪 腈、 烯烃和炔烃的液相催化加氢反应、 烷基化反应、 羰基化反应、 氧化反应等 ； 其共同特点是 反应速率受气/液传质的控制， 而气/液传质涉及到气体分散、 气体循环以及固体催化剂悬 浮等过程， 因此实际是比较复杂的过程。由于气液的不相容性， 且密度差别非常大， 气液反 应器中未反应的气体聚积在反应器内的上部空间， 严重影响反应速率和效率 ； 。
7、同时， 固体催 化剂悬浮的不均匀也约束了反应的速率。 0003 为提高反应速率， 工业上一般采用气体外循环、 液体外循环和气体内循环 （即自吸 式） 三种方式。 0004 （a） 气体外循环式 ： 是将反应气体从气相空间引出， 气体通过压缩机增压后再从 反应器底部通入， 在搅拌器的配合下， 可得到较大的持气量和相接触面积， 从而提高反应速 率 ； 其优点是可得到任意的气体循环量， 缺点是需要额外的气体循环设备， 增加了装置的复 杂性， 额外的能耗和资金投入。 0005 （b） 液体外循环式 ： 是用泵将液体从反应器底部抽出， 再通过喷射反应器， 如文丘 里反应器抽吸反应器气相空间内的气体， 在。
8、喷射反应器内实现气体和液体的充分混合与分 散， 可得到十分细小的气泡， 大幅度提高气液相接触面积和反应速率 ； 液体外循环式的优点 是反应速率快， 可连续生产， 传热方便等， 缺点是能耗大， 对循环泵的要求十分苛刻。 0006 （c） 气体内循环式 ： 即自吸式气液相搅拌釜反应器， 是一种不用额外的气体输送设 备而能自行吸入反应器上部空间气体进行气液接触的反应装置， 其主要通过特殊设计的空 心涡轮搅拌器在料液混合的同时不断吸入液面上的反应气体， 达到气液循环与分散目的。 如专利 CN102921320A 公开了一种带有涡轮吸气盘的自吸式气液分散搅拌器， 其优点为送 入的气体气泡较小、 分散均匀。
9、、 具有自吸气的功能等。 0007 气体内循环式的另外一种实现方式是对搅拌桨进行特殊设计， 气体由表面吸入液 下， 因此同样不需要喷射 - 压缩系统， 能够再循环未反应的气体， 操作更加安全可靠， 广泛 应用于加氢、 氯化、 烷基化、 氧化等反应过程中， 特别适合于高压、 反应气体有毒、 有腐蚀性 的工况 ； 当体系中存在大量固体颗粒和粉尘 （如污水处理） ， 还可以克服使用气体分布器容 易堵塞的缺点 ； 另外， 表面吸气式搅拌釜不需要进行气体循环操作， 与采用分布器鼓入气体 相比， 可将过程的能耗降低三分之一左右。然而， 现有涡轮式搅拌浆在使用时随着液面逐 渐升高， 其气液传质性能会急剧下降。
10、， 而采用本发明所述的搅拌器， 其气液传质性能基本不 变。 说 明 书 CN 103768980 A 3 2/5 页 4 发明内容 0008 发明目的 ： 本发明的目的在于提供一种具有表面吸气功能的用于气液搅拌的长桨 短叶片复合搅拌器， 以解决传统搅拌器的气体吸收不充分、 气体分布不均匀等问题， 实现流 体间快速混合， 特别地， 对于液面不断升高的反应过程能够达到满意的搅拌效果， 本发明同 样适用于气体外循环式反应器的搅拌。 0009 技术方案 ： 本发明提供的一种长桨短叶片复合搅拌器， 包括固定盘、 一组长桨、 连 接盘和一组短叶片 ； 所述长桨的顶端固定在固定盘底部， 底端固定在连接盘顶部。
11、 ； 所述短 叶片固定在连接盘的底部。 0010 作为改进， 所述长桨的水平截面为任意形状， 优选为长方形或者椭圆形， 尤其当截 面为长方形或者椭圆形时， 效果更好， 长方形的长边或者椭圆的长轴与指向搅拌器轴心的 半径之间的夹角为 。 0011 作为进一步改进， 所述角度 为 0 90， 优选为 0 45。 0012 作为另一种改进， 所述的连接盘为一组同心圆环， 所述一组圆环与短叶片通过焊 接或者其他方式相互固定。 0013 作为进一步改进， 所述长桨的数量为 2 根以上， 且均匀、 对称的分布在连接盘上。 0014 作为更进一步改进， 所述长桨在连接盘上的分布方式为 ： 在同心圆环的同一圆。
12、环 上均匀分布， 或者在同心圆环的不同圆环上交错排列， 其交错角为 0 360 /n， 其中 n 是 长桨的总数量。 0015 作为另一种改进， 所述短叶片的形状为平板、 斜叶或者弯曲面。 0016 作为另一种改进， 所述短叶片的数量为210片， 优选为46片， 再优选为6片， 且均匀分布在连接盘底部。 0017 有益效果 ： 本发明提供的长桨短叶片复合搅拌器结构简单、 具有表面自吸气功能、 能大幅提高气液传质效率、 操作灵活性大、 适用于不同黏度下的液体混合或者气液、 气液固 等多相分散过程。 0018 具体而言， 本发明相对于现有技术， 具有以下突出的优势 ： 0019 （1） 可实现气体。
13、自动由液面吸入液下， 并在液相中均匀分散， 与传统的多桨组合 （如标准的涡轮桨） 相比， 在相同的输入功率下， 本发明所涉及的长桨短叶片复合搅拌器可 将气液传质效率 （以液相传质系数表示） 提高至少两倍以上 ； 0020 （2） 应用范围广 ： 既可应用与低黏度液体的混合或者气液 （或者气液固） 分散， 也可 应用于中高黏度液体的混合或者气液 （或气液固） 分散 ； 还可用于反应过程中液面不断变化 （如聚合过程） 的情况 ； 特别适用于具有大高径比的搅拌釜 （高径比大于 1） 。 附图说明 0021 图 1 是本发明所述的长桨短叶片复合搅拌釜内的流体流动模式示意图。 0022 图 2 是实施例。
14、 1 的长桨短叶片复合搅拌器的结构示意图。 0023 图 3 是实施例 1 的长桨在连接盘上的分布示意图。 0024 图 4 是实施例 1 的短叶片与连接盘的分布示意图。 0025 图 5 是实施例 2 的长桨在连接盘上的分布示意图。 说 明 书 CN 103768980 A 4 3/5 页 5 0026 图 6 是实施例 3 的长桨在连接盘上的分布示意图。 0027 图 7 是实施例 4 的短叶片与连接盘的分布示意图。 0028 图 8 是实施例 5 的长桨在连接盘上的分布示意图。 0029 图 9 是实施例 6 的短叶片与连接盘的分布示意图。 0030 图 10 是实施例 7 的长桨在连接。
15、盘上的分布示意图。 0031 图 11 是实施例 7 的短叶片与连接盘的分布示意图。 0032 图 12 是实施例 8 的短叶片与连接盘的分布示意图。 具体实施方式 0033 下面结合附图对本发明所提供的长桨短叶片复合搅拌器做出进一步说明， 但本发 明并不因此而受到任何限制。 0034 本发明中， 长桨短叶片复合搅拌器的搅拌效果通过实验测量单位体积功率消耗 P/ V 和体积传质系数 kLa 来定量评价， 具体为 ： 0035 在内径 DT=600m、 高 HT=1500mm 的搅拌釜内侧壁上均匀装有 4 块宽度为 60mm 挡板， 短叶片 4 下沿离搅拌釜底的距离为 300mm。实验采用稳态亚。
16、硫酸钠氧化法测量液相体积传 质系数 kLa， 采用扭矩传感器测量功率消耗 ； 采用蒸馏水作为介质， 温度 25。液面高度与 搅拌釜釜直径之比 （H/DT） 在 0.8 2.0 之间。 0036 为了评价更客观， 本发明的设置的短叶片 4 形成的类似圆盘涡轮的直径 D 300mm。 0037 对比例 ： 采用现有两个普通标准圆盘涡轮搅拌器叠加， 搅拌桨的直径为 300mm， 下面一个涡轮搅拌桨距离釜底的距离为 300mm， 上面一个涡轮搅拌桨距离釜底的距离为 900mm ： 0038 则当 H/DT 1 时， 单位体积功率消耗， P/V 3.3kW/m3， 体积传质系数 kLa 0.043s-1。
17、； 0039 当 H/DT 1.5 时， 单位体积功率消耗， P/V 4.8kW/m3， 体积传质系数 kLa 0.012s-1； 0040 当H/DT2时， 单位体积功率消耗， P/V5.0kW/m3， 体积传质系数kLa0.032s-1。 0041 实施例 1 0042 长桨短叶片复合搅拌器， 见图2， 包括固定盘1、 长桨2、 连接盘3和短叶片4， 长桨2 的顶端通过螺母固定在固定盘 1 底部， 底端固定在连接盘 3 顶部， 短叶片 4 固定在连接盘 3 的底部。连接盘 3 为一组同心圆环， 所述一组圆环与短叶片 4 通过焊接或者其他方式相互 固定。 0043 本实施例中， 长桨 2 的。
18、数量为三根， 长桨 2 为长方体， 其水平截面为 168mm 的长 方形， 长方形的长边与径向的夹角 =0， 长桨 2 均匀分布在连接盘 3 的最外层圆环上， 见 图 3 ； 长桨的高度 850mm ； 短叶片 4 为平板， 其长和高分别为 80mm 和 60mm， 厚度为 3mm， 共有 6 片， 见图 4。 0044 该长桨短叶片复合搅拌器的工作原理为 ： 将固定盘 1 上部与电机搅拌轴连接， 从 而带动该搅拌器旋转 ； 随着搅拌器的搅拌速度逐渐增大， 复合搅拌器的长桨与液体的剪切 作用逐步增强， 从而将气体有效吸入液面下， 在液体内部通过长桨和短叶片的共同作用， 实 说 明 书 CN 1。
19、03768980 A 5 4/5 页 6 现气液两相在轴向和径向上的循环流动， 将电机转化的机械能尽可能均匀地分布在体系 中， 良好的能量分布可使气泡在釜内不同区域分布更均匀、 气泡的平均尺寸更小， 从而实现 气液两相在轴向和径向上的高效循环、 混合， 具体流动模式如图 1 所示。 0045 当搅拌速度为 N 200rpm， 采用上述长短桨复合搅拌器 ： 0046 当H/DT1时， 单位体积功率消耗P/V3.5kW/m3， 体积传质系数kLa0.136s-1； 0047 当H/DT2时， 单位体积功率消耗P/V5.1kW/m3， 体积传质系数kLa0.125s-1。 0048 实施例 2 00。
20、49 采用与实施例 1 相同结构和尺寸大小的长桨短叶片复合搅拌器， 仅将长方形的长 边与径向的夹角 调整 45， 如图 5 所示， 其余的操作条件保持不变。 0050 当搅拌速度为 N 200rpm， 采用上述长短桨复合搅拌器 ： 0051 当H/DT1时， 单位体积功率消耗P/V3.3kW/m3， 体积传质系数kLa0.132s-1； 0052 当H/DT2时， 单位体积功率消耗P/V4.8kW/m3， 体积传质系数kLa0.120s-1。 0053 以上结果显示， 不论是顺时针还是逆时针旋转， 单位体积功率消耗 P/V 略微小于 同条件下， 体积传质系数 kLa 值也略微小于实施例 1 中。
21、采用的长桨短叶片复合搅拌器测量 值， 但体积传质系数减小的幅度均小于 5。 0054 实施例 3 0055 采用与实施例 1 相同结构和尺寸大小的长桨短叶片复合搅拌器， 仅将长桨 3 均匀 地分布在连接盘的内环上， 如图 6 所示， 其余操作条件亦与实施例 1 保持一致。 0056 当搅拌速度为 N 200rpm， 采用上述长短桨复合搅拌器 ： 0057 当 H/DT 1 时， 单位体积功率消耗 3.8kW/m3， 体积传质系数 0.121s-1； 0058 当 H/DT 2 时， 单位体积功率消耗 5.6kW/m3， 体积传质系数 0.086s-1。 0059 实施例 4 0060 采用与实。
22、施例 1 相同结构和尺寸大小的长桨短叶片复合搅拌器， 仅将短叶片改为 45斜叶， 如图 7 所示， 操作条件亦与实施例 1 保持一致。 0061 当搅拌速度为 N 200rpm， 采用上述长短桨复合搅拌器 ： 0062 当 H/DT 1 时， 单位体积功率消耗 3.3kW/m3， 体积传质系数 0.131s-1； 0063 当 H/DT 2 时， 单位体积功率消耗 4.9kW/m3， 体积传质系数 0.126s-1。 0064 实施例 5 0065 采用与实施例 1 相同结构和尺寸大小的长桨短叶片复合搅拌器， 仅将长桨的数量 增加至 6 根， 在连接盘的内环和外环上分别分布三根， 且内、 外环。
23、上的长桨交错排列， 交错 角为 60， 如图 8 所示， 操作条件亦与实施例 1 保持一致。 0066 当搅拌速度为 N 200rpm， 采用上述长短桨复合搅拌器 ： 0067 当 H/DT 1 时， 单位体积功率消耗 4.2kW/m3， 体积传质系数 0.148s-1； 0068 当 H/DT 2 时， 单位体积功率消耗 6.0kW/m3， 体积传质系数 0.133s-1。 0069 实施例 6 0070 采用与实施例 1 相同结构和尺寸大小的长桨短叶片复合搅拌器， 仅将短叶片改为 弯曲面， 如图 9 所示， 操作条件亦与实施例 1 保持一致。 0071 当搅拌速度为 N 200rpm， 采。
24、用上述长短桨复合搅拌器 ： 0072 当 H/DT 1 时， 单位体积功率消耗 3.4kW/m3， 体积传质系数 0.132s-1； 说 明 书 CN 103768980 A 6 5/5 页 7 0073 当 H/DT 2 时， 单位体积功率消耗 4.9kW/m3， 体积传质系数 0.124s-1。 0074 实施例 7 0075 采用与实施例 1 相同结构和尺寸大小的长桨短叶片复合搅拌器， 将长浆 3 的数量 设置为2个， 且均匀地分布在连接盘的外环上， 如图10所示， 短叶片4的数量也设置为2片， 如图 11 所示， 其余操作条件亦与实施例 1 保持一致。 0076 当搅拌速度为 N 20。
25、0rpm， 采用上述长短桨复合搅拌器 ： 0077 当 H/DT 1 时， 单位体积功率消耗 2.6kW/m3， 体积传质系数 0.118s-1； 0078 当 H/DT 2 时， 单位体积功率消耗 3.9kW/m3， 体积传质系数 0.101s-1。 0079 实施例 8 0080 采用与实施例 1 相同结构和尺寸大小的长桨短叶片复合搅拌器， 将短叶片 4 的数 量设置为 4 片， 如图 12 所示， 其余操作条件亦与实施例 1 保持一致。 0081 当搅拌速度为 N 200rpm， 采用上述长短桨复合搅拌器 ： 0082 当 H/DT 1 时， 单位体积功率消耗 3.4kW/m3， 体积传。
26、质系数 0.133s-1； 0083 当 H/DT 2 时， 单位体积功率消耗 4.9kW/m3， 体积传质系数 0.121s-1。 0084 实施例 9 0085 采用与实施例 1 相同结构和尺寸大小的长桨短叶片复合搅拌器， 将短叶片 4 的数 量设置为 10 片， 其余操作条件亦与实施例 1 保持一致。 0086 当搅拌速度为 N 200rpm， 采用上述长短桨复合搅拌器 ： 0087 当 H/DT 1 时， 单位体积功率消耗 3.8kW/m3， 体积传质系数 0.138s-1； 0088 当 H/DT 2 时， 单位体积功率消耗 5.4kW/m3， 体积传质系数 0.126s-1。 说 明 书 CN 103768980 A 7 1/6 页 8 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103768980 A 8 2/6 页 9 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103768980 A 9 3/6 页 10 图 6 图 7 说 明 书 附 图 CN 103768980 A 10 4/6 页 11 图 8 图 9 说 明 书 附 图 CN 103768980 A 11 5/6 页 12 图 10 图 11 说 明 书 附 图 CN 103768980 A 12 6/6 页 13 图 12 说 明 书 附 图 CN 103768980 A 13 。