本實用新型涉及一種攪拌式反應(yīng)器裝置，屬于化學(xué)工程、生物工程和環(huán)境工程領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

攪拌設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，很多化學(xué)反應(yīng)過程、生物反應(yīng)過程和物理工藝過程都需要用到攪拌操作。攪拌設(shè)備在許多場合是作為反應(yīng)器來應(yīng)用的，例如在三大合成材料的生產(chǎn)中，攪拌設(shè)備作為反應(yīng)器，約占反應(yīng)器總數(shù)的90％，在通風(fēng)發(fā)酵領(lǐng)域也基本都要用到攪拌式反應(yīng)器。

考慮到攪拌設(shè)備應(yīng)用的廣泛性，其反應(yīng)器內(nèi)的流場性能及相關(guān)內(nèi)構(gòu)件的性能參數(shù)的研究是非常重要的。攪拌式反應(yīng)器可根據(jù)用途和尺寸分為不同的型式，如實驗室中3L～20L不等的小試罐型、數(shù)十升甚至數(shù)百升的中試罐型及數(shù)噸至數(shù)百噸的工業(yè)生產(chǎn)罐型。通常中大型反應(yīng)器都是由高強度的材料制成，以保證其機械強度。而實驗室中的小試罐則分為玻璃材質(zhì)和不銹鋼材質(zhì)等材料。從流場實驗的角度，玻璃材質(zhì)的罐體是方便觀測的。

然而，利用實驗室中玻璃罐體的反應(yīng)器僅可以得到部分性能，如攪拌器的臨界分散轉(zhuǎn)速或氣泛點、體積傳質(zhì)系數(shù)、混合時間等，受其結(jié)構(gòu)所限，液速、功率等很多攪拌流場參數(shù)不能測量。

攪拌式反應(yīng)器流場測試的內(nèi)容大致包括：單相流中攪拌流場流型的觀測、攪拌軸功率的測定、攪拌流場流速的測定、混合時間、傳熱速率等；氣液兩相流中的臨界分散轉(zhuǎn)速、氣泛點、氣含率、通氣攪拌功率溶氧體積傳質(zhì)系數(shù)等；液固兩相流中的臨界懸浮轉(zhuǎn)速、混合時間、均一度等；氣液固三相流中的上述各相參數(shù)。隨著技術(shù)的發(fā)展，上述參數(shù)也基本能夠得到準確的測量。使用玻璃罐體可以實現(xiàn)攪拌流型的觀測，安裝扭矩儀可以實現(xiàn)攪拌軸功率的測定，使用粒子圖像速度場儀(Particle Image Velocimetry，PIV)PIV技術(shù)可以實現(xiàn)流速的測定，使用電導(dǎo)法或脫色法等可以實現(xiàn)混合時間的測定，使用非穩(wěn)態(tài)法可以測定體積傳質(zhì)系數(shù)。

目前，國內(nèi)很多科研單位甚至企業(yè)都有了自己的冷模流場測試系統(tǒng)，但又都存在很大不足。因為這些單位的測試系統(tǒng)都是將圓柱罐體置于一個方形水池中以消除光的折射干擾，這樣就給電極裝置的接入帶來極大的不便，也增加了裝置的不穩(wěn)定性。基于以上問題，本實用新型設(shè)計了一種易觀測、多用途的攪拌式反應(yīng)器裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本實用新型設(shè)計了一套新的攪拌反應(yīng)器流場測試裝置。該裝置由罐體、攪拌系統(tǒng)和動力系統(tǒng)三部分組成，包含扭矩儀、電極孔、可移動橢圓封頭、防折射玻璃夾套等構(gòu)件，可以方便、全面地進行流場參數(shù)的測量。本實用新型采用了在反應(yīng)器壁外圍180度范圍內(nèi)安裝了方形夾套，一方面解除了曲面觀測變形的問題，另一方面保留有足夠空間布置電極和測量參數(shù)。

本實用新型的攪拌反應(yīng)器裝置由罐體、攪拌系統(tǒng)和動力系統(tǒng)三部分組成；所述罐體主要包含上部的圓柱形筒體、下部的第一橢圓封頭及支座；所述圓柱形筒體由有機玻璃制成，圓柱形筒體的正面和右側(cè)面配有平面的有機玻璃夾套，圓柱形主體的后面和/或左側(cè)面安有電極孔，圓柱形筒體的內(nèi)部安裝有固定的或者能夠拆卸的第二橢圓封頭；所述動力系統(tǒng)包括電機和減速機；所述的攪拌系統(tǒng)包含攪拌軸、安裝在攪拌軸上的攪拌器、聯(lián)軸器、扭矩儀，扭矩儀安裝在聯(lián)軸器的上端。

在一種實施方式中，下部的第一橢圓封頭和支座由不銹鋼制成。

本實用新型的裝置的罐體包含上部的圓柱形筒體和下部的第一橢圓封頭及支座。圓柱形筒體由有機玻璃制成，可以直觀方便的觀測流場。攪拌流型、臨界轉(zhuǎn)速等參數(shù)都可通過觀測法得到。底部的第一橢圓封頭和支座由不銹鋼制成，具有較高的機械強度。支座與底部的一塊面積較大的鋼板連接在一起，增加了整個裝置的穩(wěn)定性。

在一種實施方式中，有機玻璃夾套配有入水口和出水口。

在一種實施方式中，在圓柱形筒體的正面的有機玻璃夾套平面與在圓柱形筒體的右側(cè)面的有機玻璃夾套平面連接且呈90°角；這兩個平面的另一端分別通過其他平面與圓柱形筒體連接，且所述其他平面對圓柱形筒體的左側(cè)面和后面的遮擋面積≤二分之一的圓柱形筒體的左側(cè)面和后面的面積。這樣的設(shè)置方式保證了有足夠空間布置電極和測量參數(shù)。

通過在圓柱形筒體的正面和右側(cè)面配有平面的有機玻璃夾套，內(nèi)部可以裝入潔凈的去離子水，以防止光的折射。這種設(shè)計是為粒子圖像速度場儀(Particle Image Velocimetry，PIV)系統(tǒng)準備的。使用PIV系統(tǒng)測流場速度時，激光從罐體的右側(cè)面發(fā)射形成片光，照亮流場需要觀測的區(qū)域，在罐體的正面安裝一架可快速連拍的高速相機，通過拍到的兩張照片之間的示蹤粒子的位移及時間計算液速。本實用新型所述裝置的設(shè)計恰好能使用PIV測速技術(shù)實現(xiàn)流場速度的精確測量。

在一種實施方式中，所述電極孔包括以下任意一種或者多種：溫度電極孔、溶氧(Dissolved Oxygen，DO)電極孔、pH電極插孔、電導(dǎo)電極插孔。

在一種實施方式中，電極孔在數(shù)量和軸向位置上可以不同。

在一種實施方式中，電極孔的個數(shù)一般在2～6之間。

通過在圓柱形筒體的后面和左側(cè)面各有一列電極插孔，可以插入溫度、DO、pH或電導(dǎo)等電極，從而進行流場內(nèi)不同軸向位置的溫度、DO、pH或電導(dǎo)率等參數(shù)的測量。通過這些參數(shù)的變化，可以計算得到體積傳質(zhì)系數(shù)、傳熱速率、混合時間等數(shù)據(jù)。

在一種實施方式中，所述第二橢圓封頭的安裝高度是能夠調(diào)節(jié)的。

在一種實施方式中，所述第二橢圓封頭為有機玻璃材質(zhì)。

本實用新型可以在罐體內(nèi)部根據(jù)需要配置一塊有機玻璃制成的、安裝高度可調(diào)節(jié)的第二橢圓封頭，安裝該第二橢圓封頭的目的是可以方便地測出封頭區(qū)域的流速分布及流型型式。玻璃封頭與罐壁的縫隙用玻璃膠等材質(zhì)填充。

在一種實施方式中，圓柱形筒體的內(nèi)部有安裝高度能夠調(diào)整的擋板。

在一種實施方式中，所述擋板為有機玻璃材質(zhì)。

在一種實施方式中，所述擋板有四塊。

在一種實施方式中，所述擋板在圓柱形筒體內(nèi)部均勻分布，擋板的型式和材質(zhì)可根據(jù)需要選配。

在一種實施方式中，不研究擋板型式的影響時，可使用標準的長方體擋板。擋板的寬度為罐徑的1/10，材質(zhì)為透明的有機玻璃。

罐體內(nèi)部裝配有四塊擋板以滿足全擋板條件。

本實用新型中，擋板可以配合第二橢圓封頭的位置調(diào)整安裝高度。也可選用不同型式擋板以研究擋板型式對流場的影響。使用PIV系統(tǒng)測流場速度時，擋板由有機玻璃制成，使流場透明，從而不影響流場速度的測定。

在一種實施方式中，圓柱形筒體的內(nèi)部裝配有一根固定的或者可拆卸的分布有多個通氣孔的氣體分布環(huán)。

本實用新型中，氣體分布環(huán)可以向攪拌流場中輸入空氣或其他氣體。

在一種實施方式中，所述通氣孔的的數(shù)量一般在6～12之間。通氣流量可通過氣體流量計調(diào)節(jié)。

在一種實施方式中，氣體分布環(huán)與一根由罐口伸入的管道連接，該管道末端裝有氣體流量計及減壓閥，再通過管道與空壓機連接。

在一種實施方式中，在測量單相流場時，可將氣體分布環(huán)取出。

在一種實施方式中，所述的動力系統(tǒng)包括電機和減速機。

本實用新型中，電機提供攪拌器旋轉(zhuǎn)所需要的動力，減速機可以控制攪拌過程的轉(zhuǎn)速。

在一種實施方式中，所述的攪拌系統(tǒng)包含攪拌軸、安裝在攪拌軸上的攪拌器。

在一種實施方式中，所述攪拌器為單層攪拌器或者多層攪拌器。

本實用新型中，攪拌系統(tǒng)中既可以安裝單層攪拌器，也可以安裝多層攪拌器的組合，攪拌器的層數(shù)一般在1～5之間，以實現(xiàn)攪拌器對流場影響的研究和測定不同攪拌器及其組合的性能參數(shù)。

在一種實施方式中，所述攪拌器可以是徑向流攪拌器，也可以是軸向流攪拌器，或者多種攪拌器的組合。

在一種實施方式中，所述扭矩儀為應(yīng)變式扭矩儀。應(yīng)變式扭矩儀可以測定軸扭矩的大小。

在一種實施方式中，所述應(yīng)變式扭矩儀的上端與動力系統(tǒng)的減速機相連。

本實用新型的裝置可將電極和扭矩儀的信號集成到電腦控制柜上并實時顯示數(shù)據(jù)，也可通過控制柜實時控制攪拌轉(zhuǎn)速及通氣流量。

在一種實施方式中，所述裝置還包括PIV系統(tǒng)激光器和相機。

在一種實施方式中，PIV系統(tǒng)激光器安裝于圓柱形筒體的右側(cè)面、相機安裝于圓柱形筒體體的正面；PIV系統(tǒng)激光器與相機成90°夾角。

PIV系統(tǒng)激光器可置于圓柱形筒體的右側(cè)面，發(fā)射一道豎直片光，照亮流場觀測區(qū)域；高速相機置于圓柱形筒體的正面。激光器與高速相機的擺放位置成90°夾角。

在一種實施方式中，PIV系統(tǒng)激光器安裝于圓柱形筒體的正面或右側(cè)面、相機安裝于圓柱形筒體的上方；PIV系統(tǒng)激光器與相機成90°夾角。

在一種實施方式中，也可將PIV系統(tǒng)的激光器置于圓柱形筒體的正面或右側(cè)面，發(fā)射一道水平的片光，照亮觀測區(qū)域，高速相機置于圓柱形筒體的上方。激光器與高速相機的擺放位置成90°夾角。

在一種實施方式中，在不使用PIV測速時，可將透明的第二橢圓封頭取出。

在一種實施方式中，圓柱形筒體的上面為敞口型式，可根據(jù)需要加蓋。

在一種實施方式中，圓柱形筒體可裝入不同性質(zhì)的流體，如水、黃原膠溶液等。

本實用新型還要求保護含有所述攪拌式反應(yīng)器裝置的設(shè)備。

本實用新型的有益效果：

(1)本實用新型的攪拌式反應(yīng)器，可用于各種流場測試；所述裝置包含動力系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)和罐體等部分；罐體由透明的有機玻璃制成，方便流場觀測；有機玻璃夾套，防止PIV實驗時光在圓柱體折射產(chǎn)生的變形，后面與左側(cè)面配有電極孔，便于測量溫度、DO、pH和電導(dǎo)率等參數(shù)。罐體內(nèi)部配有擋板、可調(diào)節(jié)高度的玻璃的第二橢圓封頭和通氣環(huán)，可研究擋板型式和通氣流量對攪拌流產(chǎn)的影響。攪拌系統(tǒng)可使用單層槳，也可使用多層槳的組合，可研究不同槳型及其組合的性能；軸頂端配有扭矩儀，便于測量軸扭矩。動力系統(tǒng)配有電機和減速機，便于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

(2)本實用新型的裝置，采用由幾個平面構(gòu)成的平面夾套，目的是為了解除曲面對反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)造觀察的變形影響，防止了常規(guī)圓柱體夾套帶來的不利檢測的影響。

(3)本實用新型的裝置，包含扭矩儀、電極孔、可移動擋板和第二橢圓封頭、平面夾套等構(gòu)件，可以方便地調(diào)節(jié)不同的攪拌器型式、不同的擋板型式、不同的第二橢圓封頭安裝高度、不同的攪拌轉(zhuǎn)速和通氣流量，并測定攪拌流場在上述各種情況下的軸功率、混合時間、臨界轉(zhuǎn)速、流速分布、傳熱速率、體積傳質(zhì)系數(shù)等各項性能參數(shù)。

(4)本實用新型的特點在于可調(diào)節(jié)范圍廣、可測量參數(shù)多，可以方便、全面的研究攪拌式反應(yīng)器的各項流場參數(shù)，為攪拌器的設(shè)計、擋板設(shè)計、反應(yīng)器設(shè)計等提供幫助，具有易觀測、多用途的特點，為反應(yīng)器的放大提供借鑒。

附圖說明

圖1：本實用新型的攪拌式反應(yīng)器裝置的正視示意圖；其中，1動力系統(tǒng)、2攪拌系統(tǒng)、3罐體、4圓柱形筒體、5支座、6管道、7電極孔、8電機、9減速機、10扭矩儀、11聯(lián)軸器、12攪拌軸、13擋板、14攪拌器、15有機玻璃夾套、16氣體分布環(huán)、17第二橢圓封頭、18支腿、19第一橢圓封頭、20放水孔、21鋼板；

圖2：本實用新型的攪拌式反應(yīng)器裝置部分部件的俯視示意圖。

具體實施方式

實施例1：

如圖1和圖2所示，本實用新型所涉及的攪拌式反應(yīng)器裝置包括動力系統(tǒng)(1)、攪拌系統(tǒng)(2)和罐體(3)三部分，其中罐體(3)包括圓柱形筒體(4)和下部的第一橢圓封頭和支座部分(5)。

如圖2所示，圓柱形筒體(4)由有機玻璃制成，方便觀測流場。在圓柱形筒體(4)的正面和右側(cè)面裝配有平面的有機玻璃夾套(15)，夾套(15)內(nèi)裝入潔凈的去離子水可以防止光的折射作用，為PIV測速提供優(yōu)良的實驗環(huán)境。在圓柱形筒體(4)的后面和左側(cè)面各配有一列電極孔(7)，可以插入電極測量攪拌介質(zhì)的DO、pH和電導(dǎo)率等各項參數(shù)。每列電極孔(7)的數(shù)量可以在2～6個之間，可根據(jù)需要調(diào)整。各個電極可將信號輸出到控制柜(未畫出)，并實時顯示。

如圖1所示，罐體下部的第一橢圓封頭和支座部分(5)是由不銹鋼制成的。金屬材質(zhì)可以增強裝置的機械強度和穩(wěn)定性。第一橢圓封頭(19)通過法蘭與圓柱形筒體(4)連接，其底部有放水孔(20)。第一橢圓封頭(19)下面與四根不銹鋼支腿(18)相連，支腿(18)底部固定在一塊較大的鋼板(21)上，使裝置比較穩(wěn)定。

圓柱形筒體(4)內(nèi)部可根據(jù)需要配置一塊有機玻璃材質(zhì)的第二橢圓封頭(17)，該第二橢圓封頭(17)的安裝高度可以調(diào)節(jié)，增加了實驗的可操作性。增加了玻璃的第二橢圓封頭后，第二橢圓封頭以上的部分為觀測的區(qū)域，第二橢圓封頭(17)與圓柱形筒體(4)的罐壁之間的縫隙可以用玻璃膠等物質(zhì)填充，以防止上下流體的流動。

圓柱形筒體(4)內(nèi)部配置有四塊擋板(13)，擋板(13)沿圓周均勻分布，形成全擋板條件。研究擋板型式和尺寸對攪拌流場的影響時，也可安裝其他型式的擋板。在使用PIV系統(tǒng)測流場速度時，擋板需使用透明的有機玻璃材質(zhì)。

圓柱形筒體(4)內(nèi)部還可配置一個氣體分布環(huán)(16)，氣體分布環(huán)(16)上有多個沿圓周均勻分布的小孔，通常這些小孔的個數(shù)為6～12個，也可根據(jù)具體情況調(diào)整。氣體分布環(huán)(16)通過一根由頂部伸入的管道(6)與空壓機(未畫出)相連，中間配有減壓閥、空氣流量計(未畫出)等設(shè)備和儀表，以使空氣流量穩(wěn)定和便于監(jiān)控。

如圖1所示，所述裝置的攪拌系統(tǒng)(2)包括攪拌器(14)、攪拌軸(12)、聯(lián)軸器(11)和扭矩儀(10)等四部分。攪拌器(14)可以是單層攪拌器，也可以是多層攪拌器；可以是徑向流攪拌器，可以是軸向流攪拌器，也可以是多種攪拌器的組合?？梢酝ㄟ^該裝置研究單個攪拌器或不同攪拌器組合型式的各項參數(shù)。通常安裝的攪拌器層數(shù)為1～4層，也可根據(jù)具體情況調(diào)整。攪拌器(14)固定在攪拌軸(12)上，攪拌軸通過聯(lián)軸器(11)與扭矩儀(10)相連。扭矩儀(10)可以測定軸扭矩，通過軸扭矩可以計算得到攪拌功率。扭矩儀(10)的信號可以輸出到控制柜(未畫出)的電腦上，并實時顯示。扭矩儀(10)上端與減速機(9)相連，減速機(9)與電機(8)共同構(gòu)成所述裝置的動力系統(tǒng)(1)。動力系統(tǒng)的作用是使攪拌軸(12)以一定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。攪拌轉(zhuǎn)速可通過控制柜控制，并顯示實時轉(zhuǎn)速。

PIV系統(tǒng)激光器可置于圓柱形筒體(4)的右側(cè)面，發(fā)射一道豎直片光，照亮流場觀測區(qū)域；高速相機置于圓柱形筒體(4)的正面。激光器與高速相機的擺放位置成90°夾角。

也可將PIV系統(tǒng)的激光器置于圓柱形筒體(4)的正面或右側(cè)面，發(fā)射一道水平的片光，照亮觀測區(qū)域，高速相機置于圓柱形筒體(4)的上方。激光器與高速相機的擺放位置成90°夾角。

在測量單相流場時，可將氣體分布環(huán)(16)取出。

在不使用PIV測速時，可將透明的第二橢圓封頭(17)取出。

圓柱形筒體(4)后面和左側(cè)面的電極孔在數(shù)量和軸向位置上可以不同。

不研究擋板(13)型式的影響時，可使用標準的長方體擋板。擋板(13)的寬度為罐徑的1/10，材質(zhì)為透明的有機玻璃。

圓柱形筒體(4)的上面為敞口型式，可根據(jù)需要加蓋。

罐體(3)可裝入不同性質(zhì)的流體，如水、黃原膠溶液等。

此外，發(fā)明人還用該攪拌式反應(yīng)器流場測試裝置測試了一種新型氣液分散攪拌器的各項參數(shù)。其中使用可移動透明玻璃橢圓封頭、標準擋板(有機玻璃)、單層攪拌器、通氣環(huán)、DO電極、PIV系統(tǒng)等，測量了該攪拌器在不同轉(zhuǎn)速和通氣流量下的不通氣攪拌功率和通氣攪拌功率、臨界分散轉(zhuǎn)速和氣泛點、氣含率、DO變化速率等，并通過計算得出了攪拌器的功率準數(shù)、不同轉(zhuǎn)速下的相對功率需求、體積傳質(zhì)系數(shù)等參數(shù)。并且通過PIV系統(tǒng)測出了單相流中的不同轉(zhuǎn)速時的流速分布、混合時間等。

雖然本實用新型已以較佳實施例公開如上，但其并非用以限定本實用新型，任何熟悉此技術(shù)的人，在不脫離本實用新型的精神和范圍內(nèi)，都可做各種的改動與修飾，因此本實用新型的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書所界定的為準。