CN104159661A - 改进的动力混合器 - Google Patents

Abstract

一种动力混合器(50)，其包括：围绕预定旋转轴线相对于彼此可旋转的两个混合部件(51)、(52)，每个所述混合部件具有混合面，在所述混合面之间限定在用于待混合物料的入口(56)和出口(57)之间延伸的流动路径；每个所述混合面包括以预定旋转轴线为中心的一系列环形梯级，且具有形成在其内的多个空腔，所述空腔限定流动通道，该流动通道桥接两个混合部件的每个混合部件上的相邻梯级；每个所述混合面是可相互定位的，使得一个混合部件的梯级朝向形成在另一个混合部件的梯级之间的凹部延伸，由此存在于一个混合面中的空腔相对于存在于另一个混合面上的空腔在轴向方向或横向方向上偏移，并与存在于另一个混合面上的空腔在轴向方向或横向方向上重叠，使得在两个混合部件的混合面之间从入口移动到出口的物料在重叠的空腔之间可传递；其中混合部件之一的至少一个梯级以及另一混合部件的至少一个相邻的梯级在轴向方向上比在横向方向上进一步延伸，或反之亦然，使得在两个混合部件之间提供体积大体一致的至少一个环形混合区。

Description

改进的动力混合器

技术领域

本发明涉及动力混合器，且具体涉及一种与现有技术的混合器相比具有理想(或更理想)混合特性的改进的动力混合器。

背景技术

已知的动力混合器包括围绕预定轴线相对于彼此可旋转的两个元件或混合部件，且在两个元件或混合部件之间限定在用于待混合物料的入口和出口之间延伸的流动路径。在这种已知的混合器中，流动路径限定于所述混合部件的表面之间，其表面中的每个表面都具有在该表面内形成的空腔。形成在一个表面中的空腔相对于另一个表面中的空腔在轴向方向上偏移，并且一个表面中的空腔与另一个表面中的空腔在轴向方向上重叠。其结果是，在两个表面之间移动的物料在重叠的空腔之间传递。因此，在使用中，待混合的物料在混合部件之间移动，并沿着通过交替位于两个表面中的每个表面上的空腔的路径行进。这种包括空腔的混合器通常被称为“空腔传递式混合器”。

已知的空腔传递式混合器可具有圆柱形的几何形状，其是通常形成设备转子的具有大致圆柱形的外表面的内混合部件，以及通常形成设备定子的具有大致圆柱形的内表面的外混合部件，或者，最近更多地，已知的空腔传递式混合器可具有梯级锥形几何形状，其是具有大致锥形外表面的内混合(转子)部件以及具有大致锥形内表面的外混合(定子)部件。在这两种情况下，在两个相向的外表面和内表面中形成成行的空腔，成行的空腔在轴向方向上重叠，使得待混合的物料通常从一个表面的一行中的空腔通到另一个表面的相邻行中的空腔内。

例如如在WO02/38263A1中所述，梯级锥形几何形状的空腔传递式混合器出于一些原因优于圆柱形空腔传递式混合器，所述原因包括，对于圆柱形混合器而言，通常需要以可分离的形式来制备外定子以便使得能够在其内表面上形成成行的空腔，而梯级锥形几何形状的空腔传递式混合器中每个定子和转子的互补梯级锥形几何形状意味着每个部件可以整体制备，其中空腔容易地在两个表面中形成；梯级锥形几何形状的混合器在定子和转子之间没有开放的环形空间，不像圆柱形混合器，这降低了物料有效地旁绕过空腔直接穿过所述空间的可能性；梯级锥形几何形状的混合器的不对称传递的可能性降低，不像圆柱形混合器，该传递可导致轴向的向后流动或向前流动，其会产生物料在空腔内最终积聚的停滞模式；以及圆柱形空腔传递式混合器缺乏自泵送和/或自清洁能力，仅举几例。然而，迄今为止优先于圆柱形空腔传递式混合器来选择梯级锥形几何形状的空腔传递式混合器(尤其是WO02/38263A1中所述的)的主要原因在于因为可实现优异的分布性和分散性的混合。

物料分布性混合的目的是改善其组分的空间分布和均匀性，而物料中的任何固有粘接阻力起到微不足道的作用。分布性混合有时也称为“简单混合”或“广泛混合”。然而，对于分散性混合而言，必须克服被混合物料中的固有粘接阻力，以实现更精细水平的分散。分散性混合有时也称为“集中混合”，且通常比分布性混合更难于实现；至少直到出现梯级锥形几何形状的传递(特别是在WO02/38263A1中所述的)，上述都是真实情况，如上文所述的该梯级锥形几何形状的传递使得能够实现优异的分布性和分散性的混合。

然而，尽管使用梯级锥形几何形状的空腔传递式混合器具有优于圆柱形几何形状的空腔传递式混合器的明显优势，但是理想的是对已知的梯级锥形几何形状的混合器可实现的优异的分布性和分散性混合进行改进，例如降低可能在从入口传递至出口的物料上发生的压降幅度，通过对其适当控制将施加到被混合的物料上的拉伸和/或剪切应力优化，以及提供均匀的剪切和拉伸应力的能力。

发明内容

因此本发明的目的在于提供一种空腔传递式混合器，其与已知的空腔传递式混合器相比，特别是与梯级锥形几何形状的混合器相比进行了改进，尤其是对(但不是必须地)涉及到在前述段落中描述的任何期望的方面进行了改进。

因此，本发明提供一种动力混合器，其包括：

两个混合部件，其围绕预定旋转轴线相对于彼此可旋转；

每个所述混合部件具有混合面，在所述混合面之间限定在用于待混合物料的入口和出口之间延伸的流动路径；

每个所述混合面包括以预定旋转轴线为中心的一系列环形梯级，且具有形成在其内的多个空腔，所述空腔限定流动通道，该流动通道桥接两个混合部件的每个混合部件上的相邻梯级；

每个所述混合面是可相互定位的，使得一个混合部件的梯级朝向形成在另一个混合部件的梯级之间的凹部延伸，由此存在于一个混合面中的空腔相对于存在于另一个混合面上的空腔在轴向方向或横向方向上偏移，并与存在于另一个混合面上的空腔在轴向方向或横向方向上重叠，使得在两个混合部件的混合面之间从入口移动到出口的物料在重叠的空腔之间可传递；

其中，混合部件之一的至少一个梯级以及另一混合部件中的至少一个相邻的梯级在轴向方向上比在横向方向上进一步延伸，或反之亦然，使得在两个混合部件之间提供体积大体一致的至少一个环形混合区，在至少一个环形混合区中剪切和拉伸应力可被施加到被混合物料上。

提供这种改进的动力混合器是有利的，因为其能够使压降的幅度降低，否则压降可能发生在从入口传递到出口的物料上，其使得能够优化被施加到物料上的拉伸和/或剪切应力并允许对其进行适当控制，其使得能够提供均匀的剪切和拉伸应力，且重要的是保持通过已知的梯级锥形几何形状的混合器可实现的优异的分布性和分散性的混合特性。这些益处源自环形梯级在垂直于流动路径的方向上重叠的事实，使得一个混合部件上的梯级延伸到另一混合部件上的梯级之间的凹部内，且由于存在体积一致的相邻空腔的至少一个环形、典型高应力的混合区，其存在于两个相对旋转的混合部件之间的所述环形梯级中。在一个方向上进入到空腔内的物料在被排出之前有效地重新定向成在不同的方向上离开该空腔，且被迫流动通过至少一个环形混合区，然后优选地被迫传递到沿其流动路径的至少另一个空腔内。从而这种混合器提供高度有效的和高效率的分散性和分布性混合，导致在流动路径长度上的压降降低并使得能够将待施加的拉伸和/或剪切应力优化。

用于物料流动通过混合器的流动路径采用存在于两个混合部件之间的狭窄间隔/间隙；该间隙通常可为数十微米的量级(例如50微米)。当然，在提供重叠空腔的情况下，该间隔/间隙必须大于另外的在不提供空腔情况下在至少一个环形混合区中存在于两个相对旋转的混合部件之间的间隔/间隙。在至少一个环形混合区内，待混合的物料经受集中的剪切和拉伸应力。

在根据本发明的混合器中，一系列环形梯级的每个梯级可包括一对大体正交的表面。这些表面的一个或两个可以是平面的或可以是弯曲的。混合器中的混合部件之一的至少一个梯级的延伸以及另一混合部件中的至少一个相邻梯级的延伸优选导致一对相互对置的、进一步优选连续的、环形表面，其形成至少一个环形混合区。在根据本发明的混合器中可存在至少两个、且可能为多个、环形混合区，所述环形混合区在它们各自的体积上可以是不相同的，从而成为用于提供对拉伸和/或剪切应力优化进行控制的一种手段。

包括在环形梯级中的表面之一可大体平行于预定旋转轴线延伸，因此之后可被称为“轴向表面”，而另一表面可大体横向于所述旋转轴线延伸，因此之后可被称为“横向表面”。取决于混合器的特定构造，一对相互对置的环形表面均可大体平行于预定旋转轴线延伸。在这种构造中，一对相互对置的环形表面中的一个表面可以与预定旋转轴线成一定角度延伸，优选成锐角地延伸。可替换地，一对相互对置的环形表面均可大体横向于预定旋转轴线延伸。在这种可替换构造中，一对相互对置的环形表面中的一个表面可以一定角度横向于预定旋转轴线延伸，优选以锐角横向于预定旋转轴线延伸。

在本发明的第二实施例中，所述一对相互对置的环形表面中的至少一个表面可优选设置有突起，该突起朝向一对表面中的另一个突出，以减小两者之间的间隔/间隙(例如，从约50微米到10微米或更少)。当表面中的另一个与预定旋转轴线成一定角度、优选成锐角地延伸，或以一定角度、优选成锐角地横向于预定旋转轴线延伸(如上所述)时，这种实施例会是特别有益的，因为突起和成角度表面的相对轴向位置易于且精确可控，以精确限定两者之间的间隔/间隙。这种优越的控制意味着在表面突起和另一个表面之间可以易于实现非常小的间隔(数十微米或更少的量级)，此外提供用于控制拉伸和/或剪切应力优化的装置，以及用于降低整个系统压降的装置。

在优选的实施例中，突起可为环形棱柱的形式，其优选可以是连续的或可以是分段的环形棱柱，即其可以是非连续的。此外，突起可展现截头的横截面。优选地，所述突起可以是具有三角形、优选为截头三角形的棱柱横截面的环形棱柱的形式，但是应该指出的是横截面可替换地可以为任何其它合适的形式，例如四边形、曲线形等。

突起的形式可在每一接连的突起之间改变，使得沿着在入口和出口之间的流动路径的长度可实现不同的间隔/间隙，从而改变施加到被混合物料上的拉伸和/或剪切应力。

转到形成在根据本发明混合器的混合面的每个混合面中的空腔的性质，一系列环形梯级的梯级中可以形成有周向间隔的空腔阵列。每个环形梯级可设置有这种阵列。空腔中的每个空腔可为部分球形的或适于限定流动路径的任何其它几何形式，诸如直边槽和曲边槽。此外，空腔中的每个空腔或一些空腔可被分支，使得沿着由以单个突起的空腔限定的流动通道流动的物料在其离开流动通道之前被分成分开的流，或在不同分支中的分开物料流被合并。

由于一系列环形梯级在其内具有空腔的构造，混合器本身包括处于与旋转轴线相距不同距离处的多个界面表面。这在分批混合系统中是特别重要的，因为由该多个表面施加到被混合物料的动能上的差异给物料提供趋于将其推动通过混合器的动力。其结果是泵送作用，其降低物料在混合器内卡住的可能性。

此外，由空腔限定的流动通道可成形和/或成角度以增强泵送作用，由此所获得的推动力可用于将物料泵送通过混合器和/或在其混合操作结束时清空混合器，提供自清洁功能。这种构造在处理较高粘度物料例如聚合物时是特别重要的。

当然，该布置可以颠倒，使得一些外部泵送装置迫使物料径向向内流动，使得入口和出口颠倒。在这种情况下，固有的离心泵送作用提供背压以及更集中的混合作用。这种“颠倒”布置的应用如在线混合器，其中需要一定程度的反混。

假设空腔的数目和/或尺寸和/或形状可在一系列中的相邻环形梯级之间改变，待混合的物料在其穿过混合器时可被迫分成不同的流。流动通道中的每个流动通道均为从入口通向出口的物料呈现限定清楚的进入区域和离开区域。这些进入和离开区域的相对尺寸可被控制，以在一行空腔内或成行空腔之间的一个空腔内是不同的。对于空腔而言这种改变在进入和离开之间的相对尺寸的能力使得能够调节局部的流动特性，以提供变化的流速和压力。

源自于可能的空腔变化的这种益处支持在混合器的两个混合部件之间存在至少一个环形混合区。优选地，在每个混合部件的一系列环形梯级中，环形混合区可存在于每一接连的梯级之间，或每隔一个环形梯级之间，在两个混合部件之间可有合适的关联。当然，取决于最终期望的混合特性可以设置环形梯级和环形混合区的许多不同排列。

为便于以另外的模式对混合特性进行控制，在混合部件中的一系列环形梯级的相邻梯级可限定不同数目、尺寸和/或形状的空腔。

混合器的整体构造可以使得两个混合部件中的每个混合部件的混合面均是大致锥形的。其结果是，这两个混合部件可相互旋转地布置，使得存在于混合面(除了设置空腔的之外)中的每个混合面中的相邻环形梯级之间的间隙在整个流动路径上大体恒定。在优选的实施例中，两个混合部件的混合表面可大致是锥形的，其中环形梯级成形为使得内锥形混合部件(在此其也可被称为转子)可通过在两个混合部件之间在平行于预定旋转轴线方向上的相对侧向位移而定位到外锥形混合部件(在此也可被称为定子)内。当然，下述同样是可能的，即内锥形混合部件是固定的(即，定子)且外锥形混合部件是可旋转的(即转子)，或者内锥形混合部件和外锥形混合部件同向旋转(即以相同或不同的速度在相同的方向上旋转)，或者内混合部件和外混合部件反向旋转(即以相同或不同的速度在相反方向上旋转)。这种布置还得益于下述事实，即混合部件因为它们固有的构造无需被分成两半，这意味着其相对易于制造或以其它方式在其内形成环形梯级和空腔。在用于控制两个混合部件的大致锥形表面之间的间隔/间隙的过程中，可提供用于使得两个混合部件相对于彼此轴向位移的装置。一个表面可由中空的外混合部件(定子)的内表面来限定，而另一表面可由实心的内混合部件(转子)的外表面来限定，入口限定在外混合部件中。可替换地，布置可颠倒，使得内混合部件(转子)是中空的，且入口限定在其中。两个混合部件的相对轴向位置的调节提供对混合表面(特别是限定至少一个环形混合区的那些)之间间隔的附加控制，以提供附加的可调节控制机构。这种调节将导致在相邻元件中的空腔之间传递的物料上的不同水平的剪切应力。

在相对取向方面，进入混合器的入口可被限定成大体平行于预定旋转轴线延伸，而出口可被限定成大致横向于所述轴线延伸。可替换地，入口和出口均可被限定成大体横向于预定轴线延伸或旋转。

另外的益处为根据本发明的混合器可设有一个或多个附加的入口，附加的或不同的物料可通过所述附加的入口引入，例如通过注入或其它合适的输入装置。这种附加的入口可定位成使得在混合过程中的不同阶段能够添加不同的物料，从而将添加到被混合物料内的附加的反应性中间产物考虑在内。此外，后期阶段内引入的物料与前期引入的那些相比通常处于较低压力下，这可以降低任何相关泵送系统的成本和复杂性。

根据本发明的混合器在机械上将是稳健耐用的，且可具有内置的适当加热/冷却功能以补偿(如需要)其组件部件中的任一个(包括两个混合部件或其部段)的任何膨胀/收缩，以避免其间的不需要的机械接触。在至少一个环形混合区中避免接触是特别重要的，在上述区中环形表面通常处于极其紧密的间隔关系(如上面所论述的，可能在10微米或更少的量级)。

此外，两个混合部件的至少一个可支撑叶轮，以当所述两个混合部件相对于彼此旋转时提供泵送效果。对于可实现其的方式，可参照WO02/38263A1中的相关教导。

可以理解根据本发明的混合器可与辅助设备(例如用于在混合之前将物料切割成更小碎片的装置)进行组合。此外，根据本发明的混合器用途非常广泛，且可用在许多不同的应用中，例如可用在所有的流体到流体的混合以及流体到固体(包括表现出类似流体流动行为的固体)的混合应用中，可用在粒径粉碎、粘度改性和反应速率的提高上。流体可以是分散于单流和/或多流中的液体和气体。

根据本发明的混合器可用于所有的分散性和分布性混合操作，包括乳化、均质化、融合、掺混、悬浮、溶解、加热、尺寸减小(粉碎)、反应、润湿、水合、通气和气化之类。如上所述，根据本发明的混合器可在分批或连续(在线)的操作中采用。因此本混合器可用于取代传统的空腔传递式混合器(包括圆柱形混合器和梯级锥形几何形状混合器)或可用于取代标准的工业高剪切混合器。此外，根据本发明的混合器将在家居以及工业应用中使用。其中可适于使用根据本发明混合器的工业实例包括散装化学品，精细化学品、石化产品、农用化学品、食品、饮料、药品、保健品、个人护理产品、工业及家居护理产品、包装、油漆、聚合物、水和废物处理。

本发明还提供了使用如上所限定的动力混合器进行混合的方法，其在相对低的速度下操作以产生层流条件，其导致在空腔内和空腔之间有效的分布性混合，同时在环形混合区内产生层流或紊流条件，其导致有效的分散性混合。例如当处理融合时要求最小量的应力、之后进行短时间段的高应力，之后再进行一段时间的低应力搅拌的物料时，上述可以应用。

本发明另外还提供了使用如上所限定的动力混合器进行混合的方法，其在相对高的速度下操作以在空腔内和空腔之间产生紊流条件，其导致有效的分布性和分散性混合，通过提供适当水平的前处理和/或后处理，有效的分布性和分散性混合在高应力区中增强主要的分散性混合。

附图说明

为了能够更好地理解，现在将参照示意性附图(非等比例)仅仅通过非限制性实例的方式对本发明更具体地描述，其中：

图1是通过根据本发明第一实施例的混合器的轴向截面；

图2是图1的混合器的混合部件的端视图；

图3是通过根据本发明第一实施例的可替换混合器的轴向截面；

图4是图3的混合器的混合部件的端视图；

图5是通过根据本发明第二实施例的混合器的轴向截面；

图6是图5的混合器的混合部件的端视图；

图7是通过根据本发明第一实施例的可替换混合器的轴向截面；

图8是图7的混合器的混合部件的端视图；

图9是通过根据本发明第四实施例的混合器的部分轴向截面；

图10是通过根据本发明第五实施例的混合器的部分轴向截面；以及

图11是通过根据本发明第六实施例的混合器的轴向截面。

具体实施方式

参照图1，所示的动力混合器10包括内转子11和外定子12形式的两个混合部件，内转子11和外定子12相对于彼此可旋转，在该情况下，转子11相对于静止的定子12围绕预定旋转轴线R可旋转。转子11安装在轴13上，轴13支撑在壳体15内的轴承14中。定子12安装在壳体15上。定子12限定混合器入口16和混合器出口17。

一系列四个环形梯级18沿着定子12的大致锥形内混合表面延伸，每个梯级18由第一表面18a和第二表面18b限定，第一表面18a是圆柱形的并以轴线R为中心(从而是轴向表面)，第二表面18b是平面的并垂直于轴线R(从而是横向表面)。在一个梯级18的第一表面18a和相邻梯级18的第二表面18b相遇处形成凹部19。第一表面18a中的每个在轴向方向上比在横向方向(即第二表面18b延伸的方向)上明显地进一步延伸。

转子11类似地支撑四个环形梯级20，四个环形梯级20沿着转子11的大致锥形外部混合表面延伸。每个梯级20由第一表面20a和第二表面20b限定，第一表面20a是圆柱形的并以轴线R为中心(从而是轴向表面)，第二表面20b是平面的并垂直于轴线R(从而是横向表面)。在一个梯级20的第一表面20a和相邻梯级20的第二表面20b相遇处形成凹部21。第一表面20a中的每个同样在轴向方向上比在横向方向(即第二表面20b延伸的方向)上明显地进一步延伸。

如图1中所示，在转子11位于定子12的中空内时，定子的第一表面18a与转子的第一表面20a处于紧密间隔的关系，同时定子的第二表面18b与转子的第二表面20b处于紧密间隔的关系，其中该紧密间隔的关系在其之间限定小的间隙22(例如为50微米的量级)。通常情况下，待处理的物料的粘度越高，则表面之间的间隙将越大，反之亦然。

由于间隙22沿着每个转子11和定子12的梯级锥形形状行进，因此当其从入口16延伸到出口17时，很明显间隙22不是直线的。因此从入口16通向出口17的物料(未示出)无法跟随直线路径。

多个空腔23设置于定子12的环形梯级18的每个环形梯级中，且多个空腔24设置于转子11的环形梯级20的每个环形梯级中，空腔24在转子11中的构造最佳地示出在图2中，在下面将对其进行更详细的描述。尽管如此，位于每个定子12和转子11上的空腔23，24相互如此构造以使得在轴向方向上相对于彼此偏移但重叠，以便于物料从入口16到出口17的移动。

重要的是，在轴向方向上在定子12的非重叠空腔23和转子11的空腔24之间，分别在每个定子12和转子11的轴向延伸的第一表面18a、20a之间提供环形混合区25。在环形混合区25的区域中的间隙22保持恒定，从而提供体积大致一致的区域，在该区域内将施加高拉伸和/或剪切应力的被混合物料(未示出)。当然，间隔22可在接连的环形混合区25中变化也在本发明的范围之内。

参照图2，示出转子11的环形梯级20的横向第二表面20b。在这些平面表面20b的每个平面表面中，提供均等间隔排列的空腔24。在最内侧的环形梯级20中，形成五个空腔24a。在接下来的环形梯级(根据转子11的大致锥形形状具有较大的直径)中，形成八个空腔24b。在接下来的环形梯级(具有更大的直径)中，形成十一个空腔24c。最后，在最外侧的环形梯级(具有最大直径)中，形成十四个空腔24d。每个空腔24都是部分球形的，并布置成使得每个的外围(除了位于最内侧环形梯级中的那些之外)延伸跨过表面20b的整个宽度，但只有一部分沿着轴向第一表面20a的宽度延伸，轴向第一表面20a在轴向方向上延伸，以提供环形混合区25。

参照图3和图4，动力混合器30类似于图1和图2中所示的动力混合器10，并且由于该原因，相同的特征将被给予相同的附图标记(但是增加二十的数值)。可以假设在图3和图4中所示的特征与图1和图2中所示的那些相应特征构造相同并执行相同的目的，除非如在以下段落中所述的修改。

在沿着定子32的大致锥形内混合表面延伸的一系列四个环形梯级38中，第二表面38b中的每个在横向方向上比在轴向方向(即第一表面38a延伸的方向)上明显地进一步延伸。类似地，在沿着转子31的大致锥形混合表面延伸的一系列四个环形梯级40中，第二表面40b中的每个同样在横向方向上比在轴向方向(即第一表面40a延伸的方向)上明显地进一步延伸。

在定子32的每个环形梯级38中设置的多个空腔43以及在转子31的每个环形梯级40中设置的多个空腔44中，在定子32和转子31的每个上的空腔43、44相互如此构造以使得在横向方向上相对于彼此偏移但重叠，以便于促进物料从入口36到出口37的移动。

重要的是，在横向方向上在定子32的非重叠空腔43和转子31的空腔44之间，分别在每个定子32和转子31的横向延伸的第二表面38b、40b之间提供环形混合区45。在环形混合区45的区域中的间隙42保持恒定，从而提供体积大致一致的区域，在该区域内将施加高拉伸和/或剪切应力的被混合物料(未示出)。

参照图4，示出转子31的环形梯级40的横向第二表面40b。在这些平面表面40b的每个平面表面中，提供均等间隔排列的空腔44。在最内侧的环形梯级40中，形成四个空腔44a。在接下来的环形梯级(根据转子31的大致锥形形状具有较大的直径)中，形成十二个空腔44b。在接下来的环形梯级(具有更大的直径)中，形成二十个空腔44c。最后，在最外侧的环形梯级(具有最大直径)中，形成二十八个空腔44d。每个空腔44都是部分球形的，并布置成使得每个的外围(除了位于最内侧环形梯级中的那些之外)延伸跨过轴向第一表面40a的整个宽度，但只有一部分沿着横向第二表面40b的宽度延伸，横向第二表面40b在横向方向上延伸，以提供环形混合区45，在图4其以虚线轮廓示出。

图2和图4分别示出在两个转子11、31中的各个空腔24、44的相对配置。假定相邻的环形梯级20、40限定不同数目的空腔24、44，当转子11、31在定子12、32内转动时，通过混合器10、30的最小阻力路径连续地改变。从而待混合的物料跟随复杂的路径，其确保优异的分布性和分散性混合，同时还穿过至少一个环形混合区25、45，在上述区内另外经受高拉伸和/或剪切应力。

参照图5和图6，动力混合器50类似于图1和图2中所示的动力混合器10，并且由于该原因，相同的特征将被给予相同的附图标记(但是增加四十的数值)。可以假设在图5和图6中所示的特征与图1和图2中所示的那些相应特征构造相同并执行相同的目的，除非如在以下段落中所述的修改。

在沿着转子51的大致锥形内混合表面延伸的一系列四个环形梯级60中，其中每个梯级60由第一表面60a和第二表面60b限定，第一表面60a是圆柱形的并以轴线R为中心(从而是轴向表面)，第二表面60b是平面的并垂直于轴线R(从而是横向表面)，以及其中第一表面60a中的每个在轴向方向上比在横向方向(即第二表面60b延伸的方向)上明显地进一步延伸，在第一表面60a中的每个的延伸部分中设置有环形突起66。

例如在该特定实施例中，环形突起66具有三角棱柱的横截面(其也可被截头)，其从表面60a朝向定子52的对应第一表面58a的延伸部分延伸。从而凭借在定子52的第一表面58a与转子51的第一表面60a之间，以及在定子52的第二表面58b与转子51的第二表面60b之间的紧密间隔关系而存在的间隙62减小(例如，到10微米或更少)“辊隙”(“nip”)，该“辊隙”在环形突起66的三角棱柱的横截面的顶端和定子的第一表面58a之间创建，以进一步增加可以被施加到被混合物料上的应力程度。

在图1至图4中所示的本发明实施例与图5和图6所示的当前实施例之间的另一差异在于下述事实，即在图1至图4的实施例中，定子12、32的表面18a、18b和38a、38b相互垂直。但是如图5中所示，其它布置也是可能的，例如，在定子52的形成环形混合区65的第一表面58a的延伸部分大致是截头锥形的情况下，锥形以轴线R为中心。由于这种构造，转子51和定子52之间的相对轴向位移分别使得在第一表面60a、58a之间的间隔/间隙62改变，以及分别使得第二表面60b、58b之间的间隔改变，以及最重要的是，使得在截头锥形表面58a和突起66的顶端之间的间隔改变。

参照图7和图8，动力混合器70类似于图3和图4中所示的动力混合器30，并且由于该原因，相同的特征将被给予相同的附图标记(但是增加四十的数值)。可以假设在图7和图8中所示的特征与图3和图4中所示的那些相应特征构造相同并执行相同的目的，除非如在以下段落中所述的修改。

在沿着转子71的大致锥形内混合表面延伸的一系列四个环形梯级80中，其中每个梯级80由第一表面80a和第二表面80b限定，第一表面80a是圆柱形的并以轴线R为中心(从而是轴向表面)，第二表面80b是平面的并垂直于轴线R(从而是横向表面)，以及其中第二表面80b中的每个在横向方向上比在轴向方向(即第一表面80a延伸的方向)上明显地进一步延伸，在第二表面80b中的每个的延伸部分中设置有环形突起86。

例如在该实施例中，环形突起86具有三角棱柱的横截面(其也可被截头)，其从第二表面80b朝向定子72的对应第二表面78b的延伸部分延伸。从而凭借在定子72的第一表面78a与转子71的第一表面80a之间以及在定子72的第二表面78b与转子71的第二表面80b之间的紧密间隔关系而存在的间隙82减小(例如，到10微米或更少)“辊隙”，该“辊隙”在环形突起86的三角棱柱的横截面的顶端和定子的第二表面78b之间形成，以进一步增加可以被施加到被混合物料上的应力程度。

虽然在图7中未示出，在图1至图4中所示的本发明实施例和在图7和图8中所示的当前实施例之间的另一可能差异将是提供定子72的第二表面78b的延伸部分，其形成大致为截头锥形形式的环形混合区85，其中锥形以轴线R为中心。由于这种构造，在转子71和定子72之间的相对轴向位移将分别使得第二表面80b、78b之间的间隔/间隙82改变，以及分别使得第一表面80a、78a之间的间隔改变。

当然，关于环形突起66、86在图5、图6、图7和图8所示的实施例中的相对位置，所述突起可能能够替代性地或另外地设置在另一混合部件上，即如果在转子上，则所述突起另外地或可替换地设置在定子上，或者如果在定子上，则所述突起另外地或可替换地设置在转子上。

转动到图9中所示的实施例，动力混合器90非常类似于图5和图6中所示的动力混合器50，并且由于该原因，相同的特征将被给予相同的附图标记(但是增加四十的数值)。可以假设在图9中所示的特征与图5和图6中所示的那些相应特征构造相同并执行相同的目的，除非如在以下段落中所述的修改。

朝向其中设置入口96的定子92的端部，但与其垂直地设置附加入口107，待混合物料(未示出)的第二或另一个流通过其可被并入到经由入口96已被引入到混合器90内的待混合物料(未示出)内。结果，设置于定子92的第一环形梯级98中的主要空腔108以及设置于转子91的第一环形梯级100中的主要空腔109与每个中的剩余空腔相比是细长的；这样做是为了提供增加的体积，当空腔108、109中的每个重叠时在可上述体积内实现紊流条件，其中转子91在定子92内的旋转导致通过入口96和附加入口107的物料的初始混合。通过提供邻近入口96的附加入口107，待混合物料的第二或另一个流在混合过程的早期引入，其在流动通过混合器90到达附加地施加高拉伸和/或剪切应力的环形混合区105之前经由在重叠的空腔108，109内创建的紊流混合区确保优异的分布性和分散性混合。

转动到图10中所示的实施例，动力混合器120非常类似于图9中所示的动力混合器90，并且由于该原因，相同的特征将被给予相同的附图标记(但是增加三十的数值)。可以假设在图10中所示的特征与图9中所示的那些相应特征构造相同并执行相同的目的，除非如在以下段落中所述的修改。

朝向其中设置入口126的定子122的端部，但与其垂直地设置第一附加入口137，待混合物料(未示出)的第二或另一个流通过其可被并入到经由入口126已被引入到混合器120内的待混合物料(未示出)内。结果，设置于定子122的第一环形梯级128中的主要空腔138以及设置于转子121的第一环形梯级130中的主要空腔139与每个中的剩余空腔相比是细长的。细长空腔的提供是可选的，但更优选地是具有更大的流速。

此外，沿着定子122轴向长度的大致中路，设置第二附加入口140，待混合物料(未示出)的第三或还一个流通过其可被并入到经由入口126以及可选地还可经由第一附加入口137已被引入到混合器120内的待混合物料内。第二附加入口140存在的结果，使得定子122中的相应空腔141是细长的(以与空腔138相同的方式)，以及转子121的对应第一表面128a还进一步延伸，以便与细长空腔141共同延伸。提供细长空腔141同样是为了提供增加的体积，在将通过第二附加入口140的物料的第三或还一个流与经由入口126以及可选地还可经由第一附加入口137在流动路径中更早提供的部分混合物料相混合时在上述体积中实现紊流条件。通过在轴向方向上沿着定子122的大致中路提供第二附加入口140，提供另一控制机构来确定另外的物料引入到物料流动路径内的形式和计时。

最后转到图11，示出的动力混合器150包括外转子151和内定子152形式的两个混合部件，外转子151和内定子152相对于彼此可旋转，在该情况下，转子151相对于静止的定子152围绕预定旋转轴线R可旋转。转子151安装在轴153上，轴153支撑在壳体155内的轴承154中。定子152安装在壳体155上。定子152限定混合器入口156和两个混合器出口157。

转子151围绕旋转轴线R大致对称。转子151还围绕垂直于轴线R的轴线P大致对称，导致“双筒”转子151，“双筒”转子151有效地对应于图3和图4中所示的转子31(标记为“A”)，其围绕轴线R联结到其镜像(标记为“B”)。定子152在配置上类似，以包括联结到其镜像(标记为“D”)的部分“C”(其有效地对应于图3中所示的定子32)。

定子部分C和D均包括一系列四个环形梯级158，环形梯级158沿着它们的大致锥形内混合表面延伸，每个梯级158由第一表面158a和第二表面158b限定，第一表面158a是圆柱形的并以轴线R为中心(从而是轴向表面)，第二表面158b是平面的并垂直于轴线R(从而是横向表面)。在一个梯级158的第一表面158a和相邻梯级158的第二表面158b相遇处形成凹部159。第二表面158b中的每个在横向方向上比在轴向方向(即第一表面158a延伸的方向)上明显地进一步延伸。

转子部分A和B均类似地支撑沿着它们的大致锥形外部混合表面延伸的四个环形梯级160，每个梯级160由第一表面160a和第二表面160b限定，第一表面160a是圆柱形的并以轴线R为中心(从而是轴向表面)，第二表面160b是平面的并垂直于轴线R(从而是横向表面)。在一个梯级160的第一表面160a和相邻梯级160的第二表面160b相遇处形成凹部161。第二表面160b中的每个同样在横向方向上比在轴向方向(即第一表面160a延伸的方向)上明显地进一步延伸。

如图11中所示，当定子152位于双筒转子151的中空内时，定子152的第一表面158a与转子151的第一表面160a处于紧密间隔的关系，同时定子152的第二表面158b与转子151的第二表面160b处于紧密间隔的关系，其中紧密间隔的关系在其之间限定小的间隙162(例如为50微米的量级)。

由于间隙162沿着转子151的部分A和B以及定子152的相应部分C和D中的每个的梯级锥形形状行进，因此当其从入口156延伸到出口157时，很明显间隙162不是直线的。因此从入口156通向出口157的物料(未示出)无法跟随直线路径。

多个空腔163设置于定子152的环形梯级158的每个环形梯级内，且多个空腔164设置于转子151的环形梯级160的每个环形梯级内。在定子152和转子151中的每个上的空腔163、164相互如此构造，以使得在横向方向上相对于彼此偏移但重叠，以便于物料从入口156到出口157的移动。

重要的是，在横向方向上在定子152的非重叠空腔163和转子151的空腔164之间，分别在定子152和转子151的每个的横向延伸的第二表面158a、160a之间提供环形混合区165。在环形混合区165的区域中的间隙162保持恒定，从而提供体积大致一致的区域，在该区域内将施加高拉伸和/或剪切应力的被混合物料(未示出)。

此外，应该注意到间隙162以混合环166的形式从初始体积收窄，混合环166从入口156开口到出口157。被引入到入口156内的待混合物料(未示出)在沿着由环形梯级158、160限定的梯级锥形路径向上和向外推动到出口157中的每个之前在该混合环166(其在轴向方向上与其在部分A和B之间的部段中的转子轴153共同延伸)内围绕转子轴153旋转。这种构造的益处在于在环形混合区165内产生的轴向分离力围绕对称轴线P平衡。这减少或消除在轴承154上的最终轴向负载。如果需要如此，转子151能够将其中心轴向地定在定子152之间。

当然，虽然在图11中的实施例中未示出，但是相对于图5至图10中的任一个所述的修改中的任意一项或多项(诸如存在突起)可并入到图11的实施例中，从而实现前述的附加控制手段。

此外，围绕R的几何不对称性(部分A和C之间以及部分B和D之间)可在两侧内产生不同流态同时提供液压平衡的一些措施。例如，A和C之间的较窄间隙将导致与施加到B和D之间的混合能量相比更高的特定混合能量。这种差异可被利用来获得在两个流出流之间的不同物料特性，诸如乳液液滴尺寸：然后这些可被混合以便从单个机器形成双峰粒径分布。

也可以以其它方式实现对称性，例如空腔163、164可位于出口157轴线的外侧。

通过在此描述的本发明的所有实施例，转子和/或定子均可配备有用于加热和/或冷却的流体通道和/或表面。

对根据本发明的上述实施例中的任何一个的动力混合器可应用的具体应用包括：

1.形成油-水乳液。例如，在石化工业内，应用包括：

(i)为了降低重馏分油的粘度，形成水包油(O/W)乳液；

(ii)为了降低成本以及提高排放控制，形成油包水(W/O)乳液；以及

(iii)为了提高反应速率，进行油试剂混合。

2.在低和/或高粘度流体内的固体、半固体和/或高粘度粒子的尺寸减小，并与该低和/或高粘度流体融合。例如，在食品行业内，应用包括：

(i)糖晶体的粉碎；

(ii)食用油脂精炼；以及

(iii)巧克力固体的粉碎。

另外，通过实例的方式，在聚合物工业内，应用包括在基础聚合物内粉碎并融合固体成分，诸如填料和试剂。

在低和/或高粘度流体内的固体、半固体和/或高粘度粒子的尺寸减小，并与该低和/或高粘度流体融合可导致这些物料的粘度改变。例如，在聚合物工业内，应用包括：

(i)分子内的链断裂，例如碳-硫键；以及

(ii)之前链接的烃链的增溶。

在食品行业内，应用包括：

(i)巧克力精炼；以及

(ii)巧克力的研拌。

此外，在低和/或高粘度流体内的固体、半固体和/或高粘度粒子的尺寸减小，并与该低和/或高粘度流体融合可导致物料和物料体系的反应速率的提高。

Claims (35)

1.一种动力混合器，其包括：

两个混合部件，所述混合部件围绕预定旋转轴线相对于彼此可旋转；

每个所述混合部件具有混合面，在所述混合面之间限定在用于待混合物料的入口和出口之间延伸的流动路径；

每个所述混合面包括以所述预定旋转轴线为中心的一系列环形梯级，且具有形成在其内的多个空腔，所述空腔限定流动通道，所述流动通道桥接所述两个混合部件中的每个混合部件上的相邻梯级；

每个所述混合面是可相互定位的，使得一个混合部件的梯级朝向形成在另一个混合部件的梯级之间的凹部延伸，由此存在于一个混合面中的空腔相对于存在于另一个混合面中的空腔在轴向方向或横向方向上偏移，并与所述存在于另一个混合面中的空腔在轴向方向或横向方向上重叠，使得在两个混合部件的混合面之间从入口移动到出口的物料在重叠的空腔之间可传递；

其中所述混合部件之一的至少一个梯级以及另一混合部件的至少一个相邻的梯级在轴向方向上比在横向方向上进一步延伸，或反之亦然，使得在所述两个混合部件之间提供体积大体一致的至少一个环形混合区。

2.根据权利要求1所述的混合器，其中所述一系列环形梯级中的每个梯级包括一对大体正交的表面。

3.根据权利要求2所述的混合器，其中所述混合部件之一的所述至少一个梯级的延伸以及另一混合部件的所述至少一个相邻梯级的延伸产生一对相互对置的、优选连续的、环形表面，所述环形表面形成所述至少一个环形混合区。

4.根据权利要求3所述的混合器，其中所述表面之一大体平行于所述预定旋转轴线延伸，且另一所述表面大体横向于所述旋转轴线延伸。

5.根据权利要求3或4所述的混合器，其中所述一对相互对置的环形表面均大体平行于所述预定旋转轴线延伸。

6.根据权利要求5所述的混合器，其中所述一对相互对置的环形表面中的一个表面与所述预定旋转轴线成一定角度延伸，优选成锐角地延伸。

7.根据权利要求3或4所述的混合器，其中所述一对相互对置的环形表面均大体横向于所述预定旋转轴线延伸。

8.根据权利要求7所述的混合器，其中所述一对相互对置的环形表面中的一个表面以一定角度横向于所述预定旋转轴线延伸，优选以锐角横向于所述预定旋转轴线延伸。

9.根据权利要求3至8中任一项所述的混合器，其中所述一对相互对置的环形表面中的至少一个表面设置有突起，所述突起朝向该成对的表面中的另一个表面突出。

10.根据权利要求9所述的混合器，其中所述突起为环形棱柱的形式。

11.根据权利要求10所述的混合器，其中所述突起是连续的环形棱柱的形式。

12.根据权利要求10或11所述的混合器，其中所述突起是截头的棱柱。

13.根据任一前述权利要求所述的混合器，其中，在所述一系列环形梯级的梯级中形成有周向间隔的空腔阵列。

14.根据任一前述权利要求所述的混合器，其中所述空腔中的一个或多个为部分球形的。

15.根据任一前述权利要求所述的混合器，其中所述空腔中的一个或多个是直边槽。

16.根据任一前述权利要求所述的混合器，其中所述空腔中的一个或多个是曲边槽。

17.根据任一前述权利要求所述的混合器，其中所述空腔中的至少一个空腔被分支，使得进入该空腔的物料流被分成分开的流动路径，或进入该空腔的分开的物料流被合并到单个的流动路径内。

18.根据任一前述权利要求所述的混合器，其中混合部件中的所述一系列环形梯级的相邻梯级包括不同数目的空腔。

19.根据任一前述权利要求所述的混合器，其中混合部件中的所述一系列环形梯级的相邻梯级包括不同尺寸的空腔。

20.根据任一前述权利要求所述的混合器，其中混合部件中的所述一系列环形梯级的相邻梯级包括不同形状和/或角度的空腔，以提供泵送作用。

21.根据任一前述权利要求所述的混合器，其中所述两个混合部件中的每个混合部件的混合面是大致锥形的。

22.根据权利要求21所述的混合器，进一步包括用于使两个混合部件相对于彼此轴向位移以控制它们的大致锥形表面之间的间隔的装置。

23.根据权利要求21或权利要求22所述的混合器，其中一个混合面由中空的外混合部件的内表面限定，且另一个混合面由内混合部件的外表面限定，所述入口限定在所述外混合部件中。

24.根据权利要求21或权利要求22所述的混合器，其中一个混合面由中空的外混合部件的内表面限定，且另一个混合面由中空的内混合部件的外表面限定，所述入口限定在所述内混合部件中。

25.根据任一前述权利要求所述的混合器，其中所述入口限定为大致平行于所述预定旋转轴线延伸，而所述出口限定为大致横向于所述轴线延伸，或反之亦然。

26.根据权利要求1至24中任一项所述的混合器，其中所述入口和所述出口均限定为大致横向于所述预定旋转轴线延伸。

27.根据权利要求25或权利要求26所述的混合器，其中设置有一个或多个附加的入口。

28.根据任一前述权利要求所述的混合器，其中一个混合部件是静止的，且一个混合部件是可旋转的。

29.根据权利要求1至27中任一项所述的混合器，其中两个混合部件都是可旋转的。

30.根据权利要求29所述的混合器，其中两个混合部件是可同向旋转的。

31.根据权利要求29所述的混合器，其中两个混合部件是可反向旋转的。

32.使用根据任一前述权利要求所述的动力混合器进行混合的方法，其在下述条件下操作：

(i)相对低的速度，以产生层流条件，其导致在空腔内以及空腔之间有效的分布性混合，同时在环形混合区内产生层流或紊流条件，其导致有效的分散性混合；或

(ii)相对高的速度，以在空腔内以及空腔之间产生紊流条件，其导致有效的分布性混合和分散性混合。

33.权利要求1所述的动力混合器的用途，该用途为经由以下过程中的任意一项或多项来实现物料的分散性混合和分布性混合：乳化、均质化、融合、掺混、悬浮、溶解、加热、粉碎、反应、润湿、水合、通气和气化。

34.权利要求1所述的动力混合器在以下工业中的任意一项或多项中的用途：散装化学品、精细化学品、石化产品、农用化学品、食品、饮料、药品、保健品、个人护理产品、工业及家居护理产品、包装、油漆、聚合物、水和废物处理。

35.一种动力混合器，其大体如此前参照附图中的图1-2、3-4、5-6、7-8、9、10和11所述。