CN102989349A

CN102989349A - 一种多功能改进圆盘涡轮搅拌装置

Info

Publication number: CN102989349A
Application number: CN2011102718431A
Authority: CN
Inventors: 李向阳; 杨超; 毛在砂; 邓刚; 程景才; 张广积
Original assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Priority date: 2011-09-14
Filing date: 2011-09-14
Publication date: 2013-03-27

Abstract

本发明涉及一种多功能改进圆盘涡轮搅拌装置，包括：一搅拌槽，一搅拌轴，在轴上安装改进圆盘涡轮搅拌桨。桨直径D以与槽直径T的比值计算：D＝T/4～T/2。槽壁周向均匀安装4～12个直立挡板，宽度b＝T/12～T/10。与标准和斜叶圆盘涡轮相比，其特征在于：圆盘上安装4～12片矩形桨叶，在圆盘面上垂直和倾斜均匀交错排列；倾斜叶片与圆盘夹角15°～75°；桨叶尺寸：高度T/15～T/10，宽度T/8～T/4。本发明的多功能改进圆盘涡轮搅拌桨，同时兼具标准和斜叶圆盘涡轮桨的优点，并克服了两者的缺点，既有较强的宏观混合能力，又能提供较强的剪切力，能更好地适用于既要求混合又要求流体剪切的多相搅拌过程。

Description

一种多功能改进圆盘涡轮搅拌装置

技术领域

本发明属于化工、湿法冶金、环保、生化制药和石油化工等领域的多相混合搅拌装置。这种搅拌器适于多相搅拌过程，尤其是既要求混合能力又要求流体剪切的过程，比如表面曝气过程及气-液-固三相搅拌过程。

背景技术

工业上应用的搅拌桨按照其形成的流型不同分为两类：一类是径向流叶轮(如Rushton搅拌桨，简称RDT桨)，这种桨能产生比较大的剪切力，能很好地破碎气泡和液滴，适合于气液和液液两相混合过程；另一类是轴向流叶轮(如推进式螺旋桨)，这种桨具有更强的轴向循环能力和较低的功率准数，在固体悬浮和液固混合过程中得到了广泛应用。而在一些特殊的或更加复杂的多相搅拌过程中，单一功能的搅拌桨往往很难满足过程要求，例如表面曝气过程机理研究表明，表面曝气过程分为两个步骤：通过表面曝气桨的剧烈搅拌将气体由液面上吸入；通过液体的整体循环将吸入气体带到搅拌槽下部整体分散。再比如在机械搅拌槽中进行气液固三相混合操作时，要同时实现气体分散和固体悬浮两个过程。单一的径向流桨或轴向流桨很难满足这类过程的分散混合要求，实验研究和工业实践中常采用双层甚至更多层桨组合来完成这些过程的分散混合要求，这无疑增加了能量的消耗。

对新型搅拌桨的研发中，国内大多数专利和研究集中在叶片形状的改良和搅拌装置附件的发明，都是为了搅拌桨单一功能的强化(径向或者轴向流动)，比如一种搪玻璃水翼型轴流搅拌桨(中国专利，申请号03231827.8)，一种搅拌桨(中国专利，申请号200620064206.1)和组合式表面曝气搅拌桨(中国专利，申请号00102745.X)，目前还没有能够同时较好完成多功能(气泡或液滴破碎和输运、气体分散和固体悬浮)的搅拌桨的相关专利和报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于多相搅拌体系(尤其是表面曝气过程和气液固三相搅拌体系)的改进圆盘涡轮搅拌器。

本发明主要由轴套、同心圆盘和桨叶三个部分构成(如附图1所示)。轴套为内径与搅拌轴相同的圆筒，可以通过键槽或螺丝固定在搅拌轴上。同心圆盘上固定有4～12片桨叶，桨叶分为垂直桨叶和倾斜桨叶两种，在圆盘盘面上均匀交错排列。垂直叶片与同心圆盘的面相互垂直，倾斜叶片与圆盘成一定夹度，角度在15°～75°之间。圆盘涡轮桨桨叶尺寸：高度T/15～T/10，宽度T/8～T/4。

由于同时存在垂直叶片和倾斜叶片，所以该搅拌桨同时具有直叶圆盘涡轮桨和斜叶圆盘涡轮桨的优点，并克服了两者的缺点，即既有较强的宏观混合能力，又能提供较强的剪切力，所以更好地适用于既要求混合能力又要求流体剪切的多相搅拌过程。

附图说明

附图1为本发明中搅拌桨的结构示意图

附图2为标准RDT圆盘涡轮搅拌桨结构示意图

附图3为斜叶圆盘涡轮搅拌桨结构示意图

附图4为安装圆盘涡轮桨的搅拌槽反应器结构示意图

其中：1.斜叶片2.直叶片3.圆盘4.搅拌轴套5.搅拌槽6.挡板7.搅拌器8.搅拌轴9.静液面

附图5为单相宏观混合时间实验结果

附图6为气液搅拌槽中气液体积传质系数vs单位体积功耗(Q＝35L/min)

附图7表面曝气反应器中气液体积传质系数vs单位体积功耗

其中：A.标准RDT圆盘涡轮桨B.斜叶圆盘涡轮桨C.改进圆盘涡轮桨

具体实施方式

附图1为本发明的多功能改进圆盘涡轮搅拌桨示意图，与传统的标准RDT圆盘涡轮桨(附图2所示)和斜叶圆盘涡轮搅拌桨(附图3所示)的区别主要是斜叶片(1)和直叶片(2)在圆盘(3)上均匀交替排列。

实施案例的结构示意图4，包括透明有机玻璃搅拌槽(5)，搅拌槽内安装4块挡板(6)，搅拌桨(7)安装在中心搅拌轴(8)上，槽底到静止液面(9)的距离等于搅拌槽直径。

实施例1：

针对单相体系，以去离子纯净水为介质，在带挡板的圆柱形平底搅拌槽中测定了改进圆盘涡轮搅拌装置的单相宏观混合特性。实验装置如附图4所示，其中实验装置的尺寸为搅拌槽内径为T＝380mm，搅拌槽内均匀分布有4块挡板，挡板宽度为b＝T/10。搅拌槽内液面静止时高度为H＝T，搅拌桨的直径为D＝T/3。搅拌桨离搅拌槽底部的高度为C＝T/3。搅拌转速为N＝100～500rpm。采用电导法分别测定改进圆盘涡轮、标准RDT圆盘涡轮和斜叶圆盘涡轮三种搅拌装置在不同转速下的混合时间。

在搅拌槽底部侧孔内安装好电导电极，准备电导率仪至测量状态；开启搅拌槽，使搅拌槽正常运行；计算机采样程序处于准备采样状态；用滴管吸取10mL 20％的氯化钠水溶液，在搅拌槽上方与电导电极处于对角线位置处迅速注入全部氯化钠溶液，并同时按下计算机键盘，开始采样，并将采集数据存盘。从加入电解质溶液的时刻起，到电导率值达到最终恒定值的95％～105％时的时间即为混合时间。

实验结果如图5所示，三种搅拌装置的混合时间排序为：标准RDT圆盘涡轮＞改进圆盘涡轮＞斜叶圆盘涡轮，这表明本发明改进圆盘涡轮桨的混合能力介于标准RDT圆盘涡轮桨和斜叶圆盘涡轮桨之间。采用轴上扭矩法测定并计算了改进圆盘涡轮桨的功率准数约为4.5，介于标准圆盘涡轮桨(约为6.0)和斜叶圆盘涡轮桨(约为2.9)之间，这也对混合时间的测定结果提供了支持。

实施例2：

在实施例1所示搅拌槽内，液相采用自来水，用气体分布器通入空气，通气速率为5～50L/min，搅拌转速为100～500rpm。采用稳态滴加Na₂SO₃方法测定了改进圆盘涡轮、标准RDT圆盘涡轮和斜叶圆盘涡轮三种搅拌器的气液体积传质系数。稳态滴加Na₂SO₃方法，是通过向已预先加入了一定量的CoSO₄催化剂的稳定运行的气液搅拌槽中以固定流量(蠕动泵控制)连续流加一定浓度的Na₂SO₃溶液，Na₂SO₃与水相中的溶氧发生反应，当Na₂SO₃的氧化速率与Na₂SO₃的流加量达到动态平衡时，水相中的溶氧浓度将达到某一定值，根据相应的公式，计算出气液体积传质系数kLa。

通气速率为35L/min时的实验结果如图6所示，三种搅拌装置的气液体积传质系数排序为：标准RDT圆盘涡轮桨＞改进圆盘涡轮桨＞斜叶圆盘涡轮桨，这表明本发明改进圆盘涡轮桨的气体传质性能介于标准RDT圆盘涡轮桨和斜叶圆盘涡轮桨之间。

实施例3：

在实施例1所示搅拌槽内，液相采用自来水，将搅拌桨安装位置上移至液面以下h＝30mm的位置，搅拌桨直径D＝T/2，采用实施例2中所述稳态滴加Na₂SO₃方法测定了改进圆盘涡轮、标准RDT圆盘涡轮和斜叶圆盘涡轮三种搅拌器的气液体积传质系数。搅拌转速为100～500rpm。

实验结果如图7所示，三种搅拌器的气液体积传质系数排序为：改进圆盘涡轮桨＞标准RDT圆盘涡轮桨＞斜叶圆盘涡轮桨。表面曝气机理的研究指出，表面曝气过程分为两个步骤：通过表面曝气桨的剧烈搅拌将气体由液面上吸入；通过液体的整体循环将吸入气体带到搅拌槽下部整体分散。改进圆盘涡轮桨兼具气体分散和整体混合能力，因此相比标准圆盘涡轮桨和斜叶圆盘涡轮桨在表面曝气反应器中得到了最佳的气液传质性能。

实施例4：

在实施例1所示搅拌槽内，针对气-液-固三相体系，液相采用自来水，供气方式和通气速率与实施例2相同，通气速率为5～50L/min，固相采用石英砂，粒度范围80～120目，质量百分含量为5％～30％。采用视觉观察法按照1～2秒准则确定固体颗粒临界离底悬浮转速，采用搅拌功耗法确定泛点转速。

实验结果显示，泛点转速的排序为：斜叶圆盘涡轮桨＞改进圆盘涡轮桨＞标准RDT圆盘涡轮桨，这与实施例2中的实验结果一致。以通气速率为35L/min时的结果为例，斜叶圆盘涡轮桨的泛点转速(约425r/min)比标准RDT圆盘涡轮桨(约340r/min)平均高约25％，而斜叶圆盘涡轮桨与改进圆盘涡轮桨(约375r/min)差距在10％左右。当搅拌转速高于泛点转速后，搅拌桨才能发挥作用。

固体颗粒的临界离底悬浮结果表明(以通气速率为35L/min，质量比固含率为10％为例)，临界离底悬浮转速的排序为：标准RDT圆盘涡轮桨(约450r/min)＞斜叶圆盘涡轮桨(约425r/min)＞改进圆盘涡轮桨(约390r/min)。

Claims

1.一种适用于多相搅拌过程尤其是表面曝气过程和气-液-固三相体系的多功能改进圆盘涡轮搅拌装置，包括：搅拌槽(5)，位于搅拌槽内的搅拌轴(7)，在搅拌轴上安装多功能改进圆盘涡轮桨，该桨包含一个固定在轴套(4)上的同心圆盘(3)和4～12片固定在同心圆盘(3)上的矩形叶片，槽壁周向安装4～12个直立挡板(6)。

2.根据权利要求1所述的多功能改进圆盘涡轮搅拌装置，所述轴套(4)通过键槽或螺丝固定于搅拌轴(7)上。

3.根据权利要求1所述的多功能改进圆盘涡轮搅拌装置，其特征在于：槽径为T，圆盘涡轮桨桨径为T/4～T/2。

4.根据权利要求1或3所述的多功能改进圆盘涡轮搅拌装置，其特征在于：搅拌槽壁(5)周向均匀安装4～12个直立挡板(6)，挡板宽度T/12～T/10。

5.根据权利要求1所述的多功能改进圆盘涡轮搅拌装置，其特征在于：圆盘上安装4～12片矩形叶片，叶片分为倾斜叶片(1)和垂直叶片(2)，垂直叶片(2)与圆盘(3)夹角为90°，倾斜叶片(1)同圆盘(3)的夹角为15°～75°，两种叶片相互交错均匀排列。

6.根据权利要求1或3所述的多功能改进圆盘涡轮搅拌装置，其特征在于：圆盘涡轮桨桨叶尺寸：高度T/15～T/10，宽度T/8～T/4。