CN100369661C - 用于生产固体悬浮液的搅拌容器 - Google Patents

Abstract

一种用于生产具有均匀浓度的液体中的固体悬浮液的搅拌容器。该容器包含垂直的圆柱形罐，该罐具有形成保持液体中的固体悬浮液的内部的侧壁和底部，底部具有倾斜表面；用于给该罐供应固体和液体的装置；多个设于该罐的内部且延伸该罐的长度的固定挡板；垂直地安装在垂直的圆柱形罐的内部的中心处的转动轴；一个涡轮型叶轮，该叶轮具有从转动轴放射状伸出的垂直叶片，叶片的下边缘进行轮廓加工以匹配底部的倾斜表面的斜度，且使叶轮的下边缘接近底部；以及出口。该搅拌容器以比传统设计更低的功率需求且在低剪切环境下获得了均匀浓度的悬浮液。该容器尤其适于处理漂浮固体，以及使易碎产品的损坏减小到最小。

Description

用于生产固体悬浮液的搅拌容器

技术领域

本发明涉及一种用于生产有均匀浓度的液体中的固体悬浮液的混合设备。

背景技术

许多化学工艺包含使固体悬浮在液体中的混合操作工序，比如混合、结晶化、反应和浆液悬浮。处理漂浮的固体通常是混合操作的一个重要方面。固体可能由于多种原因而漂浮，包括低固体密度、低体积密度和/或特定固体的非润湿特性。这样的固体漂浮在暴露于空气的液体表面上，经历比如空气污染的作用。制成这种材料的浆液的能力通常需要浸没、除气和分散。分散漂浮固体的现有解决方案认为需要使用多级叶轮。大多数现有技术的装置将一叶轮定位在接合漂浮固体的液体/空气表面，且将至少一个其他叶轮定位在液体的表面之下，以便当浸没固体后继续混合固体。然而，对于许多操作来说，这种搅拌导致高剪切的情况，致使产品损坏，特别是固体是易碎的固体颗粒时。如果该混合设备用于输送操作中，其中分批操作可能经过数小时的停工时间，同时承受延长期限的搅拌，那么这种情况尤为准确。具有用于混合固体和液体的多个叶轮的现有设计方案在美国专利US5399014(Takata等人)、US4614439(Brunt等人)、US4934828(Janssen)和US4552463(Hodson)中进行了描述。有高能量输入到浆液中的混合过程可以提高均匀性，但如果发生产品损坏将是不希望的。

而且，如果在化学工艺中该混合罐用作另一操作比如干燥操作的供料罐，那么需要防止固体沉淀在罐的底部。在一批操作结束时固体易于保留在罐中，且从一批到另一批不断积累。这是一种不稳定的情况，这种情况可能造成批与批之间的不均匀性，且当浆液中的固体浓度随着时间的过去而变得太高时，最后必须通过停止该工艺并清洗罐而加以解决。可以保持均匀的悬浮或者使沉淀的固体重新悬浮的搅拌容器是所希望的。

现在需要这样一种搅拌容器，该容器能在罐内的液体中以及在离开罐的流出液流中产生均匀的固体浓度。该系统应当提供均匀的浓度，而不管固体是否易于漂浮或下沉。从在混合罐中的最高液面到在该罐中尽可能低的液面，应当保持这一均匀的浓度。该设计方案应当在罐中形成最大的工作容积，且当罐排空时在罐的底部留有最少的浆液积聚。最后，该系统应当产生一种低剪切的环境，以避免产品损坏。

发明内容

本发明提供了一种用于生产具有均匀浓度的在液体中的固体悬浮液的搅拌容器。该容器包含垂直的圆柱形罐，该罐具有形成用于保持液体中的固体悬浮液的内部的侧壁和具有倾斜表面的底部；用于给罐供应固体和液体的装置；多个位于所述罐的内部且垂直地延伸所述罐的长度的固定挡板；垂直地安装在所述垂直的圆柱形罐的内部的中心处的转动轴；具有从所述转动轴放射状伸出的垂直叶片的一个涡轮型叶轮，所述叶片下边缘的轮廓匹配底部的所述倾斜表面的斜度，且定位成使叶轮的下边缘接近底部；以及出口。

可取的是，叶轮和挡板一起在罐内产生沿侧壁大致从底部到顶部的悬浮液的流动。

在一优选实施例中，出口位于侧壁上大约在叶轮的高度处，用于排出具有均匀浓度的悬浮液。

附图说明

图1是根据本发明搅拌容器的优选实施例的剖面图。图中示出了容器内悬浮液循环的模式；

图2是示出了有4片垂直的扁平叶轮叶片的第一种布置方案的局部平面图；

图3是示出了有6片垂直的弯曲叶轮叶片的第二种布置方案的局部平面图；

图4是示出了其中挡板相对于侧壁的垂直方向成一角度定位的优选实施例的搅拌容器的剖面图；以及

图5是示出了使用本发明的搅拌容器的总体工艺示意图。

具体实施方式

参照图1，示出了本发明的搅拌容器10的优选实施例，该容器用于生产或可选择地供应具有均匀浓度的在液体中的固体悬浮液。

在本发明中，术语固体悬浮液表示固体颗粒材料在整个液体介质中的分布。本发明最好产生作为最终产品的均匀浓度的悬浮液，然后从搅拌容器10中送出该悬浮液而使用。然而，在实现了分布之后，混合操作可以继续实现颗粒尺寸的减小，导致产生弥散或甚至如果固体和液体的性质允许则溶解。或者，该搅拌容器10可以用在致使颗粒尺寸长大的环境中，比如该容器作为结晶器使用，在这种情况下成长的颗粒在整个培养液中保持散布而不损坏颗粒。

搅拌容器10包括垂直的圆柱形罐1，该罐具有形成用于保持液体中的固体悬浮液的内部6的侧壁3和底部4，该底部具有倾斜表面5。在一优选实施例中，底部4具有倾斜的直线表面，即如图所示大约15度的锥形形状，但其他的具有倾斜表面的设计也是有用的，比如形成盘形的平滑曲线。该设备还设有给该垂直的圆柱形罐1供应液体和固体的装置。该用于给垂直的圆柱形罐供应液体和固体的装置可包括一盛有液体和固体组份的容器。所述液体和固体可以通过一个供料入口2送入罐中。或者，固体和液体可以通过分别用于供应固体和液体的任何适当的系统(未示出)供应，且对于固体和液体来说可以使用不同的入口。

多个固定挡板7位于罐1的内部6中，且延伸所述罐的长度，接近该锥形底部，以便确保悬浮液朝液体表面向上流动，这将在后面解释。在一优选实施例中，四个全长的等间距间隔开的挡板7安装在侧壁附近但偏离侧壁，以便允许在挡板7后流动。在该优选实施例中，挡板偏离侧壁约1.5英寸，且延伸至锥形底部的0.5英寸内。与普通混合器中的通常是容器直径的1/12的挡板相比，本发明优选实施例的挡板较窄。每一挡板的宽度最好小于罐直径的8％，且在该优选实施例中是6.6％。

如图1所示挡板通常沿侧壁3的垂直方向定位。然而，在如图4所示的优选构造中，挡板以微小角度(约10度)相对于侧壁的垂直方向定位。图4是具有四个等距间隔的挡板27的垂直罐21的正面图。侧部挡板标记为27S。前部挡板27F和后部挡板27R示为偏离侧壁3的垂直方向10度定位，该角度是从底部到顶部在箭头A所示的叶轮转动方向上所成的角度。已经发现稍倾斜的挡板有助于浆液的流动且使阻塞最小化。

参照图1，转动轴8垂直地定位在该垂直的圆柱形罐1的中心处，且通过安装在混合罐的顶部、由马达11驱动的齿轮箱9转动。其转动方向由箭头A示出。一个具有从转动轴8放射状伸出的垂直叶片13的涡轮型叶轮12这样定位，即使叶轮叶片的下边缘15尽可能接近罐的底部4，但仍然能够流畅地转动。叶轮叶片13的轮廓形成为匹配罐的底部4的倾斜表面的斜度。该叶轮最初产生悬浮液的径向流动。然而，如在下文将讨论的，垂直延伸的挡板与位于罐的底部的叶轮一起使整个容器产生沿侧壁3大致从底部到顶部的流动。叶轮充分接近罐的底部定位，从而抑制叶轮下面的流动。可取的是叶轮叶片13的下边缘15与罐的底部的紧密间隙为0.5至3英寸，最好是0.5至1英寸，以减少罐内的固体积聚，特别是液体面18下降时。

叶轮12是垂直的涡轮形式，在图2中以平面图的形式示出了一个由间隔90度的4片垂直的扁平叶片3构成的实施例。每一垂直叶片的内侧部分14连接于驱动轴8，且每一叶片13的底边缘15倾斜，从而匹配罐底部的倾斜表面的斜度。

在一优选实施例中，本发明的叶片较窄。沿外边缘16测量的叶片宽度与整个叶轮直径的比值在1/12和1/3之间，最好是1/8和1/4之间。整个叶轮直径较大，其中叶轮直径至少等于所述圆柱形罐的直径的60％。

在图3中示出了叶片的另一构造形式，其中叶轮由6片垂直的弯曲(通常也称作“向后倾斜的”)叶片13’构成。如图所示的曲率半径是在沿转动的平面的方向上。叶轮叶片13’的底边缘的轮廓仍然匹配罐的底部的倾斜表面的斜度。

出口20位于侧壁上约在叶轮12的高度处(最好沿垂直轴线约在叶轮的中点处)，使得叶轮朝出口径向泵送，允许悬浮液连续排出且在流出罐的液流中保持均匀的浓度。如图1所示，出口20最好是具有伸入罐内且伸入叶轮产生的径向流中的汲取管19的侧部喷嘴。

本发明的设备还包括冲洗口17，其与出口20相比具有较大的直径，以提供较大的输出。在容器的常规操作中通常不使用冲洗口17，但用于偶尔的清洗和冲刷容器，希望在一个单元操作中快速去除所有内容物。

本发明的搅拌容器可以有效地用于多种化工生产工艺中。如图5所示，典型的工艺流程图可能包括第一操作50、输送罐51和第二操作52。在该示意图中，输送罐51具有图1所述的搅拌容器，以便产生均匀浓度的悬浮液。第一操作可以是例如反应器、结晶器或制粒器。第二操作可以是例如干燥器、筛分器、过滤器或倾析器。

本发明的搅拌容器和叶轮叶片通常由碳钢、不锈钢或适于腐蚀应用场合的合金，比如HASTELLOY^、INCONEL^等制成。对于某些极端应用场合，可以使用钛。由涂层钢制成的设备同样可以用于特定的应用场合，且涂层可以是例如玻璃、玻璃纤维、含氟聚合物或弹性体。该容器也可以由玻璃纤维构成。

如图1所示，根据本发明的搅拌容器赋予悬浮液以独特的循环形式，能够产生且保持固体在液体中的均匀浓度。该循环模式包括在垂直的圆柱形罐1内沿侧壁3大致从底部到顶部的流动模式。在液体/空气表面处形成旋涡V，导致漂浮的固体浸没且在朝叶轮12的急转盘旋S中下拉。叶轮朝挡板7径向向外推动悬浮液到达侧壁3。挡板延伸该罐的长度，有助于将悬浮液从罐的底部到顶部直着向上扫掠，在此悬浮液再次遇到旋涡，致使再次浸没在向下的盘旋中。

在大多数操作中，悬浮液经受一定时间的搅拌，直到希望从该搅拌容器中排出悬浮液。具有均匀浓度的液体中的固体悬浮液可以从侧壁上的出口20连续排出，因为如该循环模式所示，叶轮12沿所述方向径向推动悬浮液，所以几乎没有机会使固体积聚在罐的底部。随着悬浮液液面的下降同样可以保持如图1所示的整个循环模式。以恒定速度泵出悬浮液，从而使通过汲取管19的尺寸调整的悬浮液的排出速度等于接近出口的速度，以便保持出口处的颗粒浓度变化较小。如果需要，然后排出容器的悬浮液可以以连续的计量方式供应到工艺链的下一步骤中。或者该悬浮液可以从容器中小批量地排出，然后送至另一工艺步骤，例如类似离心分离的分离步骤。同时保留在容器内的悬浮液保持良好的分布且固体不承受可能导致颗粒损坏的苛刻条件。

所述的容器与使用多个叶轮的现有技术不同，比如当一叶轮用在罐的上部时，一叶轮用在罐的底部。在这种现有装置中的循环模式易于形成两个混合区域：一个在顶部，一个在底部，在这两个混合区之间是一个分离的液体区。采用这种混合体系，液体中的固体浓度可能在整个罐内部变化。如果液体的液面下降到上部叶轮的高度之下，那么循环模式通常变化，且可能不利地影响混合。而且在普通的混合器中，随着液面下降通过上部叶轮，液体表面击打叶轮，导致产生很大的飞溅，可能导致固体积聚在侧壁上。

本发明的一个意外特征是以比传统设计更低的功率输入实现了固体的均匀浓度，传统的设计例如采用所谓的低剪切水翼叶轮。这种类型的设备例如在美国专利US4468130(Weetman)中示出。在对比试验中，本发明设计的具有1英尺(30cm)直径的容器和具有水翼叶轮的1英尺(30cm)直径的类似容器进行评价，以便比较功率消耗。如图2所示具有4片垂直的扁平叶轮叶片的轮廓加工过的叶轮如所述位于罐的下部。然而，水翼设计不允许轮廓加工，所以叶轮不能位于罐的下部。在试验的第一部分中，两容器都充填相同的水和固体浓度，以确定每一容器中实现均匀混合的速度。每一容器的最初速度是应当考虑的。在试验的第二部分，每一容器仅填充水且设定其初始速度，测量提供的DC电压和安培数。叶轮的功率消耗的计算包括对马达损失的校正。搅拌器也在偏离初始速度的不同速度下运行，测量功率损耗，以确定在初始速度下测量的精度。在该对比试验中使用的本发明设计的容器每单位体积的功率输入是每1000加仑3.2马力(0.64瓦/升)。在该对比试验中所用的具有水翼叶轮的容器的功率输入是每1000加仑5.4马力(1.1瓦/升)。本发明的轮廓加工过的垂直叶轮在水翼叶轮的功率需求的约60％时，具有同等的混合水平。

可取的是，本发明的容器的功率输入在每1000加仑0.1至50马力(0.2-10瓦/升)的范围内，更可取的是在每1000加仑2.5至18马力(0.5-3.5瓦/升)的范围内。所述的容器导致对产品产生更低的损坏和更低的功率消耗。因为垂直的涡轮型叶轮通常是以其高剪切和高功率特性所公知的，所以该结果是出人意料的。

另一意外特征是通过将一个叶轮置于罐的紧底部，实现了漂浮固体的良好浸没。采用多个叶轮的现有技术方案将上部叶轮放在顶面下方约其直径的1/2距离处，以帮助泵送固体进入大部分罐中。

而且，意外的是，即使当液体的液面下降到叶轮的高度时，或者当它下降到叶轮的顶部之下时，仍然可以有效地从罐中去除悬浮液，同时保持液体中固体的均匀浓度。在罐下部处，本发明的搅拌容器将残留的浆液朝侧壁推向出口，同时飞溅最小。在使用普通的水翼或倾斜叶片的涡轮的现有设计中，例如美国专利US5297938(Von Essen等人)所示，当液面下降到叶轮处时产生过大的飞溅，可能导致对产品的损坏。在现有设计中，当液面下降到叶轮下方时，固体和液体可能分离，从而破坏浓度的均匀性。由于当丧失混合均匀性时液体优先排出(用于漂浮固体)，所以很大的固体残余物将留在罐内。采用本发明，避免了在罐底部的固体积聚。即使在罐内非常低的液面下也能实现良好的混合。这种设计在罐内提供了最大的工作容积，且当罐排空时使罐的底部保留最小的固体残余物。

本发明能排出高达95％的形成的悬浮液。因此，当该搅拌容器用作混合且给分批处理中的另一步骤供应的装置时，存在着一将与引入的一批相结合的最少残余物。从而使前一批积累的材料的加工过度和退化现象最小化。

所述的搅拌容器可以用于在液体中悬浮任何类型的固体，尤其用于悬浮漂浮固体。漂浮固体指的是具有漂浮趋势的颗粒或结块。这种漂浮固体可以是低固体密度或低体积密度或具有非润湿特性。该容器尤其适于悬浮非润湿固体。非润湿固体指的是固体排斥正在混合的液体介质。由于表面现象而使非润湿固体承受向上的力，该力使它们漂浮在界面上，而不管其密度如何。当浸没时，经常发现它们周围包覆着气膜，这降低了它们的有效密度。这样，它们具有低密度、漂浮固体的性质。固体结块可能具有非润湿固体的性质，直到它们被散布。

除了使用搅拌容器获得均匀的悬浮液浓度之外，该容器也可用于促进溶解、结晶化和化学反应。对于需要良好溶解的工艺来说，颗粒需要紧密接触所要溶解它们的液体。本发明使溶解颗粒沉淀或漂浮减小到最低程度。因为基本上消除了通过沉淀固体床的扩散，所以溶解时间最小化。本发明的叶轮增加了液体和颗粒的接触，降低了功率消耗。作为结晶器，该容器形成晶体形成、成长和悬浮的环境，而没有可能导致成长的晶体损坏的高剪切。当晶体达到特定尺寸时，晶体可以在均匀浓度的悬浮液中连续排出，供应到干燥工序，比如过滤器或干燥器传送带。本发明的容器尤其适用于多种沉淀和结晶工艺中，制造农业和药用产品。可以在本发明的容器中制成的多种类型的结晶产品包括例如己二酸、硫酸钙、硫酸钡和氰化钠。

所述容器也可以在聚合物产品比如聚苯乙烯、聚四氟乙烯等的加工过程中用作反应器或传送罐。

在聚合物工艺中，比如上述聚四氟乙烯(PTFF)的生产中，有多个加工步骤，在各步骤中以多种形式比如精细切割的粒状树脂或球化的粒状树脂提供聚合物。在这些工艺中PTFF通常作为水中的漂浮固体产品的悬浮液进行处理，且在搅拌容器内混合。当单批次需要保持时间且随后送到筛分和干燥操作时，本发明的容器能用作传送罐。希望从这种供应罐排出的固体的均匀浓度保持稳定且以最大的吞吐量连续进行筛分和干燥操作。在此所述的这种混合产生了批与批之间的均匀性，同时避免了对易碎产品的高能输入。

本发明的搅拌容器还用于生产现场发泡珠的过程中，比如生产可膨胀的聚苯乙烯模制成的用作包装材料的颗粒。该工艺包括给盛有悬浮剂的热水的容器添加圆柱形热塑性聚合物颗粒，随后添加发泡或起泡剂。将该容器加热到聚合物的玻璃态转化温度之上，在加热循环过程中颗粒从圆柱形变成球形。成批产品在外界温度下冷却、通风，以去除过多余的易燃的起泡剂，然后回收发泡珠。采用现有技术的装置，不能实现这些漂浮固体的理想悬浮状态，这可通过在壁、轴、挡板和叶轮上成块的颗粒结块来证明。如果悬浮状态特别不均匀，那么可能发生大块结壳或颗粒结块，在液体的顶面上形成实体桥接层。与本发明设计的搅拌容器相比，聚合物颗粒在整个容器中均匀地分布，且顶面附近的固体颗粒保持恒定的运动和连续地润湿，且被悬浮液体更新，避免形成结块或硬壳。

Claims (15)

1.一种用于生产具有均匀浓度的液体中的固体悬浮液的搅拌容器，该容器包含：

垂直的圆柱形罐，该罐具有形成保持液体中的固体悬浮液的内部的侧壁和底部，底部具有倾斜表面；

用于给所述罐供应固体和液体的装置；

多个设于所述罐的所述内部且延伸所述罐的长度的固定挡板；

垂直地安装在所述垂直的圆柱形罐的所述内部的中心处的转动轴；

一个涡轮型叶轮，该叶轮具有从所述转动轴放射状伸出的垂直叶片，所述叶片的下边缘进行轮廓加工以匹配所述底部的所述倾斜表面的斜度，且定位成使叶轮的下边缘接近所述底部；以及

出口，所述出口位于所述侧壁上并在所述叶轮的高度处，用于排出具有均匀浓度的所述悬浮液。

2.如权利要求1所述的容器，其特征在于，所述叶轮和所述挡板一起在所述罐内产生沿所述侧壁完全从底部到顶部的所述悬浮液的流动。

3.如权利要求1所述的容器，其特征在于，所述底部具有锥形形状。

4.如权利要求1所述的容器，其特征在于，所述液体是水。

5.如权利要求1所述的容器，其特征在于，所述固体是漂浮固体。

6.如权利要求1所述的容器，其特征在于，所述内部具有四个等距间隔开的挡板。

7.如权利要求1所述的容器，其特征在于，所述挡板接近但偏离所述侧壁。

8.如权利要求1所述的容器，其特征在于，每一所述挡板的宽度小于所述罐的直径的8％。

9.如权利要求1所述的容器，其特征在于，所述挡板沿所述侧壁的垂直方向定位。

10.如权利要求1所述的容器，其特征在于，所述挡板以10度的角度相对于所述侧壁的垂直方向定位。

11.如权利要求1所述的容器，其特征在于，所述叶轮具有多个垂直的扁平叶片。

12.如权利要求1所述的容器，其特征在于，所述叶轮具有多个垂直的弯曲叶片。

13.如权利要求1所述的容器，其特征在于，所述叶轮具有至少等于所述圆柱形罐的直径的60％的直径。

14.如权利要求1所述的容器，其特征在于，所述叶轮以在0.2-10瓦/升范围内的功率输入运行。

15.如权利要求1所述的容器，其特征在于，所述叶轮以在0.5-3.5瓦/升范围内的功率输入运行。

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