專利名稱：旋轉氣體噴射器的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于氣-液相反氣-液-固相系統中的旋轉氣體噴射器。
為了產生化學反應，有必要使各及應劑相互接觸。當這些反應劑處于不同相時，如空氣中的氧和水中的亞硫酸鈉，這樣做就是一個很重要的問題。實際的反應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，噴槍或旋轉葉輪這樣的機構產生。如果使用旋轉葉輪，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斷而形成的。當葉輪旋轉加快時，斬斷增加，從而產生大量更小的氣泡，并且每單位氣體容積帶有更高的總氣-液表面積。
在大多數系統中，可以用各種材料制造軸和葉輪。在某些特定的應用場合使用了石墨材料，此時，在該系統中出現的氣體，液體或固體相對于金屬都具有高的反應能力，或者此時之溫度極高。石墨是一種相對較惰性并是不貴重的材料，但用它制造大部分標準設計的葉輪則是困難的。許多用石墨制造的獨一無二的葉輪已發展出這樣的用途，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，利用一個由石墨軸和葉輪構成的旋轉氣體噴射器將一惰性氣體進行噴射。氣體是通過石墨軸和葉輪中的內凹腔噴射的，或者從葉輪之上方或者從其下方出去。為了將氣體斬斷成小氣泡，噴射之氣體必須被帶到在葉輪葉片(相對于旋轉方向)后部產生的低壓區。根據葉輪旋轉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剪斷及擴散。但這不是一種有效的工作方式。
本發明為由石墨制成的旋轉氣體噴射器提供了一種改進的設計。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，從而構成葉輪之葉片。在切口中心鉆有多個經向孔并與軸之中心孔連通。
當軸以足夠之速度旋轉時，氣體通過該軸噴射，通過葉輪之經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氣-液相及氣-液-固相系統中氣-液工質的傳遞和化學反應。葉輪之特性(每單位液體容積總的氣-液相界面面積)能通過總的工質傳遞速率或化學反應速率(因工質傳遞限制了化學反應)來測量。
借助于示例，參照附圖本發明說如下

圖1a和1b是本發明的旋轉氣體噴射器的葉輪的一個實施例的圖;
圖2是旋轉氣體噴射器的軸的圖;
圖3是旋轉氣體噴射器的布置示意圖;
圖4是亞硫酸鈉濃度對時間的曲線圖;
圖5是固態氧化鎂含量對時間的曲線圖。
參見圖1至3，旋轉氣體噴射器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。在化學工程應用時，為了氣體之擴散大部葉輪之W/D比為0.2或更小。人們發現增加葉輪之厚度使W/D比高于0.2大大改善了氣體擴散，但其代價是在給定之葉輪速度時消耗更高的功率。由于葉輪之重量及石墨結構材料之強度也使得在實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。切口之數量可從6至12個變化，典型的是9個。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。孔徑do是葉輪直徑D的0.05倍至0.03倍。當軸3以足夠這速度旋轉時，氣體通過位于軸3中心的直徑為Sb的孔7噴射入葉輪2內部的直徑為Sw的風箱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成。軸之直徑應為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人員根據石墨的公知特性及打算應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不應超過軸直徑的1/3，以便保證軸的機械完整性。熟練的技術人員能將軸3的頂部10連接到任何適當的驅動機構，保證軸正確地旋轉，并且在驅動機構中設置了氣體噴射裝置，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的直徑應是標準尺寸的，最好等于軸的直徑。螺紋11之長度t應在葉輪直徑的0.25倍和0.3倍之間。對順時針方向旋轉來說，螺紋11應是右旋的，而對反時針方向旋轉的氣體噴射器來說應使用左旋螺紋。葉輪設有螺孔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，形成風箱8。風箱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。
當將旋轉氣體噴射器用于適當大小的容器13中時，其特征值可達到最高。當葉輪之直徑與容器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，可獲得最佳結果，對圓柱形容器來說，其特征長度T為其直徑，而對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對平底容器來說處于0.125和1.0倍葉輪直徑之間。當葉輪距容器的底部為0.25D和0.5D之間時可得到最佳結果。葉輪上方和液面高h將處于1.0和2.0倍葉輪直徑之間。總的液面高度(H＝[h+C+W])應處于1.5至3.0倍葉輪直徑的范圍內。
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，當用4塊隔板時獲得最高的特性值(和最大的功率消耗)。對于圓筒形容器來說，隔板以90度之間隔連接在該容器之壁上。對正方形或長方形容器來說，隔板放在每個壁中央。為了決定在長方形容器中隔板的寬度B，則隔板之寬度應是長度l或寬度W的最小值的0.1至0.12倍。
旋轉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，而不脫離本發明之精神實質。任何形狀的容器均可用隔板。
本發明之應用說明書于下列范例中。這些范示純粹是為了說明，并不限制本發明之應用。
范例1一旋轉氣體噴射器在一含有141升水的正方形耐高溫有機玻璃容器中工作。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。25℃的空氣以相當于250升/分的速率在標準溫度和壓力(即1個大氣壓和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。其反應式如下
(1)該反應式在下列參考文獻中作了公知的描述1)Cooper，C.M.，Fernstrom，G.A.，Miller，S.A.，“氣-液接觸器”，工業與工程化學雜志，第36卷，第6期，504至509頁，1944年。
2)Linek，V.，Vacek，V.，“用于確定氣-液接觸器的傳質特性的催化亞硫酸鹽氧化動力學的化學工程應用”化學工程科學雜志第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，因此反應速度變得受傳入水中的氧氣物質的傳遞速度的限制。因此，反應速度能由下列方程描述(δ(Na2SO3))/(δt) =-KLa(C＊－Cb) (i)這里KL是液相傳質系數(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是氧于水中的實際毛體積濃度(小得可忽略)。
因此，反應(1)的反應速度是不依賴于亞硫酸濃度的，但與時間成線性關系(對恒定的氣流和葉輪速度來說)。對一固定的傳質系數來說，反應速度則與氣-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。該系統之尺寸由表1給出。
表1葉輪參數值直徑D229mm厚度W114mm切口尺寸db42.9mm離底部高度C114mm旋轉速度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中作為時間之函數畫出。濃度之變化速度與時間呈成性關系，說明反應速度(斜率)在每小時每m3水中0.483kgmol的Na2SO3反應是常數。
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。而根據本發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。空氣以250l/min的等當速率在標準溫度和壓力下噴射，并且葉輪以320rpm的速度旋轉。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。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，可得出這樣之結論葉輪葉片之間的氣體噴射增加了為傳質而獲得的氣-液界面面積。
范例3葉輪厚度對直徑之比(W/D比)的效果說明于下例例子中。在該例子中，在氣-液-固相系統中的反應速度利用本發明的旋轉氣體噴射器而加速，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)混合氣以當于57.9L/min的總氣流率用旋轉氣體噴射器在標準溫度和壓力下噴射。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)熔融浴中發生反應。反應之產品(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)由于氯在反應溫度(820℃)下極易與金屬發生反應，故正方形容器和旋轉氣體噴射器都是由石墨制成的。描述該范例的物理參數給于表2中。
表2葉輪參數值直徑(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個隔板寬(B)29.2mm以前發現在沒有催化劑時，用噴槍式噴射器，反應式(2)以可忽略不計的速率(＜0.1kgmol/m3/h)進行。利用旋轉氣體噴射器，MgCl2熔融浴的氧化鎂MgO含量隨時間作線性減少，在150分鐘范圍內從6.1的重量百分數減至0.57重量百分數。因此，反應(2)的速度算出為每小時每m3液態MgCl2是1.09kgmol氧化鎂。攪拌時反應速率之變化是由于為氣態反應劑傳質入液體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重量百分數的MgO。噴射器以554rpm之速度旋轉，氯氣與一氧化碳之比為48∶52的混合氣在標準溫度與壓力下以相應于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)。所有其它物理參數與表2給出的一樣。容器的MgO含量作為時間之函數已于圖5中畫出。可看出的氧化鎂氯化速度是每小時每m3態MgCl2為1.44kgmol氧化鎂。固此，反應(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的重量百分數時，反應速度是不受MgO含量的限制的。
權利要求
1.一種旋轉氣體噴射器，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，從而加強氣-液相及氣-液-固相系統中的氣液物質傳遞及化學反應。
2.如權利要求1所述旋轉氣體噴射器，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.如權利要求1所述旋轉氣體噴射器，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.如權利要求3所述旋轉氣體噴射器，其中切口之數量從6至12變化。
5.如權利要求4所述旋轉氣體噴射器，其中切口之數量為9。
6.如權利要求1所述旋轉氣體噴射器，其中徑向孔的直徑d0為葉輪直徑的D的0.05至0.03倍。
7.如權利要求1所述旋轉氣體噴射器，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.如權利要求7所述旋轉氣體噴射器，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.如權利要求2所述旋轉氣體噴射器，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.如權利要求2所述旋轉氣體噴射器，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.如權利要求7所述旋轉氣體噴射器，其中垂直隔板是沿容器之內壁設置的，以防止容器中液體產生渦旋。
全文摘要
一旋轉氣體噴射器，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氣-液相和氣-液-固相系統中物質的傳遞及化學反應。
文檔編號B01F7/00GK1084429SQ9311655
公開日1994年3月30日 申請日期1993年7月16日 優先權日1992年7月16日
發明者M·W·肯尼迪, E·E·程, J·G·蘭茨 申請人:諾蘭達有限公司