專利名稱：旋轉(zhuǎn)氣體噴射器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于氣-液相反氣-液-固相系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)氣體噴射器。
為了產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，有必要使各及應(yīng)劑相互接觸。當(dāng)這些反應(yīng)劑處于不同相時(shí)，如空氣中的氧和水中的亞硫酸鈉，這樣做就是一個(gè)很重要的問題。實(shí)際的反應(yīng)速率是借助于將不同相之間的接觸面積最大化而獲得的。在大部分氣-液相及氣-液-固相反應(yīng)的情況下，這就涉及將氣相如以小氣泡之形式分散于液相中。這些微小氣泡能由許多諸如多孔起泡裝置，噴槍或旋轉(zhuǎn)葉輪這樣的機(jī)構(gòu)產(chǎn)生。如果使用旋轉(zhuǎn)葉輪，則微小氣泡是由將在葉輪葉片的出氣邊形成的渦旋氣體斬?cái)喽纬傻?。?dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)加快時(shí)，斬?cái)嘣黾?，從而產(chǎn)生大量更小的氣泡，并且每單位氣體容積帶有更高的總氣-液表面積。
在大多數(shù)系統(tǒng)中，可以用各種材料制造軸和葉輪。在某些特定的應(yīng)用場(chǎng)合使用了石墨材料，此時(shí)，在該系統(tǒng)中出現(xiàn)的氣體，液體或固體相對(duì)于金屬都具有高的反應(yīng)能力，或者此時(shí)之溫度極高。石墨是一種相對(duì)較惰性并是不貴重的材料，但用它制造大部分標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的葉輪則是困難的。許多用石墨制造的獨(dú)一無二的葉輪已發(fā)展出這樣的用途，即用于排除鋁中的氣體。
在某些用于將氫從鋁中去除的過程中，利用一個(gè)由石墨軸和葉輪構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)氣體噴射器將一惰性氣體進(jìn)行噴射。氣體是通過石墨軸和葉輪中的內(nèi)凹腔噴射的，或者從葉輪之上方或者從其下方出去。為了將氣體斬?cái)喑尚馀荩瑖娚渲畾怏w必須被帶到在葉輪葉片(相對(duì)于旋轉(zhuǎn)方向)后部產(chǎn)生的低壓區(qū)。根據(jù)葉輪旋轉(zhuǎn)速度和氣體噴射率之需要，有些氣體可從葉輪旁通過去而不復(fù)剪斷及擴(kuò)散。但這不是一種有效的工作方式。
本發(fā)明為由石墨制成的旋轉(zhuǎn)氣體噴射器提供了一種改進(jìn)的設(shè)計(jì)。該噴射器由一連接到具有一中心孔的空心圓筒形軸上的葉輪。在形狀上該葉輪為圓柱形，但在其圓周周邊具有若干等間距的切口，從而構(gòu)成葉輪之葉片。在切口中心鉆有多個(gè)經(jīng)向孔并與軸之中心孔連通。
當(dāng)軸以足夠之速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，氣體通過該軸噴射，通過葉輪之經(jīng)向孔從其葉片之間出去，因此，微小氣泡就由于葉片之剪切作用而形成。這些微小氣泡其作用是加強(qiáng)氣-液相及氣-液-固相系統(tǒng)中氣-液工質(zhì)的傳遞和化學(xué)反應(yīng)。葉輪之特性(每單位液體容積總的氣-液相界面面積)能通過總的工質(zhì)傳遞速率或化學(xué)反應(yīng)速率(因工質(zhì)傳遞限制了化學(xué)反應(yīng))來測(cè)量。
借助于示例，參照附圖本發(fā)明說如下

圖1a和1b是本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)氣體噴射器的葉輪的一個(gè)實(shí)施例的圖;
圖2是旋轉(zhuǎn)氣體噴射器的軸的圖;
圖3是旋轉(zhuǎn)氣體噴射器的布置示意圖;
圖4是亞硫酸鈉濃度對(duì)時(shí)間的曲線圖;
圖5是固態(tài)氧化鎂含量對(duì)時(shí)間的曲線圖。
參見圖1至3，旋轉(zhuǎn)氣體噴射器1由一直徑為D連接到直徑為S的空心圓筒形軸3上的葉輪2組成。該氣體噴射器的葉輪其形狀為圓柱形的，其厚度W與直徑D之比典型地講處于0.2和1.0之間。在化學(xué)工程應(yīng)用時(shí)，為了氣體之?dāng)U散大部葉輪之W/D比為0.2或更小。人們發(fā)現(xiàn)增加葉輪之厚度使W/D比高于0.2大大改善了氣體擴(kuò)散，但其代價(jià)是在給定之葉輪速度時(shí)消耗更高的功率。由于葉輪之重量及石墨結(jié)構(gòu)材料之強(qiáng)度也使得在實(shí)際中存在一葉輪之厚度限制。該葉輪在其外圓周上制造了一系列的等間距的U形切口4，這些切口之寬度等于U形端部曲率半徑之兩倍。U形切口4的寬度db處于葉輪2的直徑D的0.12倍和0.20倍之間。切口之?dāng)?shù)量可從6至12個(gè)變化，典型的是9個(gè)。葉輪留在這些切口之間的彎曲緣充作葉輪2之葉片5。在每個(gè)切口中心，在葉輪寬度W的1/4倍至1/2倍之間的高度dc，最好是從葉輪底部起葉輪寬度的1/3倍的高度處鉆有直徑為do的孔6?？讖絛o是葉輪直徑D的0.05倍至0.03倍。當(dāng)軸3以足夠這速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，氣體通過位于軸3中心的直徑為Sb的孔7噴射入葉輪2內(nèi)部的直徑為Sw的風(fēng)箱8中，并通過孔6從葉輪之葉片間排出，因此，由于葉片之剪切作用而產(chǎn)生微小氣泡9。
軸3由品位與用于制造葉輪的石墨完全相同的石墨構(gòu)成。軸之直徑應(yīng)為0.17至0.425倍葉輪直徑，最好是0.300至0.375倍葉輪直徑。軸之長度可由熟練的技術(shù)人員根據(jù)石墨的公知特性及打算應(yīng)用之特殊要求而決定。中心孔7的直徑Sb沿軸之長度方向可制成均勻的或變化的。但最大之孔徑Sb不應(yīng)超過軸直徑的1/3，以便保證軸的機(jī)械完整性。熟練的技術(shù)人員能將軸3的頂部10連接到任何適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，保證軸正確地旋轉(zhuǎn)，并且在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中設(shè)置了氣體噴射裝置，軸的底部將加工成螺紋11，所以可將軸與葉輪連接起來。螺紋11的直徑應(yīng)是標(biāo)準(zhǔn)尺寸的，最好等于軸的直徑。螺紋11之長度t應(yīng)在葉輪直徑的0.25倍和0.3倍之間。對(duì)順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)來說，螺紋11應(yīng)是右旋的，而對(duì)反時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的氣體噴射器來說應(yīng)使用左旋螺紋。葉輪設(shè)有螺孔12，因此軸3能連接到該葉輪上。孔12的直徑dc是這樣的。即與軸上的螺紋匹配的內(nèi)螺紋能在孔12中加工。孔12之深度增量小于軸的螺紋部分11的長度t，在螺孔12之底部將鉆一孔，從而與葉輪中心的徑向孔6相遇，形成風(fēng)箱8。風(fēng)箱8的直徑Sw將是軸3中孔7的直徑Sb的0.5至1.5倍，最好與直徑Sb相等。
當(dāng)將旋轉(zhuǎn)氣體噴射器用于適當(dāng)大小的容器13中時(shí)，其特征值可達(dá)到最高。當(dāng)葉輪之直徑與容器13的特征橫向長度T之比處于0.25和0.5之間，尤其是0.3和0.4之間時(shí)，可獲得最佳結(jié)果，對(duì)圓柱形容器來說，其特征長度T為其直徑，而對(duì)正方形容器來說其特征長度為其一條邊長。如果用長方形容器，則長度l與直徑D之比及寬度W與直徑D之比應(yīng)處于0.25至0.5之間。
葉輪將置于容器中心，葉輪2離容器13的底部的高度C對(duì)平底容器來說處于0.125和1.0倍葉輪直徑之間。當(dāng)葉輪距容器的底部為0.25D和0.5D之間時(shí)可得到最佳結(jié)果。葉輪上方和液面高h(yuǎn)將處于1.0和2.0倍葉輪直徑之間?？偟囊好娓叨?H＝[h+C+W])應(yīng)處于1.5至3.0倍葉輪直徑的范圍內(nèi)。
其寬度B等于0.1至0.12倍容器13的特征長度T的隔板14將被用來防止容器中液體起渦旋。可用1至4塊隔板，當(dāng)用4塊隔板時(shí)獲得最高的特性值(和最大的功率消耗)。對(duì)于圓筒形容器來說，隔板以90度之間隔連接在該容器之壁上。對(duì)正方形或長方形容器來說，隔板放在每個(gè)壁中央。為了決定在長方形容器中隔板的寬度B，則隔板之寬度應(yīng)是長度l或?qū)挾萕的最小值的0.1至0.12倍。
旋轉(zhuǎn)氣體噴射器能用于既不是圓形也不是正方形或長方形的容器中，而不脫離本發(fā)明之精神實(shí)質(zhì)。任何形狀的容器均可用隔板。
本發(fā)明之應(yīng)用說明書于下列范例中。這些范示純粹是為了說明，并不限制本發(fā)明之應(yīng)用。
范例1一旋轉(zhuǎn)氣體噴射器在一含有141升水的正方形耐高溫有機(jī)玻璃容器中工作。起初，在水中溶解0.33kgmol/m3的亞硫酸鈉。葉輪位于該水箱中部。垂直于底部并以320rpm的速度旋轉(zhuǎn)。25℃的空氣以相當(dāng)于250升/分的速率在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力(即1個(gè)大氣壓和0℃)下在軸的孔中向下噴射，通過葉輪中心并從葉輪底部的15.9mm的直徑的孔中排出。少量(10-3M)的硫酸銅加入該溶液中催化亞硫酸鹽氧化反應(yīng)。其反應(yīng)式如下
(1)該反應(yīng)式在下列參考文獻(xiàn)中作了公知的描述1)Cooper，C.M.，F(xiàn)ernstrom，G.A.，Miller，S.A.，“氣-液接觸器”，工業(yè)與工程化學(xué)雜志，第36卷，第6期，504至509頁，1944年。
2)Linek，V.，Vacek，V.，“用于確定氣-液接觸器的傳質(zhì)特性的催化亞硫酸鹽氧化動(dòng)力學(xué)的化學(xué)工程應(yīng)用”化學(xué)工程科學(xué)雜志第36卷，第11期，1747至1768頁，英國1981年。例2加入硫酸銅增加了亞硫酸鹽的氧化速度，因此反應(yīng)速度變得受傳入水中的氧氣物質(zhì)的傳遞速度的限制。因此，反應(yīng)速度能由下列方程描述(δ(Na2SO3))/(δt) =-KLa(C＊－Cb) (i)這里KL是液相傳質(zhì)系數(shù)(m/h)，a是氣液界面面積(m2/m3)，C＊是氧在水中的溶解性(Kgmol/m3)，Cb是氧于水中的實(shí)際毛體積濃度(小得可忽略)。
因此，反應(yīng)(1)的反應(yīng)速度是不依賴于亞硫酸濃度的，但與時(shí)間成線性關(guān)系(對(duì)恒定的氣流和葉輪速度來說)。對(duì)一固定的傳質(zhì)系數(shù)來說，反應(yīng)速度則與氣-液界面面積成正比。由于攪拌作用而增加亞硫酸鹽氧化速度正如說明了每單位液體容積的氣體表面積之增加。該系統(tǒng)之尺寸由表1給出。
表1葉輪參數(shù)值直徑D229mm厚度W114mm切口尺寸db42.9mm離底部高度C114mm旋轉(zhuǎn)速度320rpm軸直徑S38.1mm孔徑Sb6.4mm容器特征長度T521mm液面高度H521mm溶解的亞硫酸鈉濃度已于圖4中作為時(shí)間之函數(shù)畫出。濃度之變化速度與時(shí)間呈成性關(guān)系，說明反應(yīng)速度(斜率)在每小時(shí)每m3水中0.483kgmol的Na2SO3反應(yīng)是常數(shù)。
范例2
在該范例中，在范例1中的葉輪中的氣體出口孔被堵住了。而根據(jù)本發(fā)明在葉輪葉片之間制造了直徑為6.4mm的新的出氣孔。用于范例1中的過程再說明如下?？諝庖?50l/min的等當(dāng)速率在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下噴射，并且葉輪以320rpm的速度旋轉(zhuǎn)。初始亞硫酸鹽濃度為0.32kgmol/m3。超過31分鐘后，5.280千克亞硫酸鈉起了反應(yīng)。新的亞硫酸氧化速率為0.575kgmol/m3/h，比范例1之氧化速率高19%。從范例1至范例2之唯一變化是氣體排出口位置的變化。因此，可得出這樣之結(jié)論葉輪葉片之間的氣體噴射增加了為傳質(zhì)而獲得的氣-液界面面積。
范例3葉輪厚度對(duì)直徑之比(W/D比)的效果說明于下例例子中。在該例子中，在氣-液-固相系統(tǒng)中的反應(yīng)速度利用本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)氣體噴射器而加速，該噴射器帶有一W/D比為0.26的葉輪。5449的氯(Cl2)和一氧化碳(CO)混合氣以當(dāng)于57.9L/min的總氣流率用旋轉(zhuǎn)氣體噴射器在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下噴射。該混合氣與大約20微米大小的固體氧化鎂(Mgo)粒子在氯化鎂(Mgcl2)熔融浴中發(fā)生反應(yīng)。反應(yīng)之產(chǎn)品(這里為二氧化碳CO2和MgCl2)示出如下Cl2(g)+CO(g)+MgO(s)＝MgCl(l)+CO2(g)(2)由于氯在反應(yīng)溫度(820℃)下極易與金屬發(fā)生反應(yīng)，故正方形容器和旋轉(zhuǎn)氣體噴射器都是由石墨制成的。描述該范例的物理參數(shù)給于表2中。
表2葉輪參數(shù)值直徑(D)146mm
厚度(W)38.1mm孔徑(do) 6.4mm切口尺寸(db) 22.2mm離容器底部之高度C19mm轉(zhuǎn)速551rpm軸直徑(S)57mm孔徑(Sb) 6.4mm容器特征尺寸(T)292mm液體高度(H)297mm4個(gè)隔板寬(B)29.2mm以前發(fā)現(xiàn)在沒有催化劑時(shí)，用噴槍式噴射器，反應(yīng)式(2)以可忽略不計(jì)的速率(＜0.1kgmol/m3/h)進(jìn)行。利用旋轉(zhuǎn)氣體噴射器，MgCl2熔融浴的氧化鎂MgO含量隨時(shí)間作線性減少，在150分鐘范圍內(nèi)從6.1的重量百分?jǐn)?shù)減至0.57重量百分?jǐn)?shù)。因此，反應(yīng)(2)的速度算出為每小時(shí)每m3液態(tài)MgCl2是1.09kgmol氧化鎂。攪拌時(shí)反應(yīng)速率之變化是由于為氣態(tài)反應(yīng)劑傳質(zhì)入液體MgCl2中而獲得的氣-液面積的增加。
范例4如前一范例一樣，由石墨制成的旋轉(zhuǎn)噴射器用于將氯氣和一氧化碳噴入MgCl2的熔融浴。初始該熔融浴含有3.3重量百分?jǐn)?shù)的MgO。噴射器以554rpm之速度旋轉(zhuǎn)，氯氣與一氧化碳之比為48∶52的混合氣在標(biāo)準(zhǔn)溫度與壓力下以相應(yīng)于60.8L/min的速度噴射。葉輪具有0.52的W/D比(兩倍于前一范例所用的葉輪的W/D比)。所有其它物理參數(shù)與表2給出的一樣。容器的MgO含量作為時(shí)間之函數(shù)已于圖5中畫出?？煽闯龅难趸V氯化速度是每小時(shí)每m3態(tài)MgCl2為1.44kgmol氧化鎂。固此，反應(yīng)(2)的速度由于葉輪的W/D比從0.26增至0.52而增加了32%。如圖5所示，在MgCl2中氧化鎂的濃度高于大約0.1MgO的重量百分?jǐn)?shù)時(shí)，反應(yīng)速度是不受MgO含量的限制的。
權(quán)利要求
1.一種旋轉(zhuǎn)氣體噴射器，其包括一連接到一空心圓筒形石墨軸的端部的石墨葉輪，該軸具有一中心孔，所述葉輪是圓柱形的，并且在其外圓周上具有若干等間距的切口以構(gòu)成葉輪之葉片，在切口中心鉆有徑向孔并與軸的中心孔連通，因此，氣體可通過軸中的孔和葉輪的徑向孔噴射，并且由葉片剪切而成微小氣泡，從而加強(qiáng)氣-液相及氣-液-固相系統(tǒng)中的氣液物質(zhì)傳遞及化學(xué)反應(yīng)。
2.如權(quán)利要求1所述旋轉(zhuǎn)氣體噴射器，其中葉輪厚度W與直徑D之比W/D處于0.2和1.0之間。
3.如權(quán)利要求1所述旋轉(zhuǎn)氣體噴射器，其中切口是U形的，并且U形切口的寬度db處于葉輪直徑D的0.12和0.2倍之間。
4.如權(quán)利要求3所述旋轉(zhuǎn)氣體噴射器，其中切口之?dāng)?shù)量從6至12變化。
5.如權(quán)利要求4所述旋轉(zhuǎn)氣體噴射器，其中切口之?dāng)?shù)量為9。
6.如權(quán)利要求1所述旋轉(zhuǎn)氣體噴射器，其中徑向孔的直徑d0為葉輪直徑的D的0.05至0.03倍。
7.如權(quán)利要求1所述旋轉(zhuǎn)氣體噴射器，其中噴射器位于容器的中心，該容器可以是從圓形、正方形或長方形中選定的任何任意形狀的。
8.如權(quán)利要求7所述旋轉(zhuǎn)氣體噴射器，其中葉輪直徑D與容器特征橫向長度之比處于0.25和0.5之間。
9.如權(quán)利要求2所述旋轉(zhuǎn)氣體噴射器，其中葉輪離容器底部的高度處于0.125和1.0倍葉輪直徑之間。
10.如權(quán)利要求2所述旋轉(zhuǎn)氣體噴射器，其中葉輪上方的液面高度處于1.0和2.0倍葉輪直徑之間。
11.如權(quán)利要求7所述旋轉(zhuǎn)氣體噴射器，其中垂直隔板是沿容器之內(nèi)壁設(shè)置的，以防止容器中液體產(chǎn)生渦旋。
全文摘要
一旋轉(zhuǎn)氣體噴射器，其包括一連接到具有中心孔的空心圓筒形石墨軸上的石墨葉輪。該葉輪是圓柱形的并在其外圓周上具有若干等間距的切口，以構(gòu)成葉輪之葉片，并且在切口中心鉆有徑向孔并與軸的中心孔連通，因此，通過軸中的孔及葉輪中的軸向孔噴射的氣體由葉片剪切，從而形成微小氣泡以加強(qiáng)氣-液相和氣-液-固相系統(tǒng)中物質(zhì)的傳遞及化學(xué)反應(yīng)。
文檔編號(hào)B01F7/00GK1084429SQ9311655
公開日1994年3月30日 申請(qǐng)日期1993年7月16日 優(yōu)先權(quán)日1992年7月16日
發(fā)明者M·W·肯尼迪, E·E·程, J·G·蘭茨 申請(qǐng)人:諾蘭達(dá)有限公司