CN106061594B - 一种混合装置 - Google Patents

Abstract

一种混合装置，在配置为容纳混合物的反应器中使用，所述混合装置包括：垂直取向轴，所述垂直取向轴配置为放置在所述反应器中；锥形混合器，所述锥形混合器配置为连接到所述反应器内的所述垂直取向轴的底端；和旋转‑直线运动转换机构，所述旋转‑直线运动转换机构配置为连接到所述垂直取向轴的上部，并带动所述垂直取向轴和所述锥形混合器在所述混合物中进行往复垂直运动。

Description

一种混合装置

技术领域

本发明涉及一种混合装置，尤其涉及一种用于浆料型流体混合物的混合装置。

背景技术

由于连续搅拌釜式反应器的反应器体积的有效利用、防止分层和温度梯度的能力以及分散最终产物和有毒物质的能力，许多工业方法通常使用连续搅拌釜式反应器。在该反应器中可以是浆料型流体混合物，该浆料型流体混合物通常由低密度水型液体与固体颗粒的混合物构成。浆料混合的潜在问题是，固体组分由于重力而倾向于聚积在混合容器的底部。

一种达到反应器内所需混合程度的最容易且最普遍的方法是使用机械混合器。有几种类型的机械混合器，例如船用叶轮、平面垂直叶片、桨式叶轮、倾斜叶片、弯曲叶片和笼式搅拌器，这些机械混合器会产生不同的混合模式。根据机械混合器的流动模式，机械混合器可分为径向叶轮和轴向叶轮，其分别形成环绕旋转轴的模式和沿着旋转轴所在直线的模式。另外，引流管是围绕叶轮的圆筒形壳体，可用于提高混合性能。

以上所描述的机械混合器的缺点之一在于：它们可能会在反应器表面产生涡流。这个问题通常发生在低粘度流体混合中。涡流减少了混合罐的有效体积，这降低了操作效率，例如降低了搅拌釜式反应器中的转化。为了防止涡流形成，混合罐通常在靠近罐壁处装配有若干个垂直挡板。这些挡板扰乱了混合模式，并消除了反应器表面的涡流形成。其它混合策略包括利用再循环流在反应器内产生所需的混合模式。从反应器底部进入的压缩气体能够产生向上的混合模式以减少砂砾的聚积。另一种策略利用了反应器内的流体相的再循环。一些流体相被抽出并被排放到反应器的另一侧上，从而形成螺旋状混合模式。这种策略通常称为泵混合。

当液体含有固体颗粒时，机械叶轮的安装或泵再循环是低效的，因为这需要更多的能量来诱导固体颗粒混合。此外，固体颗粒对于泵本身可能是有害的，且在装配容器的机械叶轮中安装挡板可能并不会显著提高混合性能。因此，可在含有固体颗粒的混合液体中维持低能量需求的混合装置对于许多应用而言非常重要。

发明内容

该新型混合装置利用了混合头在混合容器或反应器中的纵向位移，当它沿反应器的垂直轴上下运动时类似于活塞。该混合头是锥形的。在操作期间，锥形混合头在反应器的中部产生大的湍流区。锥形混合头在它向上和向下的进程中留下锥形痕迹。通过锥形混合头向上和向下运动而留下的痕迹贯穿在一区域中，该区域基本上覆盖了大部分的反应器体积。锥形混合头在相应的“贯穿”区域中产生更大的湍流，这对于混合是有益的。锥形痕迹还可促进相关气体的释放。因此，用于防止涡流的挡板的安装变得没有必要。

混合装置的位移特点是沿着罐的纵向轴线取向，目的在于缓解固体聚积问题这一问题。此外，锥体的形状更有能力破碎在厌氧反应器内的浆料型流体中经常产生的过度絮凝的物料。虽然该形状通常是针对多相固体和液体(有可能包括气泡)混合，但它也可以用于单相液体混合。

与使用机械叶轮的混合相比时，利用直线运动混合模式作为主要驱动力允许通过混合装置消耗较少的能量而达到相同程度的混合。该模式的向下和向上运动由抽油机机构驱动，以进一步提高必要的行程长度来延长容器内的混合面积和体积。向下运动在壁的附近产生更大的压力，同时向上运动在中央产生压力。在诸如厌氧反应器的气体产生器中，产生的压力梯度有潜力帮助气体从溶液中释放，从而气-液分离。

本发明有潜力用在各种应用中，尤其是用在混合罐和搅拌罐。混合装置的锥形头创造了被用于多相固-液系统的潜力，如污泥和废水混合物的厌氧反应。到目前为止，还没有这样的混合头装置被开发用于混合应用中。

根据一个示例性方面，提供了一种混合装置，在配置为容纳混合物的反应器中使用，该混合装置包括：垂直取向轴，该垂直取向轴配置为放置在反应器中；锥形混合器，该锥形混合器配置为连接到反应器内的所述垂直取向轴的底端；和旋转-直线运动转换机构，该旋转-直线运动转换机构配置为连接到所述垂直取向轴的上部，并带动所述垂直取向轴和锥形混合器在混合物中进行往复垂直运动。

该锥形混合器可以包括上锥体和下锥体，所述上锥体和所述下锥体在它们的基部相连接，且它们的基部是相同的。

上锥体的高度可以小于下锥体的高度。

上锥体的高度可以是下锥体的高度的25％。

上锥体和下锥体可以是直立圆锥体。下锥体的高度与基部的直径的比值可以是0.5。上锥体的高度与基部的直径的比值可以是0.13。基部的直径与反应器的直径的比值可以是0.40。

上锥体可以具有圆形轮廓。

上锥体可以是截锥体，并且所述垂直取向轴的底端可以附连到上锥体的截顶上。

往复垂直运动的行程长度与反应器的高度的比值可以是0.8。

混合物可以包括液体和固体颗粒，并且锥形混合器下部处的锥尖配置为用于破碎混合物中团聚的固体颗粒。

旋转-直线运动转换机构可以包括抽油机机构。

附图说明

为了使本发明可被完全理解并容易地达到实际效果，现将以非限制性示例的方式仅对本发明的示例性实施例进行描述，该描述参照所附说明性附图。

图1为具有本发明示例性的锥形混合装置的混合罐的示意图。

图2为抽油机的示意图。

图3为混合罐内的模拟等流速线。

图4为混合罐内的模拟固相体积分数等高线。

具体实施方式

将参照图1至图4对本发明的示例性实施例进行描述。

如图1所示，混合装置10包括配置为放置在反应器60中的垂直取向轴20、连接到轴20上部21的旋转-直线运动转换机构30、和连接到轴20的另一端22的锥形混合头或混合器40，该锥形混合头或锥形混合器用于浸入到反应器60内的混合物中。机构30由作为主要驱动力的旋转电机110驱动，以带动轴20和锥形混合头40在反应器60中进行向上和向下运动。

机构30设置在容器60的顶部61，将电机110的旋转运动转换为轴20的往复垂直运动。机构优选地包括如图2所示的抽油机机构30。抽油机机构30首选旋转-直线运动转换机构，因为它可以提供比诸如摇杆机构或曲柄滑块机构的其它机构的行程长度更大的行程长度。如图2所示，在操作期间，抽油机30的电机110运行一组传动组件以驱动曲柄120。转向摇臂130将曲柄120连接至步进梁140的一端，该端在起重柱150上自由移动。曲柄120和转向摇臂130升高并降低步进梁140的一端，以使步进梁140另一端上的驴头160相应的上下移动。轴20将驴头160与轴20底端22处的混合头或混合器40相连接。当驴头160降低和升高时，轴20随着驴头160进行运动，以提供锥形混合器40的垂直行程。行程长度定义为混合头40在每次向上运动或向下运动中行进的距离。这转化为容器60的潜在较大高径比，这是理想的，因为它会产生用于罐安装的较小的空间需要。

轴20的位移可通过改变步进梁140的枢轴170的位置进行调节。优选地，步进梁140被这样配置：当将枢轴170移位到步进梁140的连接至转向摇臂130的端部时，获得轴20的最大位移(即行程)(如图2中所示的虚线)。这种配置能够使轴位移得到优化，以实现各种应用所需的混合程度。

轴20的底端22与混合器40相连，混合器40在三维空间和二维空间中分别具有锥体形状或箭头形状。在优选实施例中，混合器40是两个圆锥体的形式，即上锥体41和下锥体42，该上锥体和下锥体在它们的基部相连接，且它们的基部是相同的。上锥体41优选是截锥体，使得轴20的底端22被附连到上锥体41的顶部44。在优选实施例中，上锥体41和下锥体42为直立圆锥体。混合器40被这样放置：下锥体42的锥尖43位于混合器40下部，同时较宽的顶部41或上锥体41优选为圆形。锥体形状或箭头形状减少了从容器60内的液体转移到混合器40上的阻力，从而降低了能量损耗。由于下锥体的锐角部或尖端43，混合器40的向下运动可有效地破碎容器60内较大的团聚的固体颗粒。

由于锥形混合头与液体具有较少的接触面积，因而锥形混合头40还可减小反应器60内的阻力，这降低了能量需求。当该锥形混合头40向下移动时，它在液体中留下了锥形尾流，该尾流类似于当船舶经过时在海中留下的痕迹。因锥形混合头40的移动而经受湍流的总反应器体积因此是最大化的。锥形混合头40的向下移动使液体切向地扩散，同时反应器60下部62中的液体被向后或向上推，从而产生湍流。虽然锥形混合头40具有在反应器60最底部63产生死区的潜力，但是当在轴20的上行程期间向上拉起锥形混合头40时，这样的死区被消除。

当锥形混合头40被拉起时，它在周围体积50中产生向上运动。其结果为，该混合头产生循环运动，此时邻近轴20的液体被向上移动，且周围的进一步远离的液体被向下移动。因此，锥形混合头40在其向下运动中产生锥形湍流，并在其向上运动中提供充分的再循环模式。利用锥形混合头40，向下和向上运动产生确保没有速度矢量消除并减少死区形成风险的混合模式。

执行了描述并比较混合装置10的性能的计算流体动力学模拟。该模拟旨在通过研究使用不同形状和尺寸的锥形头40时的混合模式来找到锥体40的最佳尺寸。使用FLUENT软件采用非稳态SST欧米伽湍流模型来进行计算流体动力学模拟。模拟的容器60具有1.8的高径比。该容器容纳粘度为0.1kg/m.s的浆料型液体。混合器40在容器60内部形成固体区域，该混合器沿直线上下移动。使用移动网格算法模拟了该运动。液体和固体区域使用四面体网格。

接着，对不同混合器40的尺寸进行了评估，以找到它在均匀性方面的最佳尺寸。对三次循环(即三次向上和向下运动)进行了模拟。下面的表1示出了所推荐的锥形直线运动混合装置10的所推荐的最佳参数。

表1：锥形混合头的所推荐尺寸

在评估研究的案例中，考虑了3立方米的厌氧消化容器60。容器60的直径和高度分别为1.26米和2.28米。罐60填充有浆料型液体，其中固体含量为15％。锥形混合头40是刚性的，并沿直线上下移动。液体粘度为0.1kg/m.s。液体和固体区域使用四面体网格。

根据直线运动混合器40的推荐尺寸，所推荐的混合器40的直径为0.50米。上锥体41和下锥体42的高度分别为0.07米和0.25米。混合器40以0.5m/s的速度移动，且行程长度为1.5米。因此，混合器40执行一次完整的循环大约花费6秒。

在模拟中，使用GAMBIT进行绘图并进行网格化，同时使用FLUENT包解决该问题。图3和图4分别示出了混合罐60内的速度值分布的模拟结果和固体体积分数分布的模拟结果。对三次循环(即三次向下和向上运动)进行了模拟。所有的罐壁64假定是刚性的，且将反应器表面设为接口。在模拟中使用了SST欧米伽湍流模型。

在混合器的上部转折点和下部转折点(即混合头40的最高点44和最低点43)处进行了等值线分析。基于图3，向下运动相比其向上运动产生了更大的湍流区域，这可能是由向下的重力引起的。对湍流动能的进一步分析表明，与混合容器60的其它区域相比，混合容器的表面以及壁64附近的区域具有最小的湍流，虽然速度值等高线没有指出形成在该区域中的任何死区。计算流体动态模拟还表明，固体颗粒均匀分布在整个混合容器60中且层流存在于液体表面中。

锥形混合头40尺寸的优化显示了锥形混合头在上部41同样需要较小的锥体41。基于该计算流体动态模拟，微小的上锥体41在向下移动期间略微减小均匀性。然而，在该上锥体向上运动期间，其显著地提升了均匀性，因此上锥体的尺寸是值得权衡的。上锥体41的推荐高度大约为下锥体42高度的25％。进一步研究显示，进一步增加上锥体41的高度不会对于增加均匀性产生任何影响。

增加反应器60内的混合条件消除了反应器的死区和不活跃区域。此外，它提高了反应器60内的均匀性。混合条件和均匀性的改善可以使得转化增加。由于直线运动混合利用向上和向下运动，因此与其它机械混合器相比，直线运动混合具有更大的提供较均匀条件的潜力，尤其是在轴向方向上。因此，可以预期通过增加反应器60内的均匀性来促进转化增加。

所提出的混合装置的潜在实施是在生化反应器内将具有自身特定特征的厌氧消化过程进行混合，上述特定特征例如固体颗粒的存在和释放作为厌氧反应结果的生物气的需求，其中使用有机体作为催化剂。微生物在反应器内形成固相。以固体颗粒形式存在的生物质在混合中会引发其它的挑战，因为这些颗粒需要被均匀分布，以能够最优化的暴露给底物从而提高产量。该混合装置10能够防止降低底物转化的悬浮生物质的形成。类似地，包括固相催化剂的化学反应可受益于混合装置10，因为它确保了催化反应器内的催化剂和底物之间的有效接触。

虽然已在本发明的上述说明书中描述了示例性实施例，但应将理解的是，本领域技术人员所关注的设计、构造和/或操作细节上的多种变型可在不脱离本发明的情况下做出。例如，尽管所设想的应用之一是在应用于混合多个厌氧消化过程的生化反应器内，但所提出的混合装置通常在任何类型的搅拌罐内均具有广泛的潜在应用。虽然锥形混合器已被描述为上锥体和下锥体具有圆形同一基部，但在替代实施例中，上锥体和下锥体的该同一基部的形状可以是多边形。除了使用抽油机机构作为旋转-直线运动转换机构之外，也可以使用能够实现长行程长度的其它机构。

Claims (12)

1.一种混合装置，在配置为容纳混合物的反应器中使用，所述混合装置包括：

垂直取向轴，所述垂直取向轴配置为放置在所述反应器中；

锥形混合器，所述锥形混合器配置为连接到所述反应器内的所述垂直取向轴的底端；和

旋转-直线运动转换机构，所述旋转-直线运动转换机构配置为连接到所述垂直取向轴的上部，并带动所述垂直取向轴和所述锥形混合器在所述混合物中进行往复垂直运动，

其中，所述旋转-直线运动转换机构包括抽油机机构，所述抽油机机构包括电机，所述电机运行一组传动组件以驱动曲柄；转向摇臂，所述转向摇臂将所述曲柄连接至步进梁的一端，所述步进梁围绕枢轴在起重柱上自由移动；设置在所述步进梁的另一端的驴头，所述垂直取向轴将所述驴头与所述锥形混合器相连接；和

其中，所述垂直取向轴的位移通过改变所述步进梁的枢轴的位置进行调节。

2.如权利要求1所述的混合装置，其中，所述锥形混合器包括上锥体和下锥体，所述上锥体和所述下锥体在它们的基部相连接，且它们的基部是相同的。

3.如权利要求2所述的混合装置，其中，所述上锥体的高度小于所述下锥体的高度。

4.如权利要求3所述的混合装置，其中，所述上锥体的高度是所述下锥体的高度的25％。

5.如权利要求2所述的混合装置，其中，所述上锥体和所述下锥体是直立圆锥体。

6.如权利要求5所述的混合装置，其中，所述下锥体的高度与所述基部的直径的比值为0.5。

7.如权利要求5所述的混合装置，其中，所述上锥体的高度与所述基部的直径的比值为0.13。

8.如权利要求5所述的混合装置，其中，所述基部的直径与所述反应器的直径的比值是0.40。

9.如权利要求2所述的混合装置，其中，所述上锥体具有圆形轮廓。

10.如权利要求2所述的混合装置，其中，所述上锥体是截锥体，并且所述垂直取向轴的底端附连到所述上锥体的截顶。

11.如权利要求1所述的混合装置，其中，所述往复垂直运动的行程长度与所述反应器的高度的比值为0.8。

12.如权利要求1所述的混合装置，其中，所述混合物包括液体和固体颗粒，其中所述锥形混合器下部处的锥尖配置为用于破碎混合物中团聚的固体颗粒。