CN101998881B - 用于混合流体的方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于使流体与液体介质相混合的方法及设备。具体而言，本发明公开了一种方法和设备，借助其，流体通过可旋转的混合器转子(20)与液体介质相混合，可旋转的混合器转子(20)使用在该过程中可用的任何流体用作其驱动流体而至少部分地利用涡轮(47)进行驱动。混合器(40)具有形成混合器转子的带有混合元件(44)的轴(42)，以及附接在其上的形成涡轮叶轮的涡轮导叶(46)。轴、元件和导叶布置在外壳(48)中，该外壳(48)具有用于混合元件的混合室(50)，以及用于涡轮导叶的涡轮室(52)。

Description

用于混合流体的方法及设备

技术领域

本发明涉及一种用于使流体与液体介质相混合的方法及设备。具体而言，本发明公开了一种方法和设备，借助其，流体与液体介质相混合使得混合器设备完全不必设有驱动马达，换言之，驱动转子所需的至少一部分动力是通过使用流体来使混合器转子旋转而布置的。

背景技术

大多数现有技术的混合装置或为没有运动机件的静态混合器，或为具有在混合室内旋转的转子的动态混合器，其中，转子借助于驱动单元(通常为电动机)受到驱动。时常的是，市场上出现的此类动态混合装置没有驱动单元。采用此类装置有可能的是往往借助于特别设计的转子，利用进入混合室的介质动能来使混合器转子旋转。

在US-B1-6,193,406中公开了此类混合装置的实例。该美国专利阐述了一种在木材加工行业中用于将既有液态又有气态的不同化学制品或蒸汽混合到浆料悬浮液中的方法及设备。在根据该专利的方法及设备中，浆料悬浮液和液体介质进给到混合器壳体中，在其中借助于可自由旋转的混合器转子来混合和从壳体中移除。设有混合叶片的可自由旋转的混合器转子安置在壳体内，且借助于浆料悬浮液的进入流与转子混合叶片相接触而旋转。流体介质，也就是将与纤维悬浮液相混合的介质，或者在混合器壳体的上游引入浆料流中，或者直接进入混合器壳体中在旋转转子的有效区域内引入浆料流中。因此，混合器转子和混合室两者均已设计成使得进入混合室的纤维悬浮液使转子旋转。换言之，混合功能与旋转功能同时且在相同腔内进行。

然而，由于混合功能对腔提出的要求不同于由旋转功能所提出的要求，故将转子的旋转与两种或多种介质的混合安排在相同腔内会带来问题。由于转子的旋转将会受到尽可能少地使用能量的影响，并且由于混合应当尽可能高效地进行，故实际上不太可能研发出可同时履行该两项任务要求的设备。

当期望气态物质与液体相混合时，此类混合器会出现另一问题。一般而言，当混合气体和液体时，转子必须设计成使得转子防止气体聚集在混合室的中心。这是通过布置转子以影响混合室内的强湍流场以便在径向方向上形成强大的流动分量来实现的。然而，为了能够执行上述功能，转子导叶的设计在使转子旋转方面远非理想的。因此，如果转子导叶的主要任务在于使转子旋转，则转子导叶的设计便使得它们能够形成的径向力场明显较弱，这导致转子至少部分地在气泡中旋转，且因此，转子不能高效地在液体中混合气态物质。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于克服现有技术的混合装置的至少一些问题，以及提供动态混合器，该动态混合器可设计成用以匹配一方面由混合功能而另一方面由涡轮功能(即，旋转功能)所提出的不同要求。

上述目的可借助于新型动态混合器装置来实现，该混合器装置具有不同的室用于使旋转器转子旋转和用于混合介质。

因此，上述目的可通过在设备中将流体混合到介质中的方法来实现，该设备包括外壳，该外壳具有：入口通道，其带有用于所述介质的入口开口；出口通道，其带有用于所述介质和所述流体的混合物的出口开口；处在所述通道之间的混合室；以及混合器转子，其具有布置在该混合室中的轴，该方法包括将所述流体和所述介质引入所述混合室中，以及使所述混合器转子在所述混合室中旋转以便在所述介质中混合所述流体，该方法还包括如下步骤：

●将涡轮室布置成与所述混合室操作连通，

●将涡轮叶轮布置在所述涡轮室中，

●将所述涡轮叶轮可操作地连接到所述混合器转子上，

●将驱动流体引入所述涡轮室中用于使所述涡轮叶轮旋转，

●由此，涡轮叶轮的旋转将旋转给予混合器转子，从而影响将流体混合到所述介质中。

上述目的还可通过一种用于在介质中混合流体的设备来实现，所述设备包括外壳，该外壳对于所述介质而言具有：入口通道，其带有用于介质的入口开口；出口通道，其带有用于所述介质和所述流体的混合物的出口开口；处在所述通道之间的混合室；以及处在混合室中的混合器转子，该设备包括布置成与所述混合室操作连通的涡轮室，该涡轮室具有用于驱动流体的入口导管和出口导管，以及可旋转地布置在所述涡轮室内且与所述混合器转子可操作地连接的涡轮叶轮。

本发明的方法及设备的其它特性化的特征将根据所附权利要求而变得清楚。

附图说明

下文通过举例的方式参照附图更为详细地描述了根据本发明的方法及设备：在附图中，

图1示出了现有技术的混合装置，

图2作为沿转子轴轴线的截面示出了本发明的第一优选实施例，

图3示出了沿图2中的线A-A截取的本发明的第一优选实施例，

图4示出了沿图2中的线B-B截取的本发明的第一优选实施例，

图5示出了本发明的第二优选实施例的局部截面，

图6示出了本发明的第三优选实施例的局部截面，以及

图7示出了沿混合装置的轴线截取的本发明的第四优选实施例。

具体实施方式

图1示出了根据现有技术(即根据US6,193,406)的设备。该设备包括壳体10，壳体10其最为简单的形式为沿介质流动方向的圆柱形，但其还可为沿转子轴线方向的圆柱形。壳体10设有分别具有凸缘14和18的入口12和出口16，出口优选为与转子旋转方向相切，且转子20可旋转地布置在壳体10内。混合器借助于其凸缘14附接到所谓的入口管路(即进入的纤维悬浮液的流动通道)上，且借助于其凸缘18附接到所谓的出口管路(即纤维悬浮液从混合器排出的流动通道)上。转子20由在轴承上安装到壳体10壁上的轴22形成，该轴优选为垂直于壳体10的轴线X。至少两个叶片24附接到轴22的一端上，该端延伸到壳体10内，以便在叶片24旋转时在转子20的中心保持敞口空间。这里，转子设有五个叶片24，但它们的截面大致为矩形，同时截面的主轴线为径向的。然而，关于叶片形状最为基本的是使叶片旋转，且还带来所期望的混合效果。壳体还可设有肋条26和28，它们与转子20一起引起湍流，该湍流在悬浮液流中带来充分的混合效果。肋条26关于入口12布置成使得其将轴向流动从入口12偏心地引至壳体10，从而确保转子20的旋转。换言之，除斜面引导部件之外，如图1中所示，肋条26还可例如为设置成垂直于流动通路轴线的板件，覆盖一部分流动通路。最为实质的是，部件使流动质量中心偏离流动通道的轴线。图1还示出了混合器壳体如何设有控制阀30，该控制阀30或者作为混合器的组成部分，或者作为备选而布置成与混合器凸缘14相连。阀30的一个任务自然在于控制流动，由此，将转子20定位在阀30附近还有助于阀30的操作，确保纤维不能粘附在闸门或其它阀部件上且从而逐渐地造成阀开口32受到堵塞。阀30的另一任务对于混合器是必要的，也就是，沿入口侧壁引导流动进入混合器壳体10中。且最终，图1还示出了或者混合器壳体10或者入口管路如何设有用于添加化学制品、稀释液体、蒸汽或其它材料到流动中的导管34，34′。

图2示出了根据本发明第一优选实施例的沿混合器轴线截取的动态混合器40。混合器40具有形成混合器转子的带有混合元件44的轴42，以及附接在其上的形成涡轮叶轮47的涡轮导叶46。轴42、元件44和导叶46布置在外壳48中，该外壳48具有用于混合元件44的混合室50，以及用于涡轮导叶46的涡轮室52。在该实施例中，两个室50和52沿轴向并排布置。在所示的实施例中，外壳48分别在混合室50和涡轮室52的外侧处设有用于轴42的轴承和密封件54′，54″。当然，也有可能的是将至少一个密封件布置在混合室50与涡轮室52之间，如果认为需要如此的话。在混合器40较小的情况下，还可能的是，仅将轴承和密封件54′布置在外壳48的一侧(可能在图2的混合器40外壳48的右手侧)。

在该实施例中，混合室50具有圆形截面。然而，混合室的总体形状可有许多变化；其可为圆柱形或一些其它适合的形状。在需要十分高效的混合的一些情况下，重要的是，混合室和在该室中旋转的转子关于绘制(转子的轴线为水平的，且经由外壳中心延展)成经由外壳中心的垂直平面(所谓的中心线平面)对称。

在该实施例中，混合元件44由附接在轴42上的大致径向臂56以及布置在臂56远端处的大致沿轴向延伸的叶片58形成。在图2的实施例中，对于每一叶片58只有一个臂56，臂56优选定位在上文限定的中心线平面内。然而，还有可能的是对于每个叶片布置两个或多个臂。优选的是，臂的定位再次沿着上述基准线(guideline)对称。臂和叶片的截面形状可自由选择。例如，专利文献EP-B1-0664150和EP-B1-1755774更为详细地阐述了叶片的截面。如图2中所示，叶片的构造可为直的，但其也可为如在EP-A1-1755774所述那样为弯曲或人字形的。另外，轴或者可在其整个长度上具有均匀的直径(如图2中所示)，或者轴的直径也可如EP-A1-1755774所示那样变化。

图2还示出了混合室50的内壁60如何设有用于混合叶片58端部的凹部62。当然还存在其它选择。叶片58可在离混合室50内壁60有适当距离处终止，且/或叶片58的端部可形成为以较短的距离沿着内壁60的轮廓布置。

在图2中所示的实施例中，涡轮室52定位在混合室的一侧，且由在径向上更靠近轴42的明显较窄的第一部分52′，以及远离轴42的较宽的环形第二部分52″形成。这里，第二部分52″具有圆形截面。涡轮室52设有附接在轴42上的涡轮导叶46。导叶46的形状与第一室部分52′和第二室部分52″的截面形状一致，当然具有充足的运转间隙。

图3示出了沿图2中的线A-A(即沿外壳中心线)截取的截面。图3分别示出了布置在外壳48的相对径向端处的混合器40的入口通道64和出口通道66。入口通道64具有由凸缘70包绕的入口开口68，其中，凸缘70用于将混合器40附接到由先前的过程步骤带来过程流(即，液体介质)的管线上。以相似的方式，出口通道66具有由凸缘74包绕的出口开口72，其中，凸缘74用于将混合器40附接到获取过程流(即，液体介质及与其在该过程中进一步混合的流体的混合物)的管路上。在图3的实施例，当外壳48在其入口通道64处设有至少一个入口开口76用于使流体与沿入口通道64流入混合室50中的介质相混合时，混合室50定位成更靠近混合器40的出口开口72。混合室50在该截面中也具有圆形形状，这意思是混合室基本上为球形。然而，混合室的形状对于本发明的工作并非实质性的，故形状可以是所期望的任何一种。在该实施例中，混合器转子具有四组混合元件44。然而，元件的数目并不是关键的，而是可自由地选择以满足待混合的流体和介质的需要。以类似的方式，如果认为很重要，则混合室50的内壁60可设有用于增强湍流的一个或多个肋条或其它元件。

图4示出了部分沿图2中的线B-B且部分沿外壳中心线截取的截面。换言之，图4更为详细地示出了具有径向内部部分52′和径向外部部分52″的涡轮室52的优选实施例的结构。如图所示，对于待混合的流体而言，涡轮室52具有从凸缘80开始的入口导管78以及终止于混合室入口通道64壁中的出口开口76的出口导管82。混合室位于涡轮室52后方，使得混合器转子与涡轮叶轮附接在相同轴42上。在该实施例中，涡轮室52包绕涡轮叶轮，该涡轮叶轮具有八个大致径向的涡轮导叶46。导叶46的数目和涡轮室52相对于混合室的尺寸可主要取决于设备尺寸、使涡轮叶轮旋转的驱动流体的性质、流入涡轮中的驱动流体量、推想流体将与其相混合的液体介质的性质，以及进入的驱动流体流的压力和速度而明显地变化。入口导管78和出口导管82两者分别优选为布置成与涡轮室52的外圆周相切，即与室外部部分52″流动连通，以便能尽可能高效地利用流动的动能。附图的右手侧示出了沿混合室轴线的截面，或示出了用于一定部分的入口通道64，在该一定部分中出口导管82端接于混合器入口通道64中的开口76。换言之，在该实施例中，开口76可同时称为用于驱动流体的出口开口和用于待混合的流体的入口开口。

本文参照图2、图3和图4的混合器更为详细地阐述了根据本发明第一优选实施例的混合器的操作。该操作所基于的构想是，待与主流动(即，液体介质)相混合的流体使混合室50中的混合器转子旋转。通过沿入口导管78朝涡轮室中的涡轮叶轮的导叶46引导驱动流体流而实现了所期望的功能，使得流体的原动力使涡轮叶轮在涡轮室52中旋转。由于涡轮叶轮和混合器转子两者都紧固在相同的轴42上，或借助于齿轮至少布置成彼此操作连通，故涡轮叶轮的旋转会使混合器转子旋转。为了使混合器以所期望的方式起作用，出口导管82中的驱动流体和入口通道64中的液体介质的速度和压力必须满足一些要求。在涡轮室52且更具体而言是在其出口导管82中受到引导的驱动流体的速度和压力两者都必须高于主流动的速度和压力。高多少则取决于多种因素，即驱动流体和介质的密度、驱动流体和液体介质的粘度、相对于主流动(液体介质)量的驱动流体量、所期望的混合效率、所期望的转子旋转速度，这仅列出了几个因素。

图5示出了本发明的第二优选实施例。与图4的实施例的主要不同在于涡轮室中入口导管178和出口导管182各自的布置。在图5的实施例中，入口导管178和出口导管182大致平行，由此，进入的驱动流体有效地使涡轮叶轮完全旋转180度，而在图4的实施例中，对应的角度值为大约140度。当然，通过使入口导管和出口导管彼此更为靠近，角度值甚至还可自180度增大，如果需要或期望这样的话。

图6示出了本发明的第三优选实施例，即，用以将驱动流体引入液体介质流中的又一可选布置。在过程方面，该实施例类似于图4和图5中所述的。唯一的例外在于，现在驱动流体直接引入混合室中(位于涡轮室52后方，使得混合器转子与涡轮叶轮附接在相同轴42上)，而并未引入通向其的入口通道264中。这样布置的最为容易的方式是，使涡轮室52的出口导管282和混合室的入口导管276两者设有凸缘，在该凸缘上附接适合的U形管。

例如，如果驱动流体为中压蒸汽，而液体介质为浆料和造纸行业的纤维悬浮液，则蒸汽最好具有足够的压力以使混合器转子旋转。具体而言，转子的旋转速度不应很高。混合器转子即使很慢的旋转也会阻止将蒸汽引导到浆料流中，并且加强了蒸汽在浆料中的冷凝。

在上文所述的实施例中，使混合器转子旋转的驱动流体为推想在混合器中与液体介质相混合的流体。结合图7已阐述了另外两种的布置驱动流体流的选择，其中，涡轮室52再次与混合室(图中并未示出，但位于涡轮室后方)操作连通，该混合室具有与涡轮叶轮布置在相同轴42上的混合器转子，且沿轴向定位在涡轮室的一侧上。在本发明的第四优选实施例中，驱动流体引入入口导管378中，沿入口导管378驱动流体流至涡轮室52，使由涡轮导叶46代表的涡轮叶轮旋转，且沿出口导管382从涡轮室中除去，其中，涡轮导叶46将旋转给予混合器转子。在该实施例中，入口导管378或出口导管382均未与液体介质流动通路进行任何连通，该液体介质流动通路分别包括入口通道364和出口通道366，以及其间的混合器室。除了液体介质以及驱动流体流动通道和导管之外，图7还由参考标号84示出了用于化学制品或其它物质与液体介质相混合的入口。如图7中所示，入口84自然地或在混合室的上游布置在入口通道364的壁中，或布置在混合室的壁中。驱动流体可为仅由于其可得到而采用的任何第三流体。换言之，驱动流体既不是待混合的流体，也不是推想流体将在其中混合的液体介质。作为该实施例的实例，朝热交换器或一些其它位置流动的蒸汽可驱动用于将二氧化氯混合到纤维悬浮液中的混合器。

然而，作为实例，图7的第四实施例可变为结合本发明的第五优选实施例，使得图中右手侧的两个最下方的凸缘(在入口通道364的端部处，以及在出口导管382中)借助于U形管相结合，这导致使涡轮叶轮运转的驱动流体为推想来自于入口84的流体或化学制品将与其相混合的液体介质的操作情况。换言之，液体介质自身的原动力用于实现流体混合到液体介质中。在一定程度上，该功能类似于静态混合器的操作，但更为有效。

至于入口84，应当理解的是，一个或多个此类流体入口可结合本发明的任何实施例进行布置。入口的位置优选或者在混合室的入口通道壁中，或者在混合室的壁中。因此，清楚的是，一个或多个流体入口的存在提供了将一种或多种流体或化学制品或是除经由其自身路线引导的驱动流体之外或是作为待引导的单独流体或化学制品而引入液体介质流中的可能性。

涉及使用例如蒸汽或稀释液体作为驱动流体的另一结构性备选方案可描述为本发明的优选实施例。上述实施例教导了使用单独的导管来将驱动流体或在混合室入口通道中或在混合室自身内引入液体介质中。然而，还存在另一备选方案，尤其是当涡轮室和混合室并排布置时。这两个室借助于内部导管连接，该内部导管或者其尺寸形成为使得适量的驱动流体进入液体介质中，或者设有阀器件用以调整进入液体介质的驱动流体量。换言之，可能的是将驱动流体分成两部分，一部分进入液体介质中，而另一部分在该过程中进一步流动。

鉴于上文，清楚的是涡轮可定位在靠近混合室的任何位置，以致对于其相互布置而言仅有的两个要求为，涡轮室定位在混合室的一侧使得涡轮叶轮不干扰混合，以及使得承载混合器转子和涡轮叶轮两者的轴应当延展穿过该两个室的中心。然而，就此而论，可作为另一选择提及的是，如果期望的话，齿轮、优选为减速齿轮可布置在涡轮叶轮与混合器转子之间，由此可忽略有关单个轴或公共轴的需要。因此，当室不必布置在相同的轴线上时，还可更为自由地选择室的相互布置。通过使用齿轮，混合器转子的旋转速度可低于涡轮叶轮的旋转速度，或如果期望的话，还可高于涡轮叶轮的旋转速度。

因此应理解的是，上文所示和所述的优选实施例仅出于示范的目的，而不应认作是限制了本发明的范围，本发明的范围仅在所附权利要求中适当地界定。鉴于以上描述，应理解的是，混合器可设有除以上说明书中所述的涡轮之外的动力驱动器件。然而，由于涡轮的存在，故动力驱动器件的动力消耗远低于没有本发明的涡轮器件的情况。鉴于以上描述，还应理解的是，用语′液体介质′涵盖包括液体作为介质的一种成分或唯一成分的所有可流动的介质。换言之，液体介质可主要包含空气、主要包含干燥物质，以及主要包含水或其它液体。

Claims (13)

1.一种在设备中将第二流体混合到第一流体中的方法，所述设备包括外壳(48)，所述外壳(48)具有混合室(50)以及与所述混合室(50)操作连通的涡轮室(52)；所述混合室具有带有用于所述第一流体的入口开口(68)的入口通道、带有用于所述第一流体和所述第二流体的混合物的出口开口(72)的出口通道(66)，以及布置在所述混合室(50)中的混合器转子；所述涡轮室(52)具有用于驱动流体的入口导管(78，178，278，378)，以及涡轮叶轮(47)；所述涡轮叶轮(47)可操作地连接到所述混合器转子上；所述方法包括将所述第一流体和所述第二流体引入所述混合室(50)中，以及引导所述涡轮室(52)中的所述驱动流体用于驱动所述涡轮叶轮(47)，以致所述涡轮叶轮(47)的旋转将旋转给予所述混合器转子，影响所述第二流体混合到所述第一流体中，

其特征在于，

·将所述驱动流体从所述涡轮室(52)排放到出口导管(82，182，282，382)中，

·将所述驱动流体从所述出口导管(82，182，282，382)引导到所述混合室(50)、所述入口通道以及所述混合室的入口导管(276)中的一个中，

所述第一流体为浆料和造纸行业中的纤维悬浮液，以及

所述入口通道附接到从先前的过程步骤带来所述第一流体的管线上。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二流体为在浆料和造纸行业中使用的液态或气态化学制品或蒸汽。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，使用所述第二流体作为所述驱动流体是通过：首先将所述第二流体引入所述涡轮室(52)中用于使所述涡轮叶轮(47)旋转，以及其次将所述第二流体或沿着所述出口导管 引入所述混合室(50)的所述入口通道中，或沿着所述出口导管和所述混合室的入口导管(276)引入所述混合室(50)中。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，引导至少一部分所述驱动流体在如下之一与所述第一流体成连通：所述混合室(50)中，以及其上游。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，经由布置在所述混合室(50)和其上游的所述入口通道中的一个中的入口(84)引导一种或多种化学制品或流体与所述第一流体成连通。

6.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，将齿轮布置在所述涡轮叶轮的轴与所述混合器转子的轴之间。

7.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，将附加的动力驱动器件联接在所述混合器转子的轴(42)上，以便帮助驱动所述混合器转子。

8.一种用于在第一流体中混合第二流体的设备，所述第一流体为浆料和造纸行业中的纤维悬浮液，所述设备包括外壳(48)，所述外壳(48)具有混合室(50)，以及布置成与所述混合室(50)操作连通的涡轮室(52)；所述混合室具有带有用于所述第一流体的入口开口(68)的入口通道、带有用于所述第一流体和所述第二流体的混合物的出口开口(72)的出口通道(66)，以及具有轴(42)的混合器转子；所述涡轮室(52)具有用于驱动流体的入口导管(78，178，278，378)，以及与所述混合器转子可操作地相连的涡轮叶轮(47)，其特征在于，所述涡轮室(52)设有用于所述驱动流体的出口导管(82，182，282，382)，所述入口通道附接到从先前的过程步骤带来所述第一流体的管线上。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述涡轮室(52)布置在所述混合室(50)的一侧。

10.根据权利要求8或权利要求9所述的设备，其特征在于，用于所述驱动流体的出口导管 布置成与用于所述第一流体的入口通道 中的不同于所述入口开口(68)的另一开口(76，176)流动连通。

11.根据权利要求8或权利要求9所述的设备，其特征在于，用于所述驱动流体的出口导管 布置成与所述混合室(50)流动连通。

12.根据权利要求8或权利要求9所述的设备，其特征在于，所述混合室(50)、所述入口通道 以及所述混合室的入口导管(276)中的一个设有用于引入化学制品或流体的至少一个入口(84)。

13.根据权利要求8或权利要求9所述的设备，其特征在于，附加的动力驱动器件联接在所述混合器转子的轴(42)上。