CN106732296A - 一种刚柔组合式搅拌桨的高效搅拌装置 - Google Patents

一种刚柔组合式搅拌桨的高效搅拌装置 Download PDF

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杨勇
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Abstract

本发明涉及一种刚柔组合式搅拌桨的高效搅拌装置，包括与电机连接的搅拌轴，以及若干刚性搅拌桨叶片和穿孔柔性片。与现有技术相比，本发明的刚柔组合式搅拌桨，在旋转方向上的截面积由于柔性片打孔而减小，桨叶能耗减小，且该技术不仅具有刚性搅拌桨对流体的切割作用，还具有穿孔柔性片对流体的扰动作用和射流作用，穿孔柔性片能够产生许多高速射流，能够有效提高流体的速度梯度，增大体系的湍动程度，强化桨叶能量的传递过程，提高物料的混合效率，缩短物料的混合时间，在更低的转速条件下实现较好的物料混合效果。

Description

一种刚柔组合式搅拌桨的高效搅拌装置
技术领域
本发明涉及到化工、冶金、医药、食品加工等过程工业中相关工艺流程的搅拌装置。
背景技术
搅拌反应器是典型的化工操作单元之一，是化工、冶金、医药、食品加工等过程工业中相关工艺流程的核心设备。搅拌桨作为搅拌反应器的核心部件，它向搅拌内的物料提供所需的能量并形成一定的流场。传统搅拌反应器内的搅拌桨是刚性搅拌桨，研究发现，刚性搅拌桨在旋转过程中在桨叶的背后易形成较大的桨叶尾涡，使能量桨叶的70％左右的能量耗散在桨叶尖端，能量难以有效传递到流场远处，能量利用率较低。
研究发现，穿流桨在旋转过程中，桨叶背后可形成许多高速射流，增大搅拌槽内流体的速度梯度，增强混合体系的湍动程度，强化桨叶能量的传递过程，提高桨叶的能量利用率。研究也发现，柔性体在流场中可形成明显不同于刚性桨的涡结构，其多尺度流场结构不稳定性增强，可强化流体混沌混合。本技术在已有技术的基础上，进一步对搅拌桨的结构进行优化，创造性的提出了穿孔柔性片式-刚柔组合式搅拌桨，该刚柔组合式搅拌桨在旋转过程中，在旋转方向上的截面积由于柔性片打孔而减小，桨叶能耗减小，且该技术不仅具有刚性搅拌桨对流体的切割作用，还具有穿孔柔性片对流体的扰动作用和射流作用，穿孔柔性片能够产生许多高速射流，能够有效提高流体的速度梯度，使流场中产生更多数量的小漩涡，增大体系的湍动程度，强化桨叶能量的传递过程，提高搅拌槽内的物料混合效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种能提高物料混合效率、缩短物料混合时间的穿孔柔性片式-刚柔组合式搅拌桨。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种刚柔组合式搅拌桨的高效搅拌装置，包括与电机连接的搅拌轴，以及若干刚性搅拌桨叶片和穿孔柔性片。
所述搅拌轴上具有若干个节点。每一个节点的四周，呈辐射状地连接若干个刚性搅拌桨叶片。这些刚性搅拌桨叶片构成刚性搅拌桨。
每一个刚性搅拌桨叶片远离搅拌轴的一端连接两片穿孔柔性片。所述穿孔柔性片具有若干孔洞。
进一步，所述节点处具有一个嵌套并连接在搅拌轴上的刚性圆盘。所述刚性搅拌桨叶片固定在所述圆盘的四周。
进一步，所述刚性搅拌桨叶片和穿孔柔性片均为矩形。
进一步，所述刚性搅拌桨叶片远离搅拌轴的一端具有若干螺栓孔，所述穿孔柔性片上具有与刚性搅拌桨叶片配合的螺栓孔。与一片刚性搅拌桨叶片连接的两片穿孔柔性片夹在改刚性搅拌桨叶片的两侧，并通过螺栓，将一片刚性搅拌桨叶片和两片穿孔柔性片连接在一起。
进一步，所述穿孔式柔性片的宽度与刚性搅拌桨的宽度相等，所述宽度的测量方向是搅拌轴的轴向方向。
进一步，所述穿孔式柔性片的长度是刚性搅拌桨桨叶长度的1/4～3/4倍，所述长度的测量方向是搅拌轴的径向方向。
进一步，所述穿孔式柔性片的厚度不低于0.5mm。所述穿孔式柔性片上的孔洞的孔径为2～8mm。所述穿孔式柔性片的孔隙率为4～16％。
进一步，所述穿孔式柔性片的材质为钢丝网、四氟乙烯、氯丁橡胶、丁苯橡胶、硅胶或PVC等。
进一步，所述节点的层间距为T/3～T/2，T为搅拌槽的直径。
从上述方案中可以看出，本发明在现有的刚柔组合桨的基础之上，把现有的柔性片进行打孔改为穿孔式柔性片。刚柔组合式搅拌桨在旋转过程中，在旋转方向上的截面积由于柔性片打孔而减小，桨叶能耗减小，且该技术不仅具有刚性搅拌桨对流体的切割作用，还具有穿孔柔性片对流体的扰动作用和射流作用，穿孔柔性片能够产生许多高速射流，增大了混合体系的速度梯度，提高了混合体系的湍动程度，使流场中产生很多小漩涡，强化了桨叶能量的传递过程，增大了桨叶能量利用率，进而提高了物料的混合效率，缩短了物料的混合时间。与现有技术相比，本发明能够有效提高混合体系的速度梯度，增大混合体系的湍动程度，强化桨叶能量的传递过程，提高物料的混合效率，缩短物料的混合时间，在更低的转速条件下实现较好的流体混合效果。
附图说明
图1——本发明的刚柔组合式搅拌桨的搅拌装置示意图。
图2——本发明的刚柔组合式搅拌桨结构示意图。
图3——本发明的刚柔组合式搅拌桨结构俯视图。
图4——现有技术搅拌桨的结构示意图。
图中：电机1、搅拌轴2、挡板3、刚性搅拌桨叶片4、螺栓5、穿孔柔性片6、搅拌槽7。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1:
一种刚柔组合式搅拌桨的高效搅拌装置，包括与电机连接的搅拌轴2，以及若干刚性搅拌桨叶片4和穿孔柔性片6。
所述搅拌轴2上具有若干个节点。每一个节点的四周，呈辐射状地连接若干个刚性搅拌桨叶片4。这些刚性搅拌桨叶片4构成刚性搅拌桨。
所述刚柔组合式搅拌桨柔性部分是穿孔式柔性片，它是将柔性片进行打孔，改为穿孔式柔性片6。在桨叶旋转过程中，穿孔式柔性片可形成许多高速射流，增大流体的速度梯度，提高流体的湍动程度，强化桨叶能量传递过程。
参见图1，所述搅拌轴由电机驱动，并伸入搅拌槽7中旋转。所述搅拌轴2具有三个节点，每个节点间距为搅拌槽直径的1/3～1/2。每一个刚性搅拌桨叶片4远离搅拌轴2的一端连接两片穿孔柔性片6。所述穿孔柔性片6具有若干孔洞。所述刚性搅拌桨叶片4远离搅拌轴2的一端具有若干螺栓孔，实施例中，所述穿孔柔性片6上具有与刚性搅拌桨叶片4配合的螺栓孔。与一片刚性搅拌桨叶片4连接的两片穿孔柔性片6夹在改刚性搅拌桨叶片4的两侧，并通过螺栓，将一片刚性搅拌桨叶片4和两片穿孔柔性片6连接在一起。
所述穿孔式柔性片6的材质为钢丝网、四氟乙烯、氯丁橡胶、丁苯橡胶、硅胶或PVC等。
值得说明的是，本发明在现有的刚柔组合桨的基础之上，采用穿孔式柔性片，刚柔组合式搅拌桨在旋转过程中，在旋转方向上的截面积由于柔性片打孔而减小，桨叶能耗减小，且该技术不仅具有刚性搅拌桨对流体的切割作用，还具有穿孔柔性片对流体的扰动作用和射流作用，穿孔柔性片能够产生许多高速射流，使流场中产生很多小漩涡，强化了桨叶能量的传递过程，增大了桨叶能量利用率，进而提高了物料的混合效率，缩短了物料的混合时间。
实施例2：
本实施例的主要结构同实施例1，进一步地：
所述穿孔式柔性片6的宽度与刚性搅拌桨4的宽度相等，所述宽度的测量方向是沿着搅拌轴2的轴向方向。这样既能保证桨叶柔性部分有足够的“横扫”宽度，又能保证穿孔式柔性片6与刚性搅拌桨4之间的连接强度。采用螺栓5固定时，应根据需要或为更加牢固添加垫圈。
进一步讲，所述穿孔式柔性片的长度是刚性搅拌桨桨叶长度的1/4～3/4倍，所述长度的测量方向是沿着搅拌轴2的径向方向。在这种情况下，能够保证穿孔式柔性片不断作多体运动，当穿孔式柔性片6过短，桨叶的剪切作用增大，柔性部分的抖动行为减弱，难以将桨叶能量传递到流场远处；当穿孔式柔性片6过长，穿孔式柔性片6剪切作用较小，在桨叶附近难以产生高速射流，且桨叶的运动阻力增大。穿孔式柔性片6的长度是刚性搅拌桨4桨叶长度的1/4～3/4倍时，体系的物料混合效果较好。
进一步讲，穿孔式柔性片6的厚度不低于0.5mm，要保证能够出现抖动但分散能力又不会太弱。
进一步讲，穿孔式柔性片6的孔径为2～8mm。当孔径过大，孔流速度较小，不能形成足够的速度梯度，也没有足够的剪切应力，局部涡流扩散强度不足；而孔径过小，消耗于流体与孔边边缘摩擦能量增大，能量利用率下降。穿孔式柔性片6的孔径为2～8mm时，体系的物料混合效果较好。
更进一步讲，穿孔式柔性片6的孔隙率为4～16％。孔隙率过大会降低主体对流扩散量，即使涡流扩散很强也只局限在桨叶附近，不可能在全槽范围内将固体颗粒完全悬浮；开孔率过低不能形成足够多的小漩涡，达不到涡流扩散的目的。穿孔式柔性片6的孔隙率为6～16％时，体系的物料混合效果较好。
所述刚柔组合式搅拌桨的层间距为T/3～T/2，T为搅拌槽的直径。通过试验发现，当相邻刚柔组合式搅拌桨之间的层间距过小时，在桨叶局部范围内的轴向循环得到增强，但不能在全槽范围内引起轴向循环，搅拌槽7上部的流体混合效果较差；当相邻刚柔组合式搅拌桨之间的层间距过大时，在搅拌槽较大范围内能够引起流体运动，但相邻刚柔组合式搅拌桨容易形成轴向循环的“断层”，进而形成对称性流场。刚柔组合式搅拌桨的层间距在T/3～T/2之间，体系的物料混合效果较好。
实施例中，搅拌槽槽径为0.48m，槽高为1m，挡板宽度3为0.048m的圆柱形敞口搅拌槽内，溶液为1％的羧甲基纤维素钠溶液，液体高度0.5m，搅拌转速60rpm，通过酸碱脱色实验测定混合时间，以此表征搅拌桨的混合性能。实验结果见表1。
表1混合时间对比实验
从表1实验结果可以看出，在相同搅拌转速条件下，本发明公开的穿孔柔性片式-刚柔组合搅拌桨与原有刚柔组合搅拌桨相比，体系的混合时间缩短了14.29％。

Claims (9)

1.一种刚柔组合式搅拌桨的高效搅拌装置，其特征在于:包括与电机连接的搅拌轴(2)，以及若干刚性搅拌桨叶片(4)和若干穿孔柔性片(6)；
所述搅拌轴(2)上具有若干个节点；每一个节点的四周，呈辐射状地连接若干个刚性搅拌桨叶片(4)；这些刚性搅拌桨叶片(4)构成刚性搅拌桨；
每一个刚性搅拌桨叶片(4)远离搅拌轴(2)的一端连接两片穿孔柔性片(6)；所述穿孔柔性片(6)具有若干孔洞。
2.根据权利要求1所述的一种刚柔组合式搅拌桨的高效搅拌装置，其特征在于：所述节点处具有一个嵌套并连接在搅拌轴(2)上的刚性圆盘；所述刚性搅拌桨叶片(4)固定在所述圆盘的四周。
3.根据权利要求1或2所述的一种刚柔组合式搅拌桨的高效搅拌装置，其特征在于：所述刚性搅拌桨叶片(4)和穿孔柔性片(6)均为矩形。
4.根据权利要求1或3所述的一种刚柔组合式搅拌桨的高效搅拌装置，其特征在于：所述刚性搅拌桨叶片(4)远离搅拌轴(2)的一端具有若干螺栓孔，所述穿孔柔性片(6)上具有与刚性搅拌桨叶片(4)配合的螺栓孔；与一片刚性搅拌桨叶片(4)连接的两片穿孔柔性片(6)夹在改刚性搅拌桨叶片(4)的两侧，并通过螺栓，将一片刚性搅拌桨叶片(4)和两片穿孔柔性片(6)连接在一起。
5.根据权利要求1或3所述的一种刚柔组合式搅拌桨的高效搅拌装置，其特征在于：所述穿孔式柔性片(6)的宽度与刚性搅拌桨(4)的宽度相等，所述宽度的测量方向是搅拌轴(2)的轴向方向。
6.根据权利要求1或3所述的一种刚柔组合式搅拌桨的高效搅拌装置，其特征在于：所述穿孔式柔性片的长度是刚性搅拌桨桨叶长度的1/4～3/4倍，所述长度的测量方向是搅拌轴(2)的径向方向。
7.根据权利要求1或3所述的一种刚柔组合式搅拌桨的高效搅拌装置，其特征在于：所述穿孔式柔性片(6)的厚度不低于0.5mm；所述穿孔式柔性片(6)上的孔洞的孔径为2～8mm；所述穿孔式柔性片(6)的孔隙率为4～16％。
8.根据权利要求1或3所述的一种刚柔组合式搅拌桨的高效搅拌装置，其特征在于：所述穿孔式柔性片(6)的材质为钢丝网、四氟乙烯、氯丁橡胶、丁苯橡胶、硅胶或PVC等。
9.根据权利要求1或3所述的一种刚柔组合式搅拌桨的高效搅拌装置，其特征在于：所述节点的层间距为T/3～T/2，T为搅拌槽的直径。
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