CN101190403B - 一种高效流体混合搅拌叶片单元 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高效流体混合搅拌叶片单元，其基本结构包括均匀固定于搅拌器轮毂上的搅拌叶片，其特征在于：每个叶片上设置一个或多个锥形射流孔或引射管，叶片背面对应射流孔或引射管的位置设置混合器。本发明极大的提高了气液的初级分散效果，由此得到的初级涡流体大幅的减小，提高了气液传质效果，节省了搅拌功率。同时，在叶片背侧的射流和混合器所配合所形成的叶片背侧的特定流场，可有效抑制“气穴”形成。

Description

一种高效流体混合搅拌叶片单元

技术领域

本发明涉及一种高效流体混合搅拌叶片单元，属流体混合装置领域，特别涉及气液两相混合搅拌装置。

背景技术

气液的混合与传质操作广泛应用于石油化工、生物制药、轻工食品等行业，诸如生物发酵、污水处理、氧化、加氢反应等工艺过程。在这些工艺过程中大都是将液体作为连续相盛装在搅拌槽中，将气体作为分散相引入搅拌槽，并在搅拌槽内设置机械搅拌来实现气液的分散与传质。搅拌槽中的气液分散都是气液接触后在搅拌器区域通过强烈的剪切进行初级分散得到初级涡流体，之后再通过流体湍流进一步的被剪切成最小涡流体分散至整个搅拌槽，需要消耗大量的搅拌功率用于从初级涡流体进一步剪切至最小涡流体的过程。

按照气穴理论，气体并非直接被搅拌桨叶剪碎而得到分散的，气泡的分散首先是在桨叶背面形成较为稳定的气穴，气穴在尾部破裂，形成富含小气泡的分散区，这些小气泡在离心力的作用下被甩出，之后再参与到搅拌槽内的宏观混合中。叶片背侧附着的气穴，将使叶轮的泵送能力下降，直接影响气液两相的分散与传质效果。当气穴大到一定程度时，可将整个搅拌叶轮包围，搅拌器近乎空转，基本完全失效。

现有技术中用于气液混合的搅拌器几乎都不可避免的存在“气穴”的影响。但在所有已有技术中所采取的措施也只限于通过优化搅拌叶片的形状来一定程度的抑制“气穴”的形成。其中，最有成效的是最近国外开发的半圆管涡轮桨和抛物线涡轮桨，其叶片外形为向叶片背侧呈流线型的外凸状，有效的消减了叶片背侧的气穴，强化了其气液分散的能力。但是为了适应消减气穴的需要而缩小搅拌叶片形状的设计空间，可能会影响搅拌槽中的宏观混合。所以，如何以更优的方案回避气穴的影响，也一直都被作为开发新型搅拌装置的重要研究方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效流体混合搅拌叶片单元，实现在尽量小的功耗下达到尽量高的气液传质系数，设法强化气液的初级分散，使初级涡流体尽量的小，同时在尽量不影响叶片形状设计空间的前提下，减小气穴的影响。

解决上述技术问题的技术方案是：这种高效流体混合搅拌叶片单元，其基本结构包括均匀固定于搅拌器轮毂上的搅拌叶片，其特征在于：每个叶片上设置一个或多个直径逆搅拌旋转方向逐渐缩小的锥形射流孔或引射管，叶片背面对应射流孔或引射管的位置设置混合器。

所述的高效流体混合搅拌叶片单元，所述的搅拌叶片为实心或空心结构。

所述的高效流体混合搅拌叶片单元，所述的搅拌叶片的形状为直平叶面、斜平叶面、弯叶面、折叶面、弧形面或抛物面。

所述的高效流体混合搅拌叶片单元，所述的射流孔或引射管的轴线为直线或曲线，截面为圆形、椭圆形或其他封闭多边形。

所述的高效流体混合搅拌叶片单元，所述的射流孔或引射管的轴线与搅拌叶片以大于10°相交。

所述的高效流体混合搅拌叶片单元，所述的射流孔或引射管内轴线方向设置有扰流翅片。

所述的高效流体混合搅拌叶片单元，在实心搅拌叶片上设置有贯穿叶片厚度的一个或多个锥形射流孔或引射管，所述的混合器通过支架连接在对应射流孔或引射管位置。

所述的高效流体混合搅拌叶片单元，在一侧空心搅拌叶片正面设置有一个或多个锥形射流孔或引射管，所述的混合器直接连接在对应射流孔或引射管位置的另一侧空心搅拌叶片背面。

所述的高效流体混合搅拌叶片单元，在一侧空心搅拌叶片背面设置有一个或多个锥形射流孔或引射管，所述的混合器通过支架连接在对应射流孔或引射管位置的同一侧搅拌叶片背面。

所述的混合器为横截面为圆形、椭圆形或其他封闭多边形的管状物，内装静态混合元件，优选肯尼斯型混合元件。

本发明的技术进步效果表现在：

1、本发明所涉及的混合搅拌叶片单元在工作时，机械搅拌混合、流体射流混合、静态混合器混合的混合机理同时起作用，可形成良好的气液的初级分散，使初级分散所得到的初级涡流体大幅减小，节省部分从初级涡流体进一步剪切至最小涡流体的搅拌功率。同时，可在搅拌槽内实现高效的气液分散与传质、成倍提高Ka值。

2、叶片背侧的射流与混合器的配合所形成的叶片背侧的特定流场可有效抑制“气穴”形成，提高搅拌叶轮的泵送能力、改善传质效果、降低气泛点搅拌转速。

3、本发明所涉及的混合搅拌叶片单元，搅拌叶片形状理论上可根据所期望的目标流型任意进行设计，避免了因回避“气穴”产生而在叶片形状设计上受到限制，以致影响整个搅拌槽的流型优化。

4、在搅拌叶片上开设贯通叶片厚度的射流孔或引射管的情况下，减小了桨叶在搅拌运动方向的投影面积，可降低搅拌叶轮所消耗的轴功率。

附图说明

图1是本发明混合搅拌叶片单元的结构示意图

图2是图1的俯视图

图3是图2中A部分的局部放大图实施方式之一

图4是图2中A部分的局部放大图实施方式之二

图5是图2中A部分的局部放大图实施方式之三

图6是图2中A部分的局部放大图实施方式之四

图7搅拌叶片的一种形状

图8是搅拌叶片的另一种形状

图9是搅拌叶片的第三种形状

图10是实心搅拌叶片的工作状况

图11是空心搅拌叶片的工作状况。

图中：

1、实心搅拌叶片11、空心搅拌叶片1-1、弧面搅拌叶片1-2、折叶面搅拌叶片2、混合器3、轮毂4、引射管5、扰流翅片6、肯尼斯混合元件7、射流孔12、空心搅拌轴13、搅拌槽14、挡板15、实心搅拌轴16、气体分布器17、进气管

具体实施方式

将气体引入搅拌槽的方式一般分为两种：一种是气体通过设在搅拌槽底部的气体分布器16加压鼓入，然后通过搅拌装置进行分散，如图10所示；另一种是气体通过空心搅拌轴12从槽外被吸入或加压鼓入，在搅拌器旋转所形成的负压区逸出，随后被搅拌器进一步分散，如图11所示。

针对上述两种情况和图7、8、9所示的现有技术中常用的搅拌叶片形状，本发明分别给出应用实例以说明本发明的具体应用方式；

实施例1：

适用于图10所示气体通过设在搅拌槽底的气体分布器16加压鼓入的工况，搅拌叶片1采用实心直平叶面形式固接在轮彀3上，射流孔7或引射管4贯穿搅拌叶片1的厚度，搅拌叶片上开设若干锥度为8度、横截面为圆形、直径逆搅拌旋转方向逐渐缩小的射流孔7，射流孔7轴线与叶片1平面垂直，射流孔7内壁上轴向安装三片周向均布的扰流翅片5用以分配整理液体射流。在叶片1背侧每个射流孔7后一定距离与射流孔7出口相垂直的轴线同轴安装内装肯尼斯元件6的横截面为圆形的混合器2，混合器2靠固定支架固定在叶片1的背侧，如图4所示。

如果将射流孔7换成引射管4，其连接关系如图3所示，这里给出的几种实施方式是：引射管4的轴线为直线或曲线，可根据需要与搅拌叶片以大于10°角相交。锥度为2-60度，优选8度，直径逆搅拌旋转方向逐渐缩小。引射管为光孔或在孔内壁上轴线方向设置有1-5片扰流片5。

当本发明上述结构的搅拌叶片单元以一定速度在搅拌槽内旋转时，在达到普通机械搅拌槽可达到的气液混合效果的同时，液体通过各叶片上的射流孔或引射管在叶片背部形成多股液体射流，占据了“气穴”形成的部分空间，并扰乱了叶片背侧负压区形成的环境，削弱了叶片背侧的负压程度，抑制了“气穴”的形成。同时由于多股液体射流的卷吸作用，叶片1背侧的液体及可能形成的残余“气穴”中的气体被液体射流强烈的卷吸并进行激烈的掺混，随即一同进入叶片1背侧的混合器2，在其中再次进行高效的分散与传质，将气泡分散至更小。由混合器2喷出的多股特定流型的涡流，在将细微气泡分散到搅拌槽其它区域的同时，还增强了搅拌槽内的整体湍动效果，可大幅强化提高搅拌槽内的气液分散效果和传质系数。

实施例2：

适用于图11所示气体通过空心搅拌轴12从槽外被吸入或低压鼓入，在搅拌器旋转所形成的负压区逸出，随后被搅拌器进一步分散的工况，搅拌叶片11采用空心直平叶面形式固接在轮彀3上，并与供应气体的空心搅拌轴12相连，引射管4锥度为8度、横截面为圆形、内孔为光孔、直径逆搅拌旋转方向逐渐缩小，引射管4垂直设置在空心搅拌叶片的前侧表面上，叶片背侧的混合器2与搅拌叶片背侧表面零距离固接，且与射流孔或引射管出口相垂直的轴线保持同轴，搅拌叶片9背侧表面与混合器2入口所对应的位置开有等径的通孔，如图5所示。

当本发明上述结构的搅拌叶片单元以一定速度在搅拌槽内旋转时，在达到普通机械搅拌槽可达到的气液混合效果的同时，液体通过搅拌叶片11前侧表面上的引射管4形成多股液体射流对空心搅拌叶片11内的气体进行激烈的卷吸，随后共同进入在叶片后侧表面上固装的混合器2进行进一步的切割、旋转与掺混，在气液进行充分的混合后，从混合器2喷射而出参与到搅拌槽的宏观混合当中。

实施例3：

适用于图11所示气体通过空心搅拌轴12从槽外被较高压力鼓入的工况，搅拌叶片11采用空心直平叶面形式固接在轮彀上，并与供应气体的空心轴12相连，引射管4锥度为8度、横截面为圆形、内孔为光孔，直径逆搅拌旋转方向逐渐缩小，引射管4垂直设置在空心搅拌叶片11的后侧表面上，混合器2与引射管4相距一定距离通过支架固接在叶片背侧表面上，且与引射管出口相垂直的轴线保持同轴，如图6所示。

当本发明上述结构的搅拌叶片单元以一定速度在搅拌槽内旋转时，在达到普通机械搅拌槽可达到的气液混合效果的同时，气体通过固接在叶片背侧表面上射流孔或引射管喷射而出，夹带周围的液体共同进入叶片背侧的混合器2进行进一步的切割、旋转与掺混，在气液进行充分的混合后，从混合器2喷射而出参与到搅拌槽的宏观混合当中。

实施例2、3两种针对气体通过空心搅拌轴11从槽外被吸入或加压鼓入的工况，所采用的在气、液初次接触后，通过射流激烈的卷吸和混合器的进一步高效混合的设计，与气体直接在叶片的负压区逸出相比较，极大的提高了气液的初级分散的效果，由此得到的初级涡流体大幅的减小，提高了气液传质效果。同时，在叶片背侧的射流和混合器的配合所形成的叶片背侧的特定流场，可有效抑制“气穴”形成。

本发明除适用于气液混合之外，可通过射流孔7或引射管4内扰流部件5及叶片背侧混合器2内装静态混合元件的优化选择，适用于液液混匀、固液悬浮等各种流体混合场合。在实验及实际应用中都可达到极为理想的混合传质效果。

上述关于高效流体混合搅拌叶片单元的描述仅作为本发明几种技术方案提出，不作为对其结构的单一限制条件。

Claims (8)

1.一种流体混合搅拌叶片单元，其基本结构包括均匀固定于搅拌器轮毂(3)上的搅拌叶片(1、1-1、1-2、11)，其特征在于：每个搅拌叶片上设置一个或多个直径逆搅拌旋转方向逐渐缩小的锥形射流孔(7)或引射管(4)，搅拌叶片背面对应所述射流孔或引射管的位置设置混合器(2)，所述的混合器为横截面为圆形、椭圆形或封闭多边形的管状物，内装静态混合元件。

2.根据权利要求1所述的流体混合搅拌叶片单元，其特征在于：所述的搅拌叶片为实心结构或空心结构。

3.根据权利要求1所述的流体混合搅拌叶片单元，其特征在于：所述的搅拌叶片的形状为直平叶面、弯叶面、折叶面。

4.根据权利要求1所述的流体混合搅拌叶片单元，其特征在于：所述的射流孔或引射管的轴线为直线，截面为圆形、椭圆形或封闭多边形。

5.根据权利要求1所述的流体混合搅拌叶片单元，其特征在于：所述的射流孔或引射管内轴线方向设置有扰流翅片(5)。

6.根据权利要求2所述的流体混合搅拌叶片单元，其特征在于：当搅拌叶片为实心结构时，所述射流孔(7)或引射管(4)贯穿搅拌叶片的厚度，且所述的混合器(2)通过支架连接在搅拌叶片背面对应所述射流孔或引射管的位置。

7.根据权利要求2所述的流体混合搅拌叶片单元，其特征在于：当搅拌叶片为空心结构时，所述射流孔(7)或引射管(4)设置在搅拌叶片正面上，且所述的混合器直接连接在搅拌叶片背面对应所述射流孔或引射管的位置。

8.根据权利要求2所述的流体混合搅拌叶片单元，其特征在于：当搅拌叶片为空心结构时，所述射流孔(7)或引射管(4)设置在搅拌叶片背面上，且所述混合器通过支架连接在搅拌叶片背面对应所述射流孔或引射管的位置。

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