CN102350250A

CN102350250A - 一种双层搅拌桨组合装置

Info

Publication number: CN102350250A
Application number: CN2011101865289A
Authority: CN
Inventors: 杨超; 冯鑫; 王涛; 毛在砂; 李向阳; 程景才; 范平
Original assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Priority date: 2011-07-05
Filing date: 2011-07-05
Publication date: 2012-02-15

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

一种双层搅拌桨组合装置

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(N_js)，N_js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N_js(rpm)。可以看出：本发明搅拌桨组合装置的N_js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N_js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(N_0.9H)。

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N_0.9H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

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。