CN102350250A - 一种双层搅拌桨组合装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双层搅拌桨组合装置,包括一搅拌轴,在搅拌轴由上至下依次安装错位桨和向心桨。与传统组合搅拌桨相比,其特征在于:搅拌轴上部安装有错位桨,桨叶交错垂直均匀分布于圆盘上下方,叶片在圆盘上沿径向方向安装;搅拌轴下部安装有向心桨,桨叶与圆盘径向相比向旋转方向前倾20~70度。该组合桨有利于降低搅拌能耗,减少混合时间,增加轴向循环能力从而改善液固悬浮。
Description
技术领域
本发明属于石油化工、湿法冶金、环保和生化制药等领域的混合搅拌装置,特别适用于气-液、液-固、气-液-固等多相体系的分散、混合和化学反应过程。
背景技术
工业搅拌操作根据不同的体系需要来选择相应的搅拌装置。一般而言,对于气液体系混合过程,需要选择剪切能力强的径流桨(如Rushton搅拌桨),这种桨具有很强的气体分散能力,有利于液体的循环流动和气泡的破碎。对于液固体系混合,需要选择轴向循环能力强的轴流桨(如斜叶桨、螺旋桨),这种桨有利于固相悬浮和液固体系均匀混合,而且功率消耗较低。对于更为复杂的气液固三相体系混合过程,既要实现气体的完全分散,又要满足固体的完全离底悬浮,这对搅拌装置提出了更高的要求。中国发明专利(申请号200810103262.5)提出了一种叶片改良型圆盘涡轮搅拌装置,目的在于克服径流桨在轴向混合能力方面的缺陷。但是对于固含率较高的体系,这种桨的轴向循环能力还不够强。因此,单一搅拌桨无法满足多相复杂体系的混合要求,需要使用多层桨的组合形式来达到多相体系均匀混合的目的。目前工业中应用最多的是Rushton涡轮搅拌桨或斜叶桨的组合桨,但是这种组合桨的能耗偏高。实际应用中还缺乏能耗较低,又能保证多相体系混合均匀的搅拌装置。
“组合搅拌桨”(中国专利,授权公告号CN 201500517U)主要应用于高固含率、粘稠体系以及低气含率的多相体系,应用范围有限,且螺带式搅拌桨产生的剪切力过大,不适用于有活性生物参与的反应体系(比如生物冶金);“组合式表面曝气搅拌桨”(中国专利,专利号ZL 00102745.X)仅适用于气液体系,不适用于有固相悬浮的混合操作。
发明内容
本发明的目的是提供一种双层搅拌桨组合装置。该组合桨有利于降低搅拌能耗、缩短混合时间、增加轴向循环能力,从而改善液固悬浮。
本发明的具体内容如下:一种双层搅拌桨组合装置,包括一搅拌轴1,在搅拌轴1上由上至下依次安装错位桨4(中国发明专利申请号200810103262.5)和向心桨5(中国发明专利申请号200910236645.4)。与传统组合搅拌桨相比,其特征在于:在搅拌轴1上部安装有错位桨4,桨叶交错垂直均匀分布于圆盘上下方,叶片在圆盘上沿径向方向安装,桨径以与槽径D的比值计算:D/4-D/2,桨叶尺寸:高D/15-D/10,宽D/8-D/4;在搅拌轴1下部安装有向心桨5,桨叶与圆盘径向相比向旋转方向前倾20~70度,桨径以与槽径D的比值计算:D/4-D/2,桨叶尺寸:高D/15-D/6,宽D/8-D/4。
本发明的一种双层搅拌桨组合装置,上层桨为错位桨,圆盘上下的叶片交替产生如同波一样的径向流动,产生耦合效应,使得叶轮工作区域流场的稳定性和连续性被打破,并有扩散至整个流场,轴向循环能力得以增强;下层桨为向心桨,这种桨能利用叶片与圆盘径向的偏角,推动流体产生向心流动。错位桨和向心桨组合后,下层的向心桨推动流体向心运动,这些流体遇到圆盘的阻挡产生向上和向下的轴向流动,向下的轴向流有利于减少液固体系中桨叶下方的固体堆积,向上的轴向流与上层错位桨产生的波动流相耦合,形成了大流量的整体循环。在通气搅拌状态下,两个桨的圆盘能阻止气泡穿过搅拌桨,降低了泛点速度,同时由于叶轮的高剪切力以及离心力的作用,气体会沿圆盘自中心向外转折,并被桨叶击碎成细小气泡,并随液体在槽内循环。
总之,本发明所提供的多相双层搅拌桨组合装置,相对于传统的组合搅拌桨,提高了整体的循环能力,降低了搅拌能耗,同时缩短了混合时间,改善了液固悬浮。
附图说明
附图1为本发明的一种双层搅拌桨组合装置示意图;
附图2为传统双层Rushton搅拌桨组合示意图。
其中:搅拌轴1、6 挡板2、7 搅拌槽3、8
错位桨4 向心桨5 双层Rushton桨9
实施方式
附图1和2为本发明的实施案例的结构示意图,包括搅拌轴1,在搅拌轴1上由上至下依次安装错位桨4和向心桨5,挡板2,搅拌槽壁3。与传统组合搅拌桨相比,其特征在于:搅拌轴1上部安装有错位桨4,桨叶交错垂直均匀分布于圆盘上下方,叶片在圆盘上沿径向方向安装,桨径以与槽径D的比值计算:D/4-D/2,桨叶尺寸:高D/15-D/10,宽D/8-D/4;在搅拌轴1下部安装有向心桨5,桨叶与圆盘径向相比向旋转方向前倾20~70度,桨径以与槽径D的比值计算:D/4-D/2,桨叶尺寸:高D/15-D/6,宽D/8-D/4。
附图1为本发明的一种双层搅拌桨组合装置示意图,附图2为传统双层Rushton搅拌桨组合示意图。
实施例1:
针对液固两相体系,在内径380mm、高960mm的圆柱形平底敞口搅拌槽中,使用自来水作为液相,石英砂作为固相(密度2650kg/m3,粒径范围75-150μm)。槽内液位高532mm,搅拌桨直径均为127mm,下层桨离底高度127mm,上层桨距离液面60mm。
临界离底悬浮是液固混合操作中一种很重要的分散状态,这时固相和液相的有效接触面积达到最大值,与之相对应的转速称为临界离底悬浮转速(Njs),Njs可以用来衡量搅拌桨固体悬浮的能力。下表给出了不同固含率(g/100mL)条件下本发明组合搅拌桨和传统双Rushton搅拌桨组合的临界离底悬浮转速Njs(rpm)。可以看出:本发明搅拌桨组合装置的Njs在测量固含率范围内均低于传统双层Rushton搅拌桨,其液固悬浮能力更强。
表1.不同搅拌桨组合的临界离底悬浮转速Njs的比较
实施例2:
针对气液两相体系,在结构如实施例1所述的搅拌槽装置中,使用自来水作为液相,空气作为气相并由环形气体分布器从搅拌桨下方通入,通气量为0.2m3/h。
下表给出了在不同转速下(s-1)的单位体积功耗(kW/m3)。可以看出,本发明搅拌桨组合装置在气液两相条件下,在功率消耗方面有明显的改善,相同转速条件下的单位体积功率消耗约为传统双层Rushton桨组合的60.0%~77.93%。
表2.不同搅拌桨组合的单位体积功耗的比较
实施例3:
混合时间是表征搅拌槽反应器混合性能的一个重要参数。本实施例在结构如实施例1的搅拌槽中,采用电导法测定了单液相体系在不同搅拌转速(s-1)条件下的宏观混合时间(s)。具体实施如下:以饱和NaCl溶液(250g/L)作为示踪剂,在搅拌槽的液面处加入,电导电极放置于接近槽底的另一侧,用于测定局部电导率随时间的变化,电导电极输出信号经放大及转换后由计算机进行数据采集处理。由于电导率仪的输出信号总是有一定的波动,因此通常取电导率仪的输出信号与最后稳定输出平均值相差在±5%以内即认为混合均匀,所需的时间即为混合时间,对某一个操作条件重复5次实验并取平均值以消除随机实验误差。
实验结果如下表所示,可以看出:在相同搅拌转速条件下,本发明专利搅拌桨组合装置所需要的混合时间,只有传统双层Rushton搅拌桨组合的87.27%-92.31%。
表3.不同搅拌桨组合的混合时间的比较
实施例4:
云高(cloud depth)是指液固混合中固体颗粒随着流体流动所能达到的垂直高度,一般用0.9H(H为液面高度)来衡量液固悬浮是否达到均匀混合,与之相对应的转速称为云高转速(N0.9H)。
本实施例的搅拌槽结构同实施例1,下表给出不同固含率(g/100mL)条件下的云高转速(rpm)。可以看出:在相同固含率条件下,本发明搅拌桨组合装置的N0.9H均低于传统双层Rushton搅拌桨,液固悬浮能力更强。
表4.不同搅拌桨组合的云高转速的比较
Claims (5)
1.一种双层搅拌桨组合装置,包括搅拌轴1,其特征在于:在搅拌轴1上由上至下依次安装错位桨4和向心桨5。
2.按权利要求1所述的双层搅拌桨组合装置,其特征在于:上层桨为错位桨,其圆盘上安装有4~12片矩形桨叶,交错垂直均匀分布于圆盘上下方,叶片在圆盘上沿径向方向安装。
3.按权利要求1所述的双层搅拌桨组合装置,其特征在于:下层桨为向心桨,其圆盘上装有4~12片矩形桨叶,桨叶与圆盘径向相比向旋转方向前倾20~70度。
4.按权利要求2所述的双层搅拌桨组合装置,其特征在于:错位桨桨径以与槽径D的比值计算:D/4-D/2,桨叶尺寸:高D/15-D/10,宽D/8-D/4。
5.按权利要求3所述的双层搅拌桨组合装置,其特征在于:向心桨桨径以与槽径D的比值计算:D/4-D/2,桨叶尺寸:高D/15-D/6,宽D/8-D/4。
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