CN104587869B - 一种多级剪切式混合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合器，旨在提供一种多级剪切式混合器，包括电机、外壳和主轴，所述的电机与主轴相连接，所述的主轴固定连接有若干叶轮，所述的外壳内壁固定有加强混合液湍流混合状态的管道内构件，管道内构件包括挡板，所述的挡板与外壳固定，所述的挡板上设有若干湍扰部，所述湍扰部间隔设置于挡板朝向主轴的一侧，所述湍扰部呈板片状凸起。本发明是在化工混合单元针对大流量、大比重差以及萃取单元要求较高混合效果以及较长混合时间的工艺要求。

Description

一种多级剪切式混合器

技术领域

本发明属于化工生产领域，更具体地说，它涉及一种多级剪切式混合器。

背景技术

混合器是应用于化工混合单元针对大流量、大比重差以及萃取单元要求较高混合效果以及多次混合效果的工艺要求。详细的说，是一种将两者不相溶的化工原料进行多级充分混合的强制混合器。

在化工混合过程中常用的方法主要有：釜式混合器、静态混合器等，混合动力如搅拌、超声波、高频振荡以及最简单的鼓泡混合等。这些已知的方法有下述的缺点：

①釜式混合器：物料有有较长的停留时间，但物料之间不相溶，且常常之间比重差较大，为使全釜达到高的混合效果就需要大的搅拌功率，因此能耗高且系统存量大；

②静态混合器：能耗低，物料停留时间短，分散效果好，但对于不相溶物料在萃取前混合的应用场合，存在物料间微观混合次数偏低的缺陷；

③超声、高频振荡等方法：运行能耗高，对物料体系极性有一定的要求，此外还可能产生电磁干扰，对自控原件及系统造成干扰；

④鼓泡：对比重差大、不相溶体系难以操作，同时对易燃易爆体系无法适用。

混合器的流体运动存在两种截然不同的运动状态：规则的流体运动（层流）和不规则的流体运动（湍流），其中层流运动具有规则性，流体运动时层次分明，没有混合现象。而湍流运动杂乱而无规律性（运动具有脉动性），不同层次的流体质点发生激烈的混合现象，流体质点的运动轨迹杂乱无章，其对应的物理量随空间激烈变化。

混合器内叶轮搅拌时，混合器内壁的水流，沿垂直水流方向可分为3层：粘性底层、过渡区和湍流区：

①粘性底层是一个紧贴内壁的极薄层，由于受到内壁的限制，脉动运动几乎完全消失，粘滞起主导作用。粘性底层的粘性切应力是主要特征因素，湍流切应力极小可忽略，所以流动近似层流状态，流速呈线性分布（越靠近内壁流体的流速越低）且流速极小，因此该层对混合的影响可忽略不计。

②湍流区是主流区，占据绝大部分流体断面，改区域内湍流切应力是主要特征因素，粘性切应力很小（因为远离内壁，内壁对流体的影响也因此相对降低），产生尺度大且强度低的涡流，以涡流扩散为主，不同层次的流体质点发生激烈的混合现象。

③过渡区是不稳定的区域，可能是层流，也可能是湍流，位于湍流区和粘性底层之间。

目前，中国公开了申请号为CN95196634.0一种用于液体或悬浮物的混合器，其包含两个混合室，每个提供有一个外部入口。两室彼此相连， 使第一室通向第二室。在两室共用的旋转轴上设置多个混合件。在两室中的混合件具有不同的形状。在第一室中，混合件被设置通过大的剪切力来实现混合。在第二室中混合件被设置通过基本上无剪切力的搅拌来达到混合。一种连续混合的方法包括在第一混合室中把少量第一液体和相当大量第二液体混合，而其中在第一混合室中混合是通过高的剪切力来进行的。在第二混合室中通过基本上无剪切力的搅拌来对所获得的混合物进行混合。但是这种混合器是通过螺旋桨对混合液进行搅拌，使之形成一个向下的大涡流，流体断面内湍流区域以叶轮所在的位置为主，无法在混合器搅拌的过程中形成大范围的湍流区域，形成的涡旋少，不同流层之间介质混动少，因此混合效果差。

因此，急需一种能够扩大混合器内流体湍流区域的设备，通过搅乱混合器内的层流现象达到湍流混合效果。以加快两种不相溶、不同粘度和比重物料的混合。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种多级剪切式混合器，专门针对大流量、大比重差以及萃取单元要求较高混合效果以及较长混合时间的工艺要求。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种多级剪切式混合器，包括电机、外壳和主轴，所述的电机与主轴相连接，所述的主轴固定连接有若干叶轮，所述的外壳内壁固定有加强混合液湍流混合状态的管道内构件，管道内构件包括挡板，所述的挡板与外壳固定，所述的挡板上设有若干湍扰部，所述湍扰部间隔设置于挡板朝向主轴的一侧，所述湍扰部呈板片状凸起。

通过采用上述技术方案，叶轮搅动混合液，液体与管道内构件接触，形成湍流混合状态，能够使混合液混合更为均匀，增加混合速度；本发明能使不相溶、不同粘度、不同比重物料强制多次混合，不相溶物料在通过该混合器过程中受到多次强剪切混合，保证了多项物料体系充分相互接触。

由于混合器在叶轮转动过程中，混合液转动并呈层流运动，具有一定的规律性；因此通过波浪形设置的挡板湍扰部对转动的混合液流体进行干扰，挡板湍扰部波浪处的流体流速不均，流体切应力大小不同且方向也不同，改变流体的移动时的应力，能够产生大量的小型涡旋，破坏其规律性，加快不同的两种液态物料，达到湍流混合的目的。

本发明进一步设置为：所述的挡板呈“S”型扭曲设置。

通过采用上述技术方案，“S”型挡板的设置，在叶轮搅动混合液的过程中，保证混合液在“S”型挡板的部位搅动不均，在湍流拉伸、剪切作用下，大旋涡分裂成较小尺度的涡旋，能量从大涡旋传递到小涡旋，小涡旋则向更小的涡旋传递，直到更小尺度的涡旋，使混合液内两种物料能够充分混合。

本发明进一步设置为：所述的外壳呈管状结构，外壳的两端封闭，所述的叶轮数量为2~5个，叶轮直径为外壳直径的0.25~0.5倍。

通过采用上述技术方案，当叶轮数量取1个时，叶轮对混合液的搅动作用较小，混合效果极地，当叶轮数量大于5时，叶轮对混合液的搅动作用明显，但是混合液处于整体搅动状态（上层物料和下层物料的转动速度几近相同），无法形成湍流涡旋，影响物料混合。因此取叶轮数量在2~5之间时，搅动作用明显，并且能够避免整体搅动状态的发生，使物料混合液能够形成湍流混合状态。

叶轮直径过小，叶轮对物料的剪切力小，对混合液的搅动较小，叶轮直径过大，剪切力较大，但是转动时易造成混合液处于整体搅动状态，因此取叶轮直径为外壳直径的0.25~0.5倍，使叶轮和外壳之间留有0.75~0.5倍的间隙供混合液同S型挡板进行相互作用，形成多出较小的涡旋，达到湍流混合状态，加快混合作用。

本发明进一步设置为：所述相邻的叶轮间距为叶轮直径1.2~1.8倍。

由于叶轮间距较近时易造成叶轮附近的流体产生层流现象，导致搅拌的流体呈整体回转，此现象称为共同混合回转现象。

通过采用上述技术方案，控制相邻叶轮之间间距，以防止共同混合回转区出现，避免两种介质混合不完全情况的出现；叶轮之间的间距越小，则越容易发生整体搅动状态发生，若间距越大，则两处叶轮中间部位的物料难以得到搅动，因此取叶轮间距为叶轮直径的1.2~1.8倍，既能避免整体搅动状态的发生，又能保证叶轮之间部位物料的得到搅动。

本发明进一步设置为：所述的挡板数量为2~4个，所述的挡板宽度为外壳直径的1/12~1/8。

通过采用上述技术方案，当挡板数量为1时，叶轮搅动时不对称，造成单方向的振动；挡板对搅动后的混合液产生阻力并使混合液产生湍流涡旋，当挡板数量大于4时，阻力过大，叶轮所需的负荷较大，混合效果降低，因此挡板数量为2~4个。

挡板宽度小于外壳直径的1/12时，挡板对混合液的作用较低，难以产生湍流混合状态，若挡板宽度大于外壳直径的1/8，挡板对混合液的阻力过大，对叶轮的负荷大，若不增加叶轮的功率，混合效果将变低。因此取挡板宽度为外壳直径的1/12~1/8。

本发明进一步设置为：所述外壳内壁还设有旋转三脚架，所述的旋转三脚架包括转动部和固定脚，所述固定脚与外壳内壁固定，所述的主轴一端与电机连接，主轴的另一端与旋转部连接。

通过采用上述技术方案，三脚架固定于外壳内壁，主轴与三脚架的旋转部位相连结，此处设置减少了主轴在外壳上的开口，是的外壳上仅有一处开口（主轴与电机相连接的一端），减少了泄漏的几率，提高混合器的密封性。

本发明进一步设置为：所述外壳外壁螺旋包覆有热交换夹套，所述热交换夹套内部呈中空状。

通过采用上述技术方案，通过网热交换夹套内通热蒸汽，可利用热交换夹套对混合器内的混合液进行加热，加热可增加混合液的混合效率，也可用于混合液的加热化学反应。

附图说明

图1为本发明多级剪切式混合器实施例的结构示意图；

图2为本发明多级剪切式混合器实施例的内部结构示意图；

图3为电机、主轴、叶轮和旋转三脚架连接结构示意图；

图4为叶轮的结构示意图；

图5为挡板的结构示意图；

图6为挡板的侧视图；

图7为挡板的俯视图；

图8为热交换夹套的结构示意图；

图9为热交换夹套的剖视图；

图10为图8中A出的局部放大图；

图11为旋转三脚架的结构示意图；

图12为密封件的结构示意图；

图13为本发明多级剪切式混合器实施例的多组实验数据。

附图标记：1、热交换夹套；2、挡板；21、湍扰部；22、固定部；3、主轴；4、叶轮；5、电机；6、密封件；7、旋转三脚架；10、第一管道；20、第二管道；30、第三管道；40、第四管道；50、第五管道；60、辅料管道；A1、扭曲处1；A2、扭曲处2；A3、扭曲处3；A4、扭曲处4。

具体实施方式

参照图1至图12对本发明多级剪切式混合器实施例做进一步说明。

本发明实施例的混合器外壳直径为1000mm，叶轮数量取3个，利用本实施例中的混合器对0.3m³的环烷酸 和0.5m³的650SN基础油混合，其中对叶轮直径、叶轮间距、挡板形状、挡板扭曲、挡板宽度和挡板数量，对二者完全混合所需的时间，进行多组实验数据对比：此处参照图13中的表格。

函数分布，“40-120”表示其宽度的变化范围为40-120mm，其宽度最小值为40mm，宽度最大值为120mm）

通过观察实验数据表格：

①对比实验数据1-2以及3-4可得：挡板数量为4个时，其混合搅拌效果大于3个挡板的混合效果。

②对比实验数据1和3以及2和4可得：在挡板朝向主轴的一侧增设板片状湍扰部，可有效的增加环烷酸 和650SN基础油的混合速度。

③对比实验数据5-9可得：相邻叶轮间距从396mm增加至594mm时，混合效率先增加，后减小，其中当叶轮间距为500mm时，其混合速度相对其他4个数值都快。

④对比实验数据10-15可得：当叶轮的直径从250mm增加至500mm时，混合器的混合速度先增加后降低，在叶轮直径300-350mm之间存在一个极值，此极值的叶轮直径所带来的混合效果最佳。

⑤对比实验数据16-20可得：板片状湍扰部的宽度最大值为120mm，其宽度最小值从30mm增加至110mm时，混合速度先增加后降低，当板片状湍扰部宽度最小值处于30-50之间，存在一个使混合效果达到最佳的极值，挡板宽度在40-120mm时存在一个最优值。

⑥对比实验数据21-22可得：挡板呈S形扭曲后，对混合效果有小幅度增加。

结合对比数据，本实施例取挡板数量为4，挡板上设置湍扰部，叶轮间距设置为500mm，叶轮直径为330mm，湍扰部宽度取40-120mm，并且呈S形扭曲设置，能够在增强混合器的湍流效应，增强容器内混合流体的混合速度，减少混合所需的时间，提高混合效率。

如图1至图11所示，一种多级剪切式混合器，包括电机5、外壳和主轴3，所述的外壳呈管状结构，外壳的两端封闭，所述的电机5固定于外壳外壁并与主轴3相连接，所述的主轴3焊接有3个剪式叶轮4，所述叶轮4直径为外壳直径的0.33倍，相邻的叶轮4间距为叶轮4直径1.5倍，所述的外壳内壁固定有4个使混合液形成湍流混合状态的挡板2。所述挡板2呈“S”型扭曲设置，挡板2的一侧为固定部22，固定部22通过紧固螺钉固定于混合器内壁，挡板2另一侧固定有板片状湍扰部21，所述湍扰部21与挡板2一体式设置，所述的主轴3一端与电机5连接，主轴3的另一端通过旋转三脚架7固定于外壳内壁，所述主轴3与外壳之间固定有密封件6，所述的密封件6为机械密封形式。

其一，通过控制叶轮4之间的各个参数，减少混合液的共同混合回转现象，防止混合中层流现象出现，同时增大叶轮4搅动混合液时产生的剪切力。

其二，通过S型挡板2上的湍扰部21，在叶轮4大剪切力的作用下，湍扰部21作用于转动的混合液，将原有的规则的流体运动（层流现象）打破，使物料在混合过程中产生湍流混合状态，使混合进入湍流状态，湍流条件下；刚加入的物料首先形成大尺度的涡旋微团，在湍流拉伸、剪切作用下，大旋涡分裂成较小尺度的涡旋，能量从大涡旋传递到小涡旋，小涡旋则向更小的涡旋传递，直到更小尺度的涡旋，最后因粘性应力的作用耗散为热。同时由于强烈的涡流扩散作用，使过渡区和湍流区之间产生连续的质量交换，从而使混合液达到宏观混合。

其中，S型挡板2宽度呈正弦函数分布，挡板2宽度的最小值为40mm，最大值为120mm，总共扭曲4次，其扭曲处为图5中A1~A4处，扭曲处为挡板宽度的最大值。

所述的主轴3与外壳之间采用机械密封件6进行密封。机械密封具有密封性良好、泄漏量少，使用寿命长久的优点。

多级剪切式混合器还包括第一管道10、第二管道20、第三管道3、第四管道40、第五管道50、辅料管道60和外壳外币上的热交换夹套1，各管道均设置有切断阀（球阀、闸阀等）。图1所示为多级剪切式混合器与第一至五管道和辅料管道60的对应第一至五管道接口和辅料管道60接口。

原料油和抽提剂分别从第一管道10和第二管道20进入混合器，其中原料为减线石油。多级剪切式混合器电机5通过传动装置带动若干叶轮4以及挡板2作用，产生强烈剪切作用，使原料油和抽提剂充分剪切接触。混合物料由第三管道3排出混合器，流入下一道沉降分离工序。热交换夹套1内可通入热蒸汽，用于加热混合器内的混合液，可用于加温以增加混合效率；也可用于加热混合液，使之发生相应的化学反应。

沉降工序实现油相与抽提相分离后，可再次分别与上下工序相应相接触，实现多级逆流抽提工艺，提高抽提剂使用效率。

加热蒸汽从第四管道40进入混合器夹套，控制混合问题，冷凝水从第五管道50排出。从第五管道50排出的冷凝水经过锅炉加热后生成的蒸汽又可以循环的通过第四管道40流入多级剪切式混合器中，从而充分利用了水资源。

以上所述使本发明的优选实施方式，对于本领域的普通技术人员来说不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种多级剪切式混合器，包括电机、外壳和主轴，所述的电机与主轴相连接，其特征是：所述的主轴固定连接有若干叶轮，所述的外壳内壁固定有加强混合液湍流混合状态的管道内构件，管道内构件包括挡板，所述的挡板与外壳固定，所述的挡板上设有若干湍扰部，所述湍扰部间隔设置于挡板朝向主轴的一侧，所述湍扰部呈板片状凸起，所述湍扰部构成波浪形；所述的挡板呈“S”型扭曲设置。

2.根据权利要求1所述的多级剪切式混合器，其特征是：所述的外壳呈管状结构，外壳的两端封闭，所述的叶轮数量为2~5个，叶轮直径为外壳直径的0.25~0.5倍。

3.根据权利要求1所述的多级剪切式混合器，其特征是：相邻的所述叶轮间距为叶轮直径1.2~1.8倍。

4.根据权利要求1所述的多级剪切式混合器，其特征是：所述的挡板数量为2~4个，所述的挡板宽度为外壳直径的1/12~1/8。

5.根据权利要求1所述的多级剪切式混合器，其特征是：所述外壳内壁还设有旋转三脚架，所述的旋转三脚架包括转动部和固定脚，所述固定脚与外壳内壁固定，所述的主轴一端与电机连接，主轴的另一端与旋转部连接。

6.根据权利要求1所述的多级剪切式混合器，其特征是：所述外壳外壁螺旋包覆有热交换夹套，所述热交换夹套内部呈中空状。