形成受控涡流和再循环气体的方法和装置

摘要

本发明涉及在装有液体或液体悬浮体和固体悬浮体的反应器(1，15)中形成受控涡流并从而形成再循环气体的一种方法，反应器中还输入有气体，从而用搅拌器(4，17，18)和导流板(6，17，19)使液体作涡流运动。使用可调导流板(6，9)在反应器中的搅拌轴外形成至少两个涡流(10)，从而把气体从悬浮液表面吸入液相中。

说明书

本发明涉及搅拌反应器，特别涉及把气体用作化学反应助剂的高效反应器。在所述反应器中，防止形成单一涡流，不装导流板的反应器一般都会形成这种单一涡流，它主要形成在位于反应器中部的搅拌器件的转动轴周围并常常一直伸展到搅拌器件处。这种涡流的有效的吸气性在本发明中得以保持，但同时确保获得好几个涡流，它们受到控制并且不伸展到搅拌器件近旁。本发明装置包括装在反应器内部的可调导流板，用这些导流板可在反应器中形成若干受控涡流，从而把气体从液体表面吸入液相中。

搅拌反应器正常情况下有装在反应器壁体上的导流板。通常有四块导流板，其目的是消除比方说中央的吸气涡流，中央的吸气涡流常常被看成是有害的。当比方说要氧化反应器中的溶液时，一般把空气或氧之类的氧化气体送入分散设很大的搅拌器件的有效空间中。若该气体为空气，把空气从上方液体表面吸回溶液中的做法是不实际的，有时甚至是不可取的，因为此时溶液中的氮含量只会增加。另一方面，若该氧化气体为氧，则使它重新进入循环在经济上是有利的。因此可如上所述也即使用分散搅拌器件来实现氧化，但除此之外，最好以这种或那种方式把未经反应的氧从上方液面吸回到溶液中。

若该反应器为圆筒形，垂直放置，则可通过一装在反应器圆筒部分的中心轴线的一轴使搅拌器件转动，如果反应器的有效容量使得有待搅拌的液体的高度大致等于反应器直径，则在该轴底端装上一个搅拌器一般已足够，搅拌器功效的力和力的方向决定于搅拌器的类型和形状。有些搅拌器的几乎全部输出都消耗在循环和运送有待搅拌的溶液上。反应过程通常需要进行搅拌，而该搅拌是由强大的涡流和充分的循环构成。若有效容量大到溶液高度为反应器直径的一倍半至2倍或更大，则常常需要在其顶部放置几个以合适间距隔开的搅拌器。从而可在同一轴上设置不同类型的搅拌器。

在一些现有反应器中，使用四个位于反应器壁体上的导流板来防止在中心轴上旋转的上述常常是有害的强大气体涡流。在导流板的靠近壁体一侧常常留出一流动孔，以便比方说防止聚积固体粒子。

在先有技术中，还已知有其它类型的导流板结构，它们都可用来防止吸气涡流，或防止甚至被看成是有害的涡流。美国专利4,800,017叙述一种装置，其中，空气通过轴送至一分散搅拌器、一转子，导流板则装在转子近旁，以便加强其分散度。

还已知，当在反应器中加上阻碍旋转的导流板时，搅拌器所需功率增大。在芬兰专利说明书77,384中，导流板设计成螺旋形，其目是要获得以最小功率获得最大搅拌效果的导流板结构。

另一种现有技术是使用所谓的下吸原理从溶液表面抽吸气体。美国专利说明书4,454,077叙述了一种装置，其中，为了通过中心管向下泵送气体，使用了形如双头螺丝那样的搅拌器，该装置还包括上部和下部导流板。美国专利说明书4,328,175介绍了一种相似类型的装置，但中心管的顶端做成锥形。

另一方面，在芬兰专利91,365中，专门要防止形成泡沫和涡流以及防止从表面抽吸气体。为此，使用了沿径向输送的搅拌器以及具有翼型形状、并只伸展到反应器顶部的导流板。

在这些现有应用中，或是为了消除涡流，即使液体表面稳定；或是相反，为了加强在搅拌器轴上形成的强大中心涡流，即更强烈地把气体吸入溶液。在后面这种情况中，由强大的中心涡流吸进的气体进入搅拌器。这种强大而大量的气体涡流虽然有时可很有效地把来自表面气体进入液体中，但在一定的气体流量下，搅拌器的工况变慢，因为该搅拌器开始在大气泡中转动。此时，随着功率变弱，涡流也变弱，气体抽吸作用下降。但是，以上述方式产生的涡流不受控制，若该涡流一直伸展到搅拌器，就会造成很大的功率变动并从而损坏设备。

本发明用在反应器中形成受控涡流的新方法和装置是基于对各导流板的配置，其目的是消除上述现有结构的缺点、在反应器中以更有效、运行更安全的新方式把气体从液体或液体悬浮液和固体的表面吸入液相，同时对搅拌来说获得一有效的流场，从而更高地利用气体。本发明装置包括可调地安装在反应器内的导流板，这些导流板足够高，以便形成有效的涡流。本发明最根本的新颖性从下文的权利要求中明显看出。

按照本发明，最好通过把受控一定量的气体送入搅拌器的有效空间以及用若干强大涡流从上方液体表面抽吸气体而使液体或液体加上主要为粉末状的固体之类在要搅拌的反应器相互发生接触。若为氧化，反应气体就是含氧气体、空气或最好是氧。本方法的优点比方说在用纯氧进行氧化时变得十分明显，因为此时在从液相表面进行抽吸时，惰性气体、主要是氮在液相中并不增加，在这种情况下，为了回收所有被利用的气体，最好在反应器顶部采用封闭式气体空间。

在要精确、有效使用馈入气体的其它场合情况也复如此。作为例子，可举出使用其它气体、比方说氢气和二氧化碳的反应器。所术反应可以比方说直接从带有金属的溶液中产生金属粉末或把溶液中某一成份从一种状态还原到另一种状态。作为后一种情况的一个例子，可举出铬(V1)，它对环境有害，因而要还原，所使用的还原剂常常是上述的SO₂气体。

在使用硫化氢之类的有毒气体时，必须消耗掉所有气体。此时最好使用气体能从气体空间再循环到溶液中的反应器。在还有一些情况中，目的是用惰性气体稀释反应气体。所述反应可以是比方说上述以硫化氢进行的硫化沉淀反应，此时，可通过加入诸如氮之类的惰性气体来增加对沉淀反应的选择性。此时用隋性气体氮稀释时所使用的硫化氢，从而避免强烈的局部沉淀，此局部沉淀往往也同时沉淀出不符合要求的溶液成分。

本发明还包括气体空间畅开的那类反应器，这类反应器可用来对溶液或沉淀浆充气。通过副涡流，反应器把新鲜空气吸到溶液中，从而改变其空气含量，同时用过的空气在上升气泡中分离表面后逸入反应器空间。这类反应器可用来比方说在进行下一步之前除去气体处理后的最终废气。另一种可能性是用空气进行氧化；此时在无法使用高压或鼓风空气的情况下可不需要使用单独的空气输送装置。

本发明方法和装置的最明显优点是它的可控性。首先，输入反应器内含物中的反应气体量正好是搅拌器在不损失搅拌所需功率的条件下所容许的量。其次，从反应器的液面吸入的气体并不立即大量地引到搅拌器附近而恶化受控的搅拌效果，按照本发明，由于形成若干受控涡流，因此液相和从液体表面吸入的气体由于这些狭小的涡流所形成很大表面。而且，分布抽吸涡流就起作用结果抽吸涡流是电交替起抽吸作用和“乳化”作用的副涡流所组成。

产生涡流的一个前提是使反应器中的液体发生转动。若反应器中根本没有导流板，就会在反应器的中心轴上形成上述的强大气体涡流，该涡流由于具有足够的转动能量而会一直延伸到引起液体转动的搅拌器处。该搅拌器会在径向向全部或部分地引起液体流动。在反应器靠外部位上设置两个或多个、最好是至少四个径向导流板就可防止形成中心涡流。若把导流板向中央移动，至少是部分地更靠近中心轴，同时在导流板与反应器壁体之间留出一使流体转动的孔，就可在靠近导流板部位获得一抽吸液体表面空气的强大涡流。除此之外，至少一部分导流板可以放置在搅拌器与液体表面之间的区域内。适当调正导流板的形状，就可提高导流板所形成涡流的效果。

本发明的基本点是，安装并使用了对形成涡流来说具有足够高度的可调导流板。最好同时使用至少两种类型的可调导流板，至少一部分导流板是可调的。更靠近反应器壁体的导流板最好由两部分构成，其靠外的一部分也即位于反应器壁体上的一部分可围绕一位于反应器壁体上也即该导流板的边缘上的调节轴转动从而达到可调。此时使强大的涡流运动流向构成壁体一侧导流板的第二部分的大体为形成涡流的静止的导流板，就可提高液体转动的效率，并因而也就提高了涡流形成的效率。

除了主要安装在反应器壁体上的导流板，反应器可以最好在壁体处的导流板与搅拌器之间的空间中设置导流板，可用这些导流板按照需要来加强或减慢液体的流动。原则上这些导流板是静止不动的，最好伸展在液体表面与搅拌器之间的区域中。

本发明反应器的一个应用是高压釜，它当然是所谓的分层型，具有若干分层。一个层的横截面为长方形，而在垂直平面上为U形，吸入面气体的涡流是借助上述相似的导流板装置获得。

下面结合附图详述本发明装置。附图中：

图1以搅拌反应器的三维侧视立面图表示出本发明形成涡流的结构的一优选产施例；

图2以侧视立面图表示出本发明的涡流加强结构；

图3为图2实施例的俯视图；

图4为图1实施例的一种变型的俯视图，它设有四个导流板；

图5为图1实施例的另一种变型的俯视图，该反应器设有二个导流板；

图6为把本发明应用于高压釜的侧视图；

图7为图6的俯视图。

从图1中可看出，反应器1包括底部2和圆筒形壁部3。反应器可关上、也可打开，但图中未示出盖子。反应器当然也可以是其它类型，比方说多边形。一搅拌器4悬在轴5上，在例示性附图中，大体在靠近反应器壁体处，有四个专门制造并大体为直立的导流板6，它们从顶部伸展到底部，至少伸到搅拌器的高度，一般一直伸到底部2。并位于壁体上的导流板与轴之间的空间中，大体在反应器的中间部位，还装有附加导流板7，它们位于反应器的垂直方向上，其底边8最好保持在搅拌器4上方附近。

图2表示搅拌器4转动时如何在轴5周围生成涡流9，但特别用附加导流板7来防止该涡流一直向下到达搅拌器处，故而另外在每一附加导流板7周围形成一独立有效的涡流10。中央涡流9和由附加导流板7形成的涡流10把反应器内含物从表面向里抽送，从而把位于液体表面的气体顺利地吸入液体中，附图中未单独表示出如何把气体输入反应器中，但比方说通过搅拌器轴等现有方式把空气输入反应器中，本发明的实施例只着重说明如何加强循环以及把空气从液体表面吸入液体中。

图3更详细地表示出从图1和图2中已显而易见的内容：壁部导流板6是电两部分11和12所组成，至少其中之一可围绕其垂直调节轴转动。在图3实施例中，靠外部分11的位置主要通过其位于反应器壁上的调节轴13而可调；该导流板的靠里部分12可围绕其中央位置上的调节轴14转动，改变导流板的部分11和12的相对位置，就可调节形成在附加导流板7周围的涡流的方向和深度。在图3中，导流板的部分11和12几乎互相碰到，因此通过该窄缝排出的流体又冲又窄。此时流体的范围受到相当限制，并且附加导流板7紧靠着壁部导流板的部分11和12。

在图3中，附加导流板7沿径向位于与壁部导流板6相同的部位上，但附加导流板与壁部导流板的相对位置可调，即它们可安置在反应器中的其它位置上。图4表示附加导流板7虽然仍位于壁部导流板6与搅拌器4之间的部位，但它们与壁部导流板不在同一直线上。此时壁部导流板的靠里部分12与反应器半径大致平行。实验表明，这种位置的安置造成强大而作用深远的循环，从而有助于加强形成在附加导流板7后方的两滚10。

在图5实施例中，只使用两块导流板6，并且附加导流板7相对导流板6则放置在另一种不同位置上。

图6和图7表示在本发明的封闭式高压釜装置中形成的涡流，但该实施例的基本特征也适用于畅工式高压釜。从图6可见，在高压釜15中，轴16上装有两个搅拌器17和18。上述实施例所述由若干部分组成的壁部导流板6在这里与一朝里弯的膝状导流板19结合在一起。朝向反应器中央的膝部20向里一直伸展到两搅拌器之间区域。膝部的角度可视需要加以调节。显然，在同一轴上可装比两搅拌器更多的搅拌器，此时在反应器中，可配置其膝部位于搅拌器之间至少一个间隔中的导流板。

除了膝部20的角度及其形状可改变外，比方说其形状可改成圆形，导流板在反应器中的位置也可调节。在垂直方向上，导流板19大体不伸展到搅拌器18下方。曲线形底部结构21加上若干最好是下压的搅拌器可产生强大的垂直涡流。

导流板19和壁22之间的流动空间23的特征与由可调导流板11和12给出的流体控制的特征相同。在反应器的边缘处，在流动空间23中向上流动的液体在膝部20处形成强大的涡流运动，该液体以涡流运动前进到表面部分并在表面上形成把气体吸入反应器的涡流24。由于反应器底部附近没有导流板，这就进一步加强反应器内含物的涡流运动，从而更易形成副涡流。

当上述反应器用作转闭型装置时，它适用于气体高效反应显得特别重要的氧化反应或还原反应。该反应器比方说可用于流化沉淀，此时把硫化氢以及或许还有一些起烯释作用的氮输入反应器中，从而进行沉淀。把同样的反应器做成开放型装置可使反应器内含物很好地换气。该反应器还可用于以空气进行氧化的场合。

显然，除了附图所示实施例外，在本发明范围内也可形成其它导流板布置，用它们可用效地把气体从液体表面吸入液组中。