CN103566797A - 一种应用于发酵罐的错流导向式搅拌桨 - Google Patents

Abstract

一种应用于发酵罐的错流导向式搅拌桨，属于化工机械技术领域。本搅拌桨包括轮毂3、弧面斜叶桨2和错流导向管1。轮毂3为中空圆柱形，弧面斜叶桨2截面为向上凸起的圆弧，弧面斜叶桨桨叶2~4片在轮毂上对称布置，弧面斜叶桨末端设有错流导向管1。搅拌桨安装在罐内搅拌轴上，属轴向流搅拌桨，适用于液-液混合、气-液分散和强制传热等场合。发酵罐内的流体在弧面斜叶桨的作用下做轴向流动，同时在搅拌桨末端的错流导向管作用下，部分流体被导引至桨叶外侧后上方，并冲击至罐壁，与弧面斜叶桨形成的向下轴向流形成交错流动；更有利于流体混合、气液分散和热量传递。本搅拌桨的桨叶结构比较简单，可按需求制作成不同规格和尺寸，制造成本低廉。

Description

一种应用于发酵罐的错流导向式搅拌桨

技术领域

本发明涉及一种应用于发酵罐的错流导向式搅拌桨，可应用于化工、食品、发酵、造纸、纺织等领域，属于化工机械技术领域。

背景技术

搅拌过程是化工、生物、制药、食品、环保等工业中最常见的关键单元操作之一。经过近一个世纪的实验研究和理论探索，当今的流体混合技术已进人快速发展时期，开发了各种不同应用和具有独特性能的搅拌系统，并积累了大量可用于分析和预测混合体系的设计经验和关联式。但由于流体混合体系的多样性和物料流变特性的复杂性，搅拌系统很难采用统一的型式和构造。针对不同的流体特性和搅拌混合需求，开发独具特色和高效节能的搅拌系统是大规模搅拌技术的核心追求目标。目前，国际上搅拌混合技术的研究主要集中在专业混合设备公司，如美国Lightnin、Chemineer等公司、德国EKATO公司、法国Robin公司等。它们不但有自己的设备制造厂，而且在研发上投入巨额的资金来开发各种应用场合的新型搅拌系统。

在生物发酵领域，特别是通风发酵过程中，典型的径向流搅拌桨如Rushton、Chemineer CD-6和Chemineer BT-6，典型的轴向流搅拌桨如Lightnin A200（45o斜叶桨）、Lightnin A310、Lightnin A315和Lightnin A320。径向流搅拌桨Chemineer BT-6显著提高了发酵过程中的气液两相分散效果，轴向流搅拌桨Lightnin A315和Lightnin A320兼具混合和气液分散的功能。径向流搅拌桨与轴向流搅拌桨的高效组合改变了通风发酵搅拌系统高能耗的基本面貌，在中低粘度发酵系统中获得了众多成功应用。

在高粘度通风发酵过程中（如微生物多糖生物合成和丝状菌体培养），高粘度体系使气液两相传质和传热成为限制生物反应器放大规模的瓶颈。由于高粘度发酵液多具有拟塑性流体的特征，在高速旋转的搅拌桨附近，能获得较好的传质和传热效果，但在远离搅拌系统的罐壁附近，流体则几乎处于停滞不动的状态，位于此处的微生物常因缺氧和无法散热导致代谢失常，积累代谢副产物，甚至导致死亡，严重影响发酵产率和生产效率。对于这种高粘度发酵体系，理想的搅拌系统是由发酵罐中心的高速搅拌系统和罐壁附近的低速螺带搅拌系统组成的共轴搅拌系统（Industrial & Engineering Chemistry Research，2005，44， 5036-5043），但底部搅拌系统的机械密封易损，给发酵过程的无菌操作带来高风险，一直影响其在发酵工业的实际应用。近年开发的Intermig桨（Chemical Engineering Science, 2004, 59(18): 3793 - 3805）由于兼具轴向流和末端高剪切的特征，特别适用于罐壁附近处流动停滞和传热不佳的场合，在中高粘度的拟塑性流体系统中获得了应用。但在搅拌桨末端处，高速旋转产生的高剪切力对于丝状菌体等微生物细胞带来潜在的损伤，将对微生物的生长和正常代谢带来不利影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种新型高效的错流导向式搅拌桨，同时兼具良好的轴向混合和气-液分散效果，特别适用于于中、高粘度拟塑性体系的传质和传热过程，而且制造简单，成本低廉。

本发明的技术方案：一种应用于发酵罐的错流导向式搅拌桨，包括轮毂3、弧面斜叶桨2和错流导向管1；

所述轮毂3中心结构为中空圆柱形，轮毂直径一般为搅拌桨直径的1/20~1/5，轮毂的高径比相近，可根据搅拌条件和材料强度进行计算，轮毂上安装有弧面斜叶桨2，轮毂和弧面斜叶桨采用焊接方式连接；轮毂既可以是开式的，也可以是闭式的，可根据不同工况进行选择；

所述弧面斜叶桨2截面为圆弧形，弧面向上凸起，旋转运动时可以形成下压式轴向流；弧面斜叶桨2的数量为2~4片，弧面斜叶桨在轮毂上对称布置，弧面斜叶桨末端设置有错流导向管1；

所述错流导向管1是等径弯管或异径弯管，入口直径与出口直径之比为1.0～2.0︰1，入口直径为搅拌桨直径的1/15～1/8，入口朝下而出口朝上，错流导向管的安装面与搅拌桨的旋转平面呈一夹角，夹角为15o～45o，错流导向管的入口平面与弧面斜叶桨末端轨迹线的切线相垂直，出口平面面向末端轨迹线的外侧后上方（见附图1）；错流导向管1与弧面斜叶桨2采用焊接方式连接；

搅拌桨的直径是发酵罐直径的1/2～4/5。搅拌桨运动过程中，能吸引流体向外侧后上方流动，并冲击至罐壁，与弧面斜叶桨形成的下压式轴向流形成错流，有利于流体混合、气液分散和强制传热。

所述的搅拌桨采用不锈钢板、碳钢板或合金板为加工材料；

所述的搅拌桨的应用，搅拌桨安装在发酵罐内的搅拌轴上，轮毂与搅拌轴的连接方式为紧固螺钉，或并紧螺栓和平键来连接，随着搅拌轴一起旋转。所述搅拌桨在发酵罐内可以单层使用或多层使用，也可以与其它类型搅拌桨组合使用，构成多层搅拌系统。

本发明的有益效果：本发明与现有技术相比，优点在于：

（1）对于高粘度拟塑性流体，具有剪切稀释特征，搅拌桨掠过的区域可以获得很好的混合、传质和传热效果，如果简单地增加宽幅叶搅拌桨直径，所需能耗很大，不利于节能。所述的错流导向式搅拌桨叶片根部为弧面斜叶桨，轴向流性能优于Lightnin A200，直径大，搅拌的工作范围宽，适用于高粘度拟塑性流体反应系统。

（2）叶片根部采用弧面斜叶桨，功率准数较小，搅拌过程不易在桨叶背部形成尾涡而损耗能量。叶片端部采用了等径弯管或异径弯管，起到错流导向的作用，弯管向外侧后上方倾斜，通过弯管的流体被导向罐壁，并与弧面斜叶作用下的轴向流相互交错，一方面，有利于罐壁附近的液体流动，促进流体的混合和气液分散；另一方面，发酵罐通常在内壁设置有蛇管或列管，本发明有利于强化罐壁附近的热量交换。采用弯管设计，有利于减少流体阻力和功率损耗。在弯管通道中，流体进入弯管时先受到压缩，流出弯管时压力突然释放，这个过程有利于流体的微观混合，也有利于气液两相分散。弧面斜叶桨和异径弯管在运动过程中产生错流，桨叶单背部不易产生尾涡，对微生物的剪切损伤比较小，不仅适用于细菌的培养过程，也适用于霉菌、放线菌和酵母菌的培养过程。

（3）搅拌桨根部的弧面斜叶桨可以采用冲压方式加工，端部的异径弯管可通过异径直管弯制和切割，加工比较方便，结构比较简单，设备的清洗和维护比较方便。

附图说明

图1是本发明的错流导向式搅拌桨正视图。

图2是本发明的错流导向式搅拌桨俯视图。

图3 是组合搅拌桨系统示意图。

附图标记说明：1、错流导向管；2、弧面斜叶桨；3、轮毂；a、Chemineer BT-6搅拌桨；b、错流导向式搅拌桨；c、错流导向式搅拌桨；d、轴；e、发酵罐容器；f、机架；g、电机；h、档板；i、夹套；j、进气管。

具体实施方式

实施例1：

错流导向式搅拌桨包括轮毂3、弧面斜叶桨2和错流导向管1，如附图1-2所示。所述轮毂3直径为35mm，高度为40mm，整个搅拌桨的直径为390mm（从对称两片浆叶中一片的导向管外端至另一片的导向管外端），所述弧面斜叶桨2的直径为330mm（从对称两片浆叶中一片的导向管内端至另一片的导向管内端），弧面斜叶桨的根部截面尺寸为（半径R50mm，弧度为45o），端部截面尺寸为（半径R50mm，弧度为23o）。所述错流导向管1入口朝下而出口朝上，错流导向管的安装面与搅拌桨的旋转平面呈25o夹角，错流导向管的入口平面与弧面斜叶桨桨叶末端轨迹线的切线相垂直，入口直径为36mm，出口平面面向搅拌桨末端轨迹线的外侧后上方，出口直径为30mm，弯管中心线的半径为60mm。

实施例2：

所述的错流导向搅拌桨可以应用于通风发酵罐中，如附图3所示。发酵罐系统主要包括：a、Chemineer BT-6搅拌桨；b、错流导向式搅拌桨；c、错流导向式搅拌桨；d、轴；e、发酵罐容器；f、机架；g、电机；h、档板；i、夹套；j、进气管。上二层搅拌桨为错流导向搅拌桨，底层搅拌桨为Chemineer BT-6或锯齿形对称斜叶涡轮搅拌桨（中国专利200820237972.2），组合搅拌系统可应用于高粘度通风发酵过程。底层搅拌桨直径（d1）为发酵罐直径D的1/3，底层桨距离发酵罐底部为1.0 d1；上二层桨采用本发明所述的错流导向搅拌桨，搅拌桨直径（d2）为发酵罐直径D的2/3，这有利于搅拌系统的稳定性和均匀性，两层搅拌桨采用垂直交错布置，底层搅拌桨与第二层搅拌桨之间的间距及第二层搅拌桨与第一层搅拌桨之间的间距均为1.5d1。

Claims (3)

1.一种应用于发酵罐的错流导向式搅拌桨，其特征在于：搅拌桨包括轮毂（3）、弧面斜叶桨（2）和错流导向管（1）；

所述轮毂（3）为中空圆柱形，轮毂直径为搅拌桨直径的1/20～1/5，轮毂的高径比相近，根据搅拌条件和材料强度进行计算，轮毂上安装有弧面斜叶桨（2），轮毂和弧面斜叶桨采用焊接方式连接；轮毂为开式或闭式，根据不同工况进行选择；

所述弧面斜叶桨（2）截面为圆弧形，弧面向上凸起，旋转运动时形成下压式轴向流；弧面斜叶桨（2）的数量为2～4片，弧面斜叶桨在轮毂上对称布置，弧面斜叶桨末端设置有错流导向管（1）；

所述错流导向管（1）是等径弯管或异径弯管，入口直径与出口直径之比为1.0～2.0︰1，入口直径为搅拌桨直径的1/15～1/8，入口朝下而出口朝上，错流导向管的安装面与搅拌桨的旋转平面呈15o～45o的夹角，错流导向管的入口平面与弧面斜叶桨末端轨迹线的切线相垂直，出口平面面向末端轨迹线的外侧后上方；错流导向管（1）与弧面斜叶桨（2）采用焊接方式连接；

搅拌桨的直径是发酵罐直径的1/2～4/5；搅拌桨运动过程中，能吸引流体向外侧后上方流动，并冲击至罐壁，与弧面斜叶桨形成的下压式轴向流形成错流，有利于流体混合、气液分散和强制传热。

2.根据权利要求1所述的搅拌桨，其特征在于搅拌桨采用不锈钢板、碳钢板或合金板为加工材料。

3.权利要求1所述的搅拌桨的应用，其特征在于：所述搅拌桨安装在发酵罐内的搅拌轴上，轮毂与搅拌轴的连接方式为紧固螺钉，或并紧螺栓和平键来连接，随着搅拌轴一起旋转；所述搅拌桨在发酵罐内单层使用或多层使用；或与其它类型搅拌桨组合使用，构成多层搅拌系统。

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