CN1044865C - 搅拌处理液体的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

搅拌处理液体的设备包括有：容纳处理液体(L)的容器(2)；可旋转地安装在容器(2)内部的涡轮(6)。该涡轮(6)具有可延伸并接近容器(2)内表面处的半径。该涡轮用电机(7)驱动并以鸡20米/秒以上的圆周速度进行旋转。一阻流环(18)处在涡轮(6)的上方位置并安装在容器(2)的内表面上。当处理液体被涡轮带动而高速旋转时，该处理液体以一大体上呈中空圆柱形的薄膜形式与容器的内表面紧密接触。

Description

搅拌处理液体的方法和设备
本发明系关于搅拌处理液体的方法和设备，其中处理液体(在本技术说明中，处理液体系指要加工或处理的液体)是由液体或由液体和为便于扩散和乳化而经粉末化处理的粉状材料的混合体所组成。
在常规的搅拌设备中，在搅拌容器的中心装有涡轮机构(或涡轮或搅拌叶片)，处理液体由于涡轮搅拌作用进一步成雾化状态。图5A和5B表示常规设备的例子。在由图5A表示的例子中，有一根轴b伸入到容器“a”中，且有一较小直径的涡轮c装在轴b上。轴b旋转搅拌处理溶液d。该设备进行这样的安排：使处理液体d由于涡轮c的作用而被剪切和扩散，同时在涡轮的上部和下部处产生按箭头所示的外向循环来搅拌处理液体d。为了避免处理液体不经搅拌而循环流动，在容器“a”的内部提供有以肋筋形式的定子f。在这种设备中，涡轮c的直径D1远小于容器“a”的内径D，通常小于内径D的五分之一。在本图中，参考字母a1表示一夹套或套管、在套管中流动的工作介质起热交换作用，即用来加热或冷却处理液体d。
在图5B所示的例子中，用一种斜涡轮c1作为涡轮装置，定于f1由固定构件8所支持。该设备相应于在日本专利特许应用号7913/1994中所登载的那一种设备。轴b高速旋转，以大约为15米/秒的园周速度驱动涡轮c1。按这样的配置，除搅拌剪切作用外，在涡轮c1后表面上所强制产生的涡凹现象加速其雾化效果。邻近涡轮c1的处理液体d沿箭头e1所示的方向进行循环。
这类常规设备有下列缺点。
1)由涡轮c,c1作用的处理液体d为涡轮c,c1邻近的情况所限制。虽然涡轮c,c1的作用等同于如箭头e,e1所示处理液体d的循环，但是为了使全部被处理液体(以下简称处理液体)d得以处理有必要增加循环的次数，其结果为所需处理的时间增加。
2)所处理的液体d随着涡轮c,c1一起旋转而降低了搅拌效果。作为一种解决办法，定子f,f1必须做成如图5A和5B所示的样子。
3)如果为给处理液体d以高能量而使涡轮c,c1高速旋转，则当达到某一转速时，伴随涡凹作用产生滑移现象。特别是，当一高粘度的液体被搅拌时，由于上述的滑移现象极大地降低其搅拌作用。
4)在加工过程中，许多情况下处理液体d在进行搅拌、加料或出料的同时，通过夹套α1用流动工作介质进行热交换的方法对处理液体d进行加热或冷却。然而，由于处理液体循环的总速度较慢，在容器“α”内的温度分布变得不均匀、其结果是涡轮c,c1难以实现在温度均匀情况下实施搅拌。
为了改进上述的条件、采用了一种设备，其中增设了一些诸如搅拌器、刮板或类似的辅助装置。当然，上述的配置构成了一套复杂的机构，不能够得到满意的效果。
常规设备的另一缺点还可指出如下。
5)为得到高度雾化、悬浮化和乳化的搅拌是不能够通过改变涡轮的形状或用增加上述的辅助装置的办法来完成的。这种安排反而增加处理液体粘附在设备各个部位上的数量，造成产量降低。此外，涡轮c,c1必须安置在一适当的高度，因为如果涡轮c,c1位于容器“α”底部太近，则总处理液体的循环变坏。于是，所处理液体的最小限量不能减少，引起经济效益下降。再者，如果增加设置搅拌器、刮板或类似的装置，则其结构变得复杂，设备越是复杂则冲洗和清洁工作变得越困难。
本发明的一个目的就是提供搅拌处理液体的方法和设备，以解决在上面条款1)至5)中所叙述到的缺点。
为了获得上述及其他目的，根据本发明的一个方面，所提供的搅拌处理液体的方法包括：在容器内部的旋转搅拌装置以足够的速度传递给处理液体以旋转运动，以致藉助于离心力使处理液体紧贴于容器的内表面形成一个大体上为中空圆柱形薄膜，并在旋转运动中以搅拌装置的端部搅拌呈中空圆柱形薄膜形式的处理液体。
最好是，搅拌装置以大约20米/秒以上的圆周速度旋转。
根据上述方法，处理液体得到搅拌装置的能量高速旋转，同时借助于旋转的离心力而粘附在容器的内表面上，形成一大体上为中空圆柱形薄膜。当然处理液体的旋转速度小于搅拌装置的旋转速度。所以，通过搅拌装置的处理液体确实受到搅拌作用或者受到搅拌装置尖端部或外端部的作用，并由于处理液体旋转液流所产生的搅拌作用而获得微细雾化。
根据本发明的另一方面，所提供的搅拌处理液体的设备包括：用于在其中装盛处理液体的容器；在容器内旋转设置的搅拌装置，该搅拌装置具有的半径延伸到接近容器内表面处；和使旋转搅拌装置旋转的驱动装置。
最好是，搅拌装置以足够高的速度旋转，从而把旋转运动传递给处理液体，这样依靠离心力使一大体上呈中空圆柱形薄膜形式的处理液体紧密地贴附在容器的内表面上，并且搅拌装置的半径大小应能使大体上为中空圆柱形薄膜的处理液体由搅拌装置尖端部位所搅拌。满足传给处理液体旋转运动的速度约为20米/秒以上的圆周速度。
该设备最好还包括有安装在容器内表面上的阻流环(即可部份地干扰处理液体轴向流动的一种环)，该环沿容器的内表面设置并从容器内表面上向内伸出。该阻流环安装在搅拌装置的上方。
该搅拌装置还可包括一种带有凸块的涡轮机构，该凸块安装在涡轮机构外缘端部上、以大体向上和向下的形式延伸。该搅拌装置还可包括一种线轮。
该设备可进一步含有安装在容器外表面上的夹套，用于热交换的目的的工作介质在其内部流动。
在本发明的另一个最佳实施例中，容器的内表面形成阶梯形，至少有两个不同的内径、而且该搅拌装置可设计成沿容器的轴线可装拆。
该设备可进一步含有凸块，该凸块安装在容器内表面的至少一部分上，该部份位于搅拌装置外径之外的一定范围内。
根据上述设备，搅拌装置的端部延伸到接近容器的内表面。当相对少于容器容量的处理液体加注到容器，并且搅拌装置以高速旋转时，则处理液体被带动旋转并沿容器的内表面大体上形成一中空的圆柱形薄膜。处理液体由于搅拌装置和处理液体之间转速不同而被搅动，并由于所处理液体的旋转流动发生搅拌作用，于是形成细微的雾化作用。
结合下列附图，并参考下面所给出的详细说明，本发明的上述目的和所列的优点将变得清楚明了：
图1是本发明一个实例的垂直剖视图；
图2是搅拌过程时间和平均粒度关系图；
图3是本发明另一个实例的容器和其他部份的局部剖视图；
图4是容器与涡轮机构之间的间隙和粒度分布的关系图；和
图5A和图5B均为常规设备的垂直剖视图。
本发明的最佳实例现在参考附图给予说明。在图1中数1表示本发明的高速搅拌设备，数2表示容器和数3表示盖到容器2上的端盖。一轴承4固定到端盖3上以支持一轴5。在轴5的下端装有作为搅拌装置的涡轮6(在本技术说明中，术语涡轮被用来表示涡轮或搅拌叶片)。在涡轮6的外缘装有向上和向下两个方向的凸块61，用以改善搅拌作用。在涡轮6的外缘和容器2的内表面之间必须保证只有一极小的间隙S。数7表示安装在固定支架(未示出)上的电动机，电动机7的轴71连接到轴5上。
在容器2的底部8上连接有从料槽9来的输入管10，料槽装有要被处理的液体(处理液体)并通过泵101和阀102与输入管10相通。另一个料槽通过103与输入管10相连。在端盖3上以直通形式安装有管路13,14，该管路通过阀13,14与装有添加剂的料槽11,12相通。在端盖上还以直通形式安装有一真空管路15，该管路通过一真空阀151与真空源相连，这样搅拌也可以在真空下进行。在容器2的上侧表面连接有排出处理液体的排出管路16。在容器2的下侧表面连接有下排出管路17。标号161和171分别是指安置在排出管路上的阀。该排出管路16用来在连续处理或生产操作中排出处理液体。该下排出管路17用来在批量生产操作中排出处理液体或用来在清洗设备内部后排出冲洗或清洗液体。
容器2有圆柱形的内表面。在放泄管路16的下面安装有法兰盘状的阻流环18，该阻流环从容器2上向内凸出。在容器2的外表面上安装有流有热交换工作介质的夹套19,20，用来加热或冷却处理液体。标号21表示粒度测量装置，它安装在排出管路16中用来观察处理液体的雾化状态。
在工作中，处理液体L被加入容器2内直到涡轮6的附近。涡轮6在电机7的作用下高速旋转。于是处理液体L在接收涡轮6的能量后旋转，并在指向容器2的内表面的离心力作用下被强制增压。因而处理液体L增加压力并旋转成大体上为中空圆柱薄膜形状。处理液体L的旋转不仅发生于其与涡轮6相接触的一部分上，而且也发生在由涡轮6所驱转的处理液体L的运动而引起离开涡轮6的一部分上。当容器2内存在空气时，空气的旋转必然会把其旋转运动传递给处理液体L。这里，由于涡轮6的旋转速度大于处理液体L的转速和由于为间隙S很小，在涡轮6旋转平面上的处理液体L都被涡轮6所搅拌，因而产生高度雾化、扩散、混合、乳化或类似作用。在涡轮6旋转平面外的处理液体L由于处理液体本身的惯性而受到旋转运动的混合作用。
当用阻流环18限制其上升或向上运动时，形成大体中空圆柱薄膜形状的处理液体L被搅拌。而在沿着容器2的内表面上升时，处理液体L总是受到涡轮6尖端或前端部位的强烈搅拌，因而处理液体L在一个短时间内受到充分的搅拌。在越过阻流环18后，处理液体L仍保持其旋转和压力，因而在压力的作用下经放泄管路16而被放泄出。
在上述的搅拌操作中，沿容器2内表面处理液体L的上升速度正比于处理液体L通过输入管路10的加料或输入速度。流过阻流环18的处理液体L的流量等于处理液体L的输入量。所以，处理液体L的上升速度或滞留时间可以藉助于泵101或阀102来控制输入速度的方法来调整的。因而，用这种调整方法，传递给处理液体L的搅拌能量也可以被调整，所以很容易达到所要求的搅拌条件。
图2显示出根据常规搅拌设备和本发明的搅拌设备的搅拌操作数据。该纵坐标代表平均粒度(微米)，横坐标代表处理或过程时间(分)。作为处理液体，采用水和石腊混合比为4∶1且加有1％或低于1％表面活化剂的混合物。在本图中，属于用A标志的一组曲线和属于用B标志的一组曲线均是不同类型的常规设备搅拌的结果。属于用C标志的一组曲线是本发明设备搅拌的结果。由曲线A1到B4所表示数据的设备其涡轮的形状，涡轮的半径，处理液体的数量或类似的参数均随设备的不同而略有不同。而所有的A,B和C组曲线，其容器的内径都是相同的，为156毫米。在C组曲线中，涡轮的直径为152毫米。也就是说，容器2内表面和涡轮6端部之间的间隙S在C组曲线中为2毫米。
在从A1到C4的每条曲线中所给定的速度均为涡轮的圆周速度，曲线A1为13.1米/秒和曲线A2为14.9米/秒。因为在B组曲线中所用的设备不同于在A组曲线中所用的设备，曲线B1的圆周速度为13.35米/秒和曲线B2,B3和B4的圆周速度为14.7米/秒。这些圆周速度大体上是常规设备的最大值。
另一方面，在本发明中C组曲线涡轮的圆周速度，C1曲线为27,45米/秒，C2曲线为28.6米/秒，C3曲线为37.9米/秒和C4曲线为42.6米/秒。在开始搅拌操作之前，在曲线A1到C4的混合状态都是相同的。
石腊粒子雾化度和获得该雾化度的所需时间如下。即，在A组曲线中获得粒度为11到12.5微米的时间要求为15分钟，在B组曲线中获得粒度为7到12微米的时间要求为6分钟，若要得到5微米和粒度则需15分钟。
另一方面，在C组曲线中，对于C1曲线获得粒度为3微米的时间要求仅为4分钟(或由C1曲线所表示的搅拌时间)，对于C2曲线获得相同粒度的时间要求仅为3分钟。对于C3曲线获得粒度为2.5微米的时间要求仅为0.5分钟，对于C4曲线获得相同粒度的时间要求仅为0.2分钟。对于C3曲线获得粒度为1.7微米的时间要求仅为2分钟，对于C4曲线获得粒度为1.5微米的时间要求仅为1分钟。
如本文上面所述，对比用常规设备的A、B两组曲线，在用本发明的C组曲线中雾化度与获得该雾化度的时间要求远比前者优越。对于该优越性的理由是考虑到这一事实，整个的处理液体L被涡轮的高速外缘部份(或尖顶部份)所搅拌形成一中空圆柱薄膜形状。根据实验，超雾化作用发生在涡轮圆周速度在20米/秒左右、并在圆周速度超过30米/秒时超雾化作用显著增加。由于处理液体L在搅拌时形成薄膜，如果进行处理液体L的加热或冷却的话。从热交换工作介质传到处理液体L的热传输用夹套19,20可以得到很均匀和迅速地进行。
虽然，与A和B组曲线相比较，对于C组曲线获得雾化条件的要求时间较短，其涡轮的工作半径大且其圆周速度高。所以，要求一种高转矩和高转速且具有大功率输入的电机。此外，在C组中从C1曲线到C4曲线可以看出，圆周速度愈大，则粒度愈小。即用改变圆周速度的方法可以得到所要求粒度的处理液体。
在常规设备中搅拌装置的圆周速度在正常情况下大约可达20米/秒。然而，采用本发明的设备，即使其圆周速度进一步提高搅拌工作可以有效的进行。在上述的实例中，其最大圆周速度为42.6米/秒。然而，它可以增加到，例如100米/秒或200米/秒，这样可在一个较短的操作时间内搅拌处理液体至特别细的雾化和乳化度。
处理液体中的粒度分布随容器2内表面和涡轮6之间的间隙S变化而变化。图4给出了粒度分布随间隙S变化的分布曲线。曲线x示出了小间隙S时的粒度分布、曲线y是中等间隙S时的粒度分布，曲线z是大间隙S时的粒度分布。所以，通过调整涡轮6的圆周速度和间隙S，可以得到适当的粒度和粒度分布。这样即可容易地实现高度雾化和均匀粒度。
在上述的实例中，容器2是单一的圆柱形。当然，它可以做成如图3所示的形状。即，容器2的圆柱形本体具有多级直径22，这样在容器2轴向(即本图垂直方向)的涡轮6的位置可以按处理液体的所要求的粒度分布或粘度而改变。
此外，一些凸块23也可安装在容器2的内表面上，以使其处于涡轮6外径之外的一定范围内。根据这一配置，就会对沿圆周方向和轴向流动的流体产生阻力。于是就可能显著增加涡轮6的搅拌次数。在C组曲线中，即使容器2的内径和涡轮6的外径做得比上述实例的数值大，也可获得相似的效果。
虽然没有图例说明，但也可用一种线轮来取代图1和图3所示的涡轮6，该线轮大体上呈圆盘状，其外缘延伸并接近于容器2的内表面。
正如上述说明，根据本发明的方法，可以得到比常规粒度的几分之一还要小的粒子粒度，并且处理过程所要求的时间也低于常规时间的几分之一。所以它有用常规技术所不能达到的超凡效果。它所具有的优点是：能充分地获得优质的搅拌产品。
再者，由于处理液体沿容器内表面呈薄膜状，故如果对处理液体的加热或冷却来自容器的外面的话那么在夹套中流动用来加热或冷却的热交换工作介质和处理液体之间的热交换可以迅速而又均匀地进行。
根据本发明的设备，因为除了用作搅拌装置的涡轮之外在容器内没有采用运动部件，故利用上述方法采用一个简单结构即可获得上述效果。在这种设备中，处理液体所附着的部份仅仅只限于容器和涡轮。所以，用冲洗(或清洗)的方法所舍弃的处理液体数量不多，因而，产量不错且冲洗工作较容易。

Claims (14)

1．搅拌处理液体的方法包括：在容器(2)内以一足够的速度旋转的搅拌装置(6)，它将旋转运动传递给处理液体(L)，这样藉助于离心力使处理液体(L)以一大体上呈中空圆柱形的薄膜形式与容器(2)的内表面紧密接触；并在旋转运动中利用搅拌装置(6)的外缘端部搅拌此中空圆柱形处理液(L)薄膜。
2．按照权利要求1所述的搅拌处理液体的方法，其特征在于：足以将旋转运动传递给处理液体(L)时所需的速度约为20米/秒以上的圆周速度。
3．搅拌处理液体的设备包括：
用来盛装处理液体(L)的容器(2)；
在该容器(2)内旋转安装的搅拌装置(6)，该搅拌装置(6)具有一延伸并接近于容器(2)内表面的半径；和
用来旋转该搅拌装置(6)的驱动装置(7)。
4．按照权利要求3所述的搅拌处理液体的设备，其特征在于：该搅拌装置(6)以一足够的速度旋转从而将旋转运动传递给处理液体(L)，这样藉助于离心力使处理液体(L)以一大体上呈中空圆柱形的薄膜形式与容器(2)的内表面紧密接触，其中搅拌装置(6)的半径应符合下述条件：即大体上呈中空圆柱形薄膜状的处理液体(L)由搅拌装置(6)外缘部份所搅拌。
5．按照权利要求4所述的搅拌处理液体的设备，其特征在于足以将旋转运动传递给处理液体(L)时所需的速度约为20米/秒以上的圆周速度。
6．按照权利要求3所述的搅拌处理液体的设备，还包括有：沿容器(2)内表面而设置的阻流环(18)，该阻流环(18)安装在搅拌装置(6)的上方并从容器(2)的内表面向内伸出。
7．按照权利要求3所述的搅拌处理液体的设备，其特征在于：该搅拌装置包括带有凸块(61)的涡轮(6)，该凸块按大体向上和向下两个方向伸延的方式安装在涡轮(6)的外缘端部上。
8．按照权利要求3所述的搅拌处理液体的设备，其特征在于：该搅拌装置包括线轮。
9．按照权利要求3所述的搅拌处理液体的设备，还包括有：安装在容器(2)外表面上的夹套(19,20)，起热交换作用的工作介质在其内部流动。
10．按照权利要求3所述的搅拌处理液体的设备，其特征在于：容器(2)的内表面被做成至少有两个不同内径的阶梯形状，其特征还在于：该搅拌装置(6)可沿容器(2)的轴线移动。
11．按照权利要求10所述的搅拌处理液体的设备，还包括有：在容器(2)的至少部分内表面上安装有凸块(23)，以使凸块处在搅拌装置(6)外径之外的一定区域范围内。
12．按照权利要求10所述的搅拌处理液体的设备，还包括有：安装在该容器(2)外表面上的夹套(19,20)，起热交换作用的工作介质在其内部流动。
13．按照权利要求10所述的搅拌处理液体的设备，其特征在于：该搅拌装置包括具有凸块(61)的涡轮(6)，该凸块安装在涡轮(6)的外缘端部上，大体上按上下两个方向延伸。
14．按照权利要求10所述内搅拌处理液体的设备，其特征在于：该搅拌装置包括有一个线轮。
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