CN101352663A - 轴流式搅拌器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴流式搅拌器及其制作方法。它包括搅拌轴、轮毂、叶片、紧固件、桨叶柄，在搅拌轴上安装有轮毂，叶片经桨叶柄通过紧固件与轮毂相连接。搅拌器的叶片呈空间扭转状，叶片端部的倾斜角β_t小于叶片根部的倾斜角β_a。叶片在任意半径处的截面为拱形结构。叶片表面为圆柱面的一部分，可从事先用金属板材卷制好的圆筒体或圆筒体的一部分上倾斜切割获得。搅拌器具有排出能力大、制作简单无需任何模具、节约材料、参数调节灵活等优点。以维生素H中间体催化加氢为例，采用本发明的轴流式搅拌器，反应时间由原来的16小时以上缩短到3小时以内，能耗小，产品质量好，且节约催化剂。

Description

轴流式搅拌器及其制作方法

技术领域

本发明涉及搅拌器，尤其涉及一种轴流式搅拌器及其制作方法。

背景技术

轴流式搅拌器已被大量应用于石油化工、精细化工、生物医药、冶金等行业中气-液、气-液-固、液-固、液-液等中低粘度介质的混合过程。常用的轴流式搅拌器为船用推进式搅拌器和折叶涡轮，推进式搅拌器采用等螺距结构，轴向排量大，效率高，但由于采用模具浇注制造，成本高，规格少，不能满足实际工业应用的需要，尤其是在大型搅拌设备中无法使用。倾斜角在45°或45°以下的折叶涡轮也是一种轴流式搅拌器，设计简便，制造成本低，容易大型化，但由于其叶片剖面为平板形，轴向流速分布不均匀，且切向分速大，轴向排量小，混合效率低下。一些搅拌器已经基本解决了大规格、高效率、多样化之间的协调问题，在工业上成功应用的有美国LIGHTNIN公司的A310桨叶、法国ROBIN公司的HPM系列搅拌器、北京化工大学的CBY桨叶、华东理工大学的翼型轴流搅拌器等。

中国专利(ZL 92242172.2)提供了一种适合低粘度流体和固液悬浮体系的轴流式搅拌器，搅拌器采用等螺距结构的叶轮，叶片形状自叶端至叶根部沿叶宽呈弧面，叶片近似为流线型，可降低阻力，提高混合效率，能耗比45°斜叶涡轮降低40％，比HPM等截面为平板形的等螺距搅拌器降低25％。文献(黄雄斌，“大型高效轴流式搅拌装置”，化工进展，1996，4：44-45，71)介绍了中国专利(ZL 92242172.2)所述的搅拌器的开发及其在大型工业装置中的应用，并将其命名为CBY搅拌器，搅拌器易于大型化，叶片采用板材加工成型，制造费用比采用浇注方法制造的船用螺旋桨降低35％～50％，制造中不仅容易满足叶轮的平衡要求，且非常容易调节叶片的参数。等螺距结构的叶片采用板材加工成型，需要依靠与叶片形状相同的压模，不同参数的叶片需要不同的压模，模具数量大，制造成本仍偏高。

中国专利(ZL 92245125.7)提供了一种反应釜用的翼型轴流搅拌桨，叶片在半径方向的宽度范围内与任一与轮毂共轴的圆柱面相交所形成的剖面为机翼型，翼型剖面的最大拱高比、最大翼厚比、以及螺距角及盘面比根据不同的混合要求，可采取不同的值。这种叶片造成的流动为轴向流，具有很高的升阻比，在较小的功率下获得较大的流量，适用与液固、气液、液液及气液固各相物料间的混合。流线型的翼型叶片同样需要冲压模具进行制造。

文献(蔡志武，戴干策，“新型RAF翼型轴流桨的开发”，华东理工大学学报，1996，22(2)：123-128)设计了一种与中国专利(ZL 92245125.7)所述翼型轴流桨性能接近，且易于加工的新型平直叶翼型轴流桨。叶片剖面的下弧为一直线，这为叶片的加工带来了便利。相对简化的叶片形状使得泵送效率N_q/N_p仅为0.67，远比船用推进器的泵送效率N_q/N_p＝1.2小，叶片的加工仍需要模具，成本较高。

中国专利(ZL 96119277.1)提供了一种轴流式叶轮，具有紧凑的形状，等同于或大于螺旋桨的排出率的经济的叶轮。叶片具有均匀的厚度，表面可以是圆柱面，圆锥面，或平面，或在一至二个位置处弯曲的表面，另外，还有带有扭转平面的曲面，或这些的组合。由两个或两个以上表面组成的叶片在制造过程中需要测量并控制多个表面之间的空间关系，结构仍显复杂，所以并不是最经济。该专利中第一实施例所提供的例子中也有经济的叶片，如图2所示，叶片6由单个圆柱面组成，叶片成形时只需要控制圆柱面曲率半径，然后安装在轮毂7上即可，叶片根部的倾斜角是由焊接在轮毂上的桨叶柄8确定的。为了使叶片在不同的径向位置获得不同的叶片倾斜角，且根部的倾斜角大于叶片顶部的倾斜角，叶片在不同径向位置上的截面其起始点和终止点都处于圆柱面的不同素线上，且宽度不等。显然，这种结构的叶轮有两个缺陷：(1)从图2可以看出，由于形成叶片的圆柱面的母线与轮毂的中心线9这两条异面直线互相垂直，叶片在不同的径向位置的截面的视图全部落在同一圆弧上，并不能形成和推进式搅拌器相似的空间扭转结构，从而影响其泵送效率；(2)叶片展开后形状比较复杂，用于制造叶片的钢板的利用率下降，不利于节约成本。

英国专利№1454277公开了适当切割圆柱表面能产生一具有曲率为叶片宽度的5％～15％和径向上几乎不变的倾斜高度的叶片，从剖视图上看，该叶片虽加工方便，但泵送效率比具有空间扭转结构的推进式搅拌器低下。

文献(沈惠平，张锁龙，张国忠，葛乐通，毕美华，沈晓延，陈瑜，“高效节能型JH轴流式搅拌器的试制”，化工机械，2000，27(1)：36-38)研制了一种高效节能易于加工的轴流式搅拌器，其特点是桨叶随半径增大其叶片的倾斜角和宽度逐步变化，不仅具有类似于推进式搅拌器的空间扭转结构，而且具有和推进式搅拌器所没有的拱度，这种搅拌器具有较高的排出性能，叶片采用钢板压制，费用比推进式搅拌器节约，但是需要在数控铣床上加工出叶片冲压模具，不同的搅拌器需要制造不同的模具，提高了搅拌器的制造费用，仍不够经济。

总之，轴流式搅拌器的设计总是围绕如何提高排出性能进行优化的，一些已知的叶轮在考虑提高性能的同时也在努力简化制造方法以降低制造成本，并希望在性能和成本两者之间取得协调与平衡。但事实上，已知的轴流式搅拌器并没有能够在保持搅拌器高排出性能的同时最大程度地降低制造成本，这是因为高性能的轴流式搅拌器都是采用空间扭转的形式来改变叶片在不同径向位置的倾斜角，从而提高排出性能。而已知的轴流式搅拌器中的一部分具有空间扭转结构，排出性能高，但需要模具压制；另一部分搅拌器的叶片采用几个曲面的组合，不用压模就可以得到近似于空间扭转的效果，但制造仍显复杂；还有一部分搅拌器的叶片采用一个结构简单的曲面，如圆柱面，制造简单，但失去了空间扭转的结构特征，从而降低了排出性能。

发明内容

本发明的目的是克服现有轴流式搅拌器的上述缺陷，提供一种轴流式搅拌器及其制作方法。

轴流式搅拌器包括搅拌轴、轮毂、叶片、紧固件、桨叶柄，在搅拌轴上安装有轮毂，叶片经桨叶柄通过紧固件与轮毂相连接。

所述叶片呈空间扭转状，叶片端部的倾斜角β_t为10～30°，叶片根部的倾斜角β_a为15～75°，叶片端部的倾斜角β_t小于叶片根部的倾斜角β_a。叶片在任意半径处的截面为拱形结构。

轴流式搅拌器的制作方法包括如下步骤：

1)在矩形金属平板上，勾画出叶片3的形状，叶片3的形状也为矩形，两矩形互相倾斜，倾斜角为α为5～45°；

2)将矩形金属平板卷制成直径为R的圆筒体11，或圆筒体11的一部分，圆筒体11的直径R与搅拌器直径d_j的比值为0.5～4，更合适的比值为0.75～2.5之间；

3)按勾画的叶片3的矩形轮廓切割，得到叶片3的毛坯；

4)将叶片3的毛坯的四个直角倒成圆弧；

5)当搅拌物料的粘度小于2000～6000cP时，叶片端部8与叶片随边9之间切除一角；

6)将桨叶柄5倾斜β_a角度焊接在轮毂2上，β_a为15～75°；

7)将叶片3用紧固件4与桨叶柄5连接，叶片3的数量为2～6片，圆周方向呈均匀分布；

8)把装有叶片3的轮毂安装到搅拌轴1上。

本发明与现有技术相比具有的有益效果：

1)叶片具有空间扭转结构，根部的倾斜角大于端部的倾斜角。这种结构使流体的轴向速度沿搅拌器半径方向的分布趋于均匀，有利于优化搅拌槽内流场分布，提高混合效率；

2)叶片的在任意半径处的截面为拱形结构，即叶片具有曲率。曲率的存在更加符合流体力学特征，可减少流体阻力，还可以增加叶片的强度；

3)叶片宽度与搅拌器直径的比值可在较大范围内变化，以改变叶片面积率，便于适用不同的粘度体系；

4)叶片具有均匀的厚度，可采用板材制作，降低成本；

5)叶片展开后的形状为一矩形，可提高板材的利用率；当搅拌中低粘度物料时，可在叶片端部与叶片随边之间切除一角，以降低流体阻力或优化流体力学性能，叶片经切除后叶端处叶片宽度小于叶根处叶片宽度；

6)叶片的制作不需要模具，可灵活地调整叶片参数，利于搅拌器的多样化和大型化，并有效降低生产成本；

7)叶片的表面只由一个容易成型的曲面组成，和由两个或两个以上表面组成的叶片相比，在制造过程中可避免测量并控制多个表面之间的空间关系，提高制造精度，并降低费用。

附图说明

图1是本发明的轴流式搅拌器的结构示意图；

图2是中国专利(ZL 96119277.1)第一实施例所提供的例子中的叶片的放大侧视图；

图3是本发明的轴流式搅拌器的叶片在圆筒体上的切割方法以及轮毂、桨叶柄与圆筒体的相对位置关系的示意图；

图4是本发明的轴流式搅拌器的叶片的放大侧视图；

图5是本发明的轴流式搅拌器的平面图；

图6是本发明的不同结构的轴流式搅拌器的叶片在圆筒体上的切割方法以及轮毂与圆筒体的相对位置关系的示意图。相比图3，该叶片宽度B窄小，叶片展开后的基础形状为一矩形，并在矩形的基础上适度切除一角，以降低流体阻力或优化流体力学性能；

图7是本发明的不同结构的轴流式搅拌器的叶片的放大侧视图；

图8是本发明的不同结构的轴流式搅拌器的平面图，相比图5，本搅拌器有较小的叶片面积率，适合中低粘度介质的混合；

图中：搅拌轴1、轮毂2、叶片3、紧固件4、桨叶柄5、轮毂的中心线6、叶片的导边7、叶片端部8、叶片的随边9、叶片的根部10、圆筒体11、叶片的中心线12

具体实施方式

如图1所示，轴流式搅拌器包括搅拌轴1、轮毂2、叶片3、紧固件4、桨叶柄5，在搅拌轴1上安装有轮毂2，叶片3经桨叶柄5通过紧固件4与轮毂2相连接。所述叶片3呈空间扭转状，叶片端部8的倾斜角β_t为10～30°，叶片根部(10)的倾斜角β_a为15～75°，叶片端部8的倾斜角β_t小于叶片根部10的倾斜角β_a。叶片3在任意半径处的截面为拱形结构。

轴流式搅拌器的制作方法包括如下步骤：

1)在矩形金属平板上，勾画出叶片3的形状，叶片3的形状也为矩形，两矩形互相倾斜，倾斜角为α为5～45°；

2)将矩形金属平板卷制成直径为R的圆筒体11，或圆筒体11的一部分，圆筒体11的直径R与搅拌器直径d_j的比值为0.5～4，更合适的比值为0.75～2.5之间；

3)按勾画的叶片3的矩形轮廓切割，得到叶片3的毛坯；

4)将叶片3的毛坯的四个直角倒成圆弧；

5)当搅拌物料的粘度小于2000～6000cP时，叶片端部8与叶片随边9之间切除一角；

6)将桨叶柄5倾斜β_a角度焊接在轮毂2上，β_a为15～75°；

7)将叶片3用紧固件4与桨叶柄5连接，叶片3的数量为2～6片，圆周方向呈均匀分布；

8)把装有叶片3的轮毂安装到搅拌轴1上。

本发明所述搅拌器的各项参数R、B、L、α、β_a、β_t及叶片数量n_b等均可根据不同的工艺目的进行调整：

1)构成叶片表面的圆筒体的半径为R，R值决定了叶片截面的曲率，合适的曲率使叶片更加符合流体力学特征，可减少流体阻力，并增加叶片的强度。本发明所述的R值与叶轮直径d_j的比值有一个合适的范围，R/d_j值越大，叶片形状趋向平面，混合效率下降、叶片强度下降；R/d_j值过小，拱度太大，也不符合流体力学特性，合适的R/d_j值为0.5～4，更合适的R/d_j值为0.75～2.5之间；

2)叶片宽度为B，B值是影响叶片面积率的因素之一，叶片在与轮毂中心线垂直的水平面上的投影面积之和与以叶轮旋转扫过的圆盘面积之比为叶片面积率。较大的叶片面积率适合中高粘度流体的混合，也有利于气液混合中气泡停留时间的延长；较小的叶片面积率适合中低粘度流体的混合以及在中低流体中固体粒子的悬浮。本发明所述的搅拌器的合适的叶片面积率为10％～90％，更合适的叶片面积率为15％～75％，叶片面积率的大小取决于介质特性和工艺目的；

3)叶片数量为n_b，也是影响叶片面积率的因素之一。本发明所述的搅拌器的合适的叶片数量为2～6片，且在圆周方向上呈均匀分布；

4)叶片长度为L，L的大小取决于搅拌器直径d_j、轮毂直径和叶片的安装方式。搅拌器直径d_j越大，L越大；轮毂直径越大，L越小；焊接式叶轮的L大于拆卸式叶轮的L。

5)叶片的中心线与圆筒体的素线相交成α角，α角实质是叶片在圆筒体上切割的倾斜角，倾斜角的大小关系到叶片的扭转程度，倾斜角越大，叶片扭转程度越大，即叶片端部的倾斜角β_t与叶片根部的倾斜角β_a相差越大，倾斜角越小，扭转程度越小，即叶片端部的倾斜角β_t与根部的倾斜角β_a相差越小。

实施例1

有效容积为2.5m³的高压液相催化加氢反应装置，用于生产维生素H中间体，采用常规设计时，底层为推进式搅拌器，用于催化剂的悬浮与物料的宏观混合，上层为六直叶圆盘涡轮，用于氢气的分散，当转速为191rpm时，反应16个小时后，原料残留仍超过工艺要求，无法正常使用，在反应过程中多次补加催化剂的条件下，反应30个小时后，原料残留方能符合工艺要求。本实施例是在搅拌功率、转速、催化剂、反应压力、反应温度等工艺条件不变的情况下，将原有的双层搅拌器改成三层本发明所述的轴流式搅拌器，主要技术参数如下：

1)叶片数量n_b＝4；

2)叶片面积率＝73％；

3)叶片端部的倾斜角β_t＝22°；

4)叶片根部的倾斜角β_a＝39°；

采用本搅拌器，不仅可以提高催化剂的悬浮能力、而且可以大幅度延长氢气气泡在液相体系中的停留时间，从而提高反应速率。实际的反应时间是1.5～3小时，与小试反应时间接近，反应时间的不同还与催化剂的套用次数有关。

实施例2

在100kt/a硝基氯苯装置中，釜式硝化反应器中采用本发明所述的高效轴流式搅拌器替代传统的推进式搅拌器，可在消耗传统搅拌器87％的能耗下获得相同的单釜转化率和反应效率，而搅拌器重量仅为推进式搅拌器的65％，且搅拌轴、联轴器、机架等相应的造价均下降25％以上。该搅拌器主要技术参数如下：

1)叶片数量n_b＝3；

2)叶片面积率＝19％；

3)叶片端部的倾斜角β_t＝18°；

4)叶片根部的倾斜角β_a＝43°。

Claims (5)

1.一种轴流式搅拌器，其特征在于包括搅拌轴(1)、轮毂(2)、叶片(3)、紧固件(4)、桨叶柄(5)，在搅拌轴(1)上安装有轮毂(2)，叶片(3)经桨叶柄(5)通过紧固件(4)与轮毂(2)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种轴流式搅拌器，其特征在于所述叶片3)呈空间扭转状，叶片端部(8)的倾斜角β_t为10～30°，叶片根部(10)的倾斜角β_a为15～75°，叶片端部(8)的倾斜角β_t小于叶片根部(10)的倾斜角β_a。

3.根据权利要求1所述的一种轴流式搅拌器，其特征在于所述的叶片(3)在任意半径处的截面为拱形结构。

4.一种根据权利要求1所述轴流式搅拌器的制作方法，其特征在于包括如下步骤：

1)在矩形金属平板上，勾画出叶片(3)的形状，叶片(3)的形状也为矩形，两矩形互相倾斜，倾斜角为α为5～45°；

2)将矩形金属平板卷制成直径为R的圆筒体(11)，或圆筒体(11)的一部分，圆筒体(11)的直径R与搅拌器直径d_j的比值为0.5～4；

3)按勾画的叶片(3)的矩形轮廓切割，得到叶片(3)的毛坯；

4)将叶片(3)的毛坯的四个直角倒成圆弧；

5)当搅拌物料的粘度小于2000～6000cP时，叶片端部(8)与叶片随边(9)之间切除一角；

6)将桨叶柄(5)倾斜β_a角度焊接在轮毂(2)上，β_a为15～75°；

7)将叶片(3)用紧固件(4)与桨叶柄(5)连接，叶片(3)的数量为2～6片，圆周方向呈均匀分布；

8)把装有叶片(3)的轮毂安装到搅拌轴(1)上。

5.根据权利要求1所述的一种轴流式搅拌器的制作方法，其特征在于所述的圆筒体(11)的直径R与搅拌器直径d_j的比值为0.75～2.5。

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