CN102049208A

CN102049208A - 一种产生向心流动的搅拌桨装置

Info

Publication number: CN102049208A
Application number: CN2009102366454A
Authority: CN
Inventors: 杨超; 王涛; 毛在砂; 程景才; 李向阳; 禹耕之
Original assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Priority date: 2009-10-27
Filing date: 2009-10-27
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2029-10-27
Also published as: CN102049208B

Abstract

本发明涉及的一种产生向心流动的搅拌桨装置，包括：一搅拌槽，一位于搅拌槽内的搅拌轴，在搅拌轴上安装向心桨，桨径(d)以与槽径(D)的比值计算：d＝D/4～D/2，槽壁周向均匀安装4～12个直立挡板，挡板宽度D/12～D/10。与传统圆盘涡轮搅拌桨相比，其特征在于：圆盘上安装有2～12片矩形桨叶或螺旋桨形叶片、1/2、1/4圆管、折叶板，叶片与圆盘法线方向成20～70度，桨叶尺寸：高D/15～D/10、宽D/8～D/4。在搅拌过程中产生新的流动方式，有利于降低能耗、减少混合时间和改善液固混合状况。

Description

一种产生向心流动的搅拌桨装置

技术领域

本发明属于化工、石化、湿法冶金、环保、生化和制药等领域的多相混合搅拌装置，特别适于液-固、气-液、气-液-固等多相体系的固体悬浮、均匀混合和多相化学反应过程。

背景技术

搅拌槽中流体的流动主要分为三类：径向流动，轴向流动和周向流动。以Rushton桨为代表的径流桨能够在桨区产生很强的剪切力，可以用于破碎和分散气泡，因而适用于气液分散体系，产生的径向排出流是由内而外的；而斜叶桨、螺旋桨等轴流桨则主要产生轴向流动，有利于搅拌槽的均匀混合，并且能耗较低。而各类搅拌桨由于旋转均伴随着周向流动的产生，这种流动对混合操作往往用处不大，所以工业上的搅拌槽大多在槽壁增设垂直挡板，将其转化为湍流，或者是轴向流动。

本专利所涉及的新型搅拌桨能利用叶片与圆盘法线的偏角，推动流体产生向心流动，产生了除以上两种流动之外的新的流动方式，而且这类向心流动有利于降低能耗、减少混合时间、改善液固混合状况。

在以往对新型搅拌桨的研发中，大多数专利和研究集中在叶片形状的改良和搅拌装置附件的发明，比如“一种搪玻璃水翼型轴流搅拌桨”(中国专利，申请号03231827.8)，“一种搅拌桨”(中国专利，申请号200620064206.1)和“组合式表面曝气搅拌桨”(中国专利，申请号00102745.X)，没有关于产生向心流的搅拌桨的专利和文献报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种产生向心流动的搅拌装置，这种向心桨能利用叶片与圆盘法线的偏角，推动流体产生向心流动，产生了除两种传统桨型(即径向桨、轴向桨)以外新的桨型，而且这种向心流动有利于降低能耗、减少混合时间和改善液固混合状况。

本发明的具体实施方案如下：

一种产生向心流动的搅拌装置，包括一搅拌槽4，一位于搅拌槽4内的搅拌轴1，在搅拌轴1上安装本发明的向心桨6，桨径(d)以与槽径(D)的比值计算：d＝D/4～D/2，槽壁周向均匀安装4～12个直立挡板2，挡板宽度D/12～D/10。与传统圆盘涡轮搅拌桨相比，其特征在于：圆盘上安装有2～12片矩形桨叶或螺旋桨形叶片、1/2、1/4圆管、折叶板，叶片与圆盘法线方向成20～70度，桨叶尺寸：高D/15～D/6、宽D/8～D/4。

本发明的向心桨，在通气搅拌状态下，圆盘还能阻止气泡直接穿过搅拌桨，降低了泛点转速，同时由于叶轮的高剪切力以及离心力的作用，气体会沿平板自中心向外扭转，并被击碎成细小的气泡分布于桨叶四周，进而随液体在槽内循环。

总之，本发明所提供的向心桨搅拌装置，在拥有传统的径向流叶轮优点的基础上，产生了新的流动方式(向心流)，有利于降低能耗，减少混合时间，改善液固混合状况。

附图说明

附图1为本发明的向心桨及搅拌装置示意图；

附图2为六叶45度上推斜叶桨及搅拌装置示意图；

附图3为Rushton桨及搅拌装置示意图；

其中：搅拌轴1 挡板2 液面3

搅拌槽4 叶片5 搅拌桨6

实施例1：

针对单液相体系，在内径380毫米、高600毫米、器壁内侧对称设置4个挡板的圆柱形平底敞口搅拌槽中，使用自来水作为液相，槽内液位高380毫米，搅拌槽挡板宽度为39毫米，高度600毫米；三种搅拌桨直径均为127毫米，离底高度127毫米。

下表给出了装置1和3在不同转速下(s^-1)的单位体积功耗(kW/m³)和功率准数。可以看出，本发明专利所涉及的向心桨在单液相条件下，功率消耗方面有明显的优势，相同搅拌条件下单位体积功率消耗约为传统Rushton桨的37.5％～44.36％。

实施例2：

针对气液两相体系，在结构如实施例1的搅拌槽装置1和3中，使用自来水作为液相，空气作为气相并由环形气体分布器从搅拌桨下方通入，通气量0.2m³/h。

下表给出了装置1和3在不同转速下(s^-1)的单位体积功耗(kW/m³)和功率准数。可以看出，本发明专利所涉及的向心桨在气液两相条件下，功率消耗方面有明显的改善，相同搅拌条件下向心桨的单位体积功率消耗约为传统Rushton桨的34.83％～47.83％。

实施例3：

混合时间是表征搅拌槽反应器混合性能的一个重要参数。本实施例在结构如实施例1的搅拌槽中，采用电导法测定了单液相体系在不同搅拌转速条件下(s^-1)装置1、2和3的混合时间(s)。具体实施如下：以饱和NaCl溶液(250g/L)作为示踪剂，在搅拌槽的液面处加入；电导电极放置于接近槽底的另一侧，用于测定局部电导率随时间的变化，电导电极输出信号经放大及转换后由计算机进行数据采集处理。由于电导率仪的输出信号总是有一定的波动，因此通常取电导率仪的输出信号与最后稳定输出平均值相差在±5％以内即认为混合均匀，所需的时间即为混合时间，对某一个操作条件重复5次实验并取平均值以消除随机实验误差。

实验结果如下表所示，可以看出：相对于传统Rushton桨和六叶45度上推斜叶桨，本发明专利所涉及的向心桨在相同搅拌条件下所需要的混合时间最短，比Rushton桨和六叶45度上推桨分别减少了2.90％～22.02％和5.63％～28.57％，混合能力最强。

实施例4：

本实施例采用电导法测定了气液两相体系在不同转速(s^-1)条件下的结构如实施例1的搅拌槽装置1、2和3的混合时间(s)，空气作为气相由环形气体分布器从搅拌桨下方通入，通气量为0.2m³/h。测定方法同实施例3。

实验结果如下表所示，可以看出：相对于传统类型搅拌桨，本发明专利所涉及的向心桨在相同搅拌条件下所需要的混合时间最短，比传统Rushton桨和六叶45度上推斜叶桨分别减少了4.76％～27.31％和24.26％～42.08％，混合能力最强。

实施例5：

临界离底悬浮是液固混合操作中一种很重要的分散状态，因为这时固相和液相的有效接触面积达到最大值，与之相对应的转速称为临界离底悬浮转速(N_js)，临界离底悬浮转速可以用来衡量搅拌桨固体悬浮的能力。本实施例的搅拌槽结构同实施例1，搅拌装置1和2中的液相同实施例1，固相为石英砂，粒径范围为14～20目，密度2714kg/m³。

下表给出了不同固含率(g/100mL)和桨叶离底高度(C)条件下向心桨和六叶45度上推斜叶桨装置的临界离底悬浮转速(s^-1)。一般来说，C越小，越容易达到离底悬浮状态，对于上推斜叶桨，离底高度降至1/6H(H为液面高度)才有可能使固相离底悬浮；而向心桨则在比较大的C值条件下(1/4H和1/5H)，就可以达到离底悬浮状态。可以看出：本发明所涉及的向心桨液固悬浮的能力已经超过六叶45度上推斜叶桨，在相同条件下临界转速均低于以轴向混合见长的上推斜叶桨。

实施例6：

云高(cloud depth)是指液固混合中固体颗粒随着流体流动所能达到的垂直高度，一般用0.9H(H为液面高度)来衡量液固悬浮是否达到均匀混合，与之相对应的转速称为云高转速(N_0.9H)。

本实施例的搅拌槽结构同实施例1，搅拌装置1和2中的液相和固相同实施例5。下表给出不同固含率(g/100mL)和桨叶离底高度(C)条件下的向心桨和六叶45度上推斜叶桨装置的云高转速。可以看出：本发明所涉及的向心桨在液固均匀混合的能力已经超过六叶45度上推斜叶桨，在相同条件下云高转速均低于以轴向混合见长的上推斜叶桨。

Claims

1.一种产生向心流动的搅拌桨装置，包括：搅拌槽，位于搅拌槽内的搅拌轴，在搅拌轴上安装向心桨。

2.按权利要求1所述的产生向心流动的搅拌桨装置，其特征在于：向心桨的桨径(d)以与槽径(D)的比值计算：d＝D/4～D/2。

3.按权利要求1所述的产生向心流动的搅拌桨装置，其特征在于：搅拌槽的槽壁周向均匀安装4～12个直立挡板，挡板的宽度D/12～D/10。

4.按权利要求1所述的产生向心流动的搅拌桨装置，其特征在于：向心桨的圆盘上安装有2～12片矩形桨叶或螺旋桨形叶片、1/2、1/4圆管、折叶板，叶片与圆盘法线方向成20～70度。

5.按权利要求4所述的向心桨叶片，其特征在于：桨叶高D/15～D/10、宽D/8～D/4。