CN106732005A - 搅拌设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种搅拌设备，其包括第一搅拌装置和间隔开地设置在所述第一搅拌装置的下方的第二搅拌装置。这种搅拌装置具有较高的搅拌效率。

Description

搅拌设备

技术领域

本发明涉及搅拌技术领域，特别是涉及一种搅拌设备。

背景技术

对于化工、尤其是生物化工反应来说，通常需要在反应池内设置搅拌设备以促使反应物均匀混合，由此提高反应效率。

在现有技术中，通常在反应池内设置桨叶搅拌器，以用于搅拌。然而，桨叶搅拌器仅能对附近很小范围内的流体进行搅拌，因而在反应池的容积较大的情况下，使用桨叶搅拌器进行搅拌的效率是非常低的，并因此不利于反应的进行。

因此，需要一种搅拌效率高的搅拌设备。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种搅拌装置，这种搅拌装置具有较高的搅拌效率。

根据本发明的一个方面，提出了一种搅拌设备，其包括第一搅拌装置和间隔开地设置在所述第一搅拌装置的下方的第二搅拌装置。

对于这种搅拌设备来说，其由多个搅拌装置在纵向方向上间隔设置而成，因而能在较大的范围内进行搅拌，以促使流体在反应池内循环，进而提高反应效率。

在一个实施例中，第一搅拌装置为桨叶式搅拌器，所述桨叶式搅拌器包括旋转桨叶，所述旋转桨叶的前表面向下倾斜。

在一个实施例中，第二搅拌装置包括：主体，所述主体的横截面由上到下逐渐增大；以及设置在所述主体上的多个搅流翅片，多个所述搅流翅片围绕所述主体的纵向轴线旋转式分布，其中，各个所述搅流翅片在背离所述纵向轴线的方向上延伸并沿周向方向偏斜。

在一个实施例中，主体包括由上到下依次连接的多个主体部，所述主体部的侧轮廓线为直线，处于上方的所述主体部的侧轮廓线与竖直方向的夹角小于处于下方的所述主体部的侧轮廓线与竖直方向的夹角。

在一个实施例中，搅流翅片包括在背离所述纵向轴线的方向上依次连接的多个翅片部，所述翅片部由直板构成，远离所述纵向轴线的翅片部比靠近所述纵向轴线的翅片部更加沿周向方向偏斜。

在一个实施例中，搅拌设备还包括与所述搅流翅片的背离所述主体的纵向轴线的端部和/或所述主体相连并在背离所述主体的纵向轴线的方向上延伸到所述主体之外的延伸翅片。

在一个实施例中，第一搅拌装置和所述第二搅拌装置构造成能以不同的速度旋转和/或能在不同的方向上旋转。

在一个实施例中，搅拌设备还包括沿纵向方向延伸的内轴杆和同轴式套设在所述内轴杆之外的外轴杆，所述内轴杆和外轴杆的顶端旋转式固定，其中，所述第一搅拌装置安装在所述外轴杆上，所述第二搅拌装置安装在所述内轴杆上。

在一个实施例中，外轴杆沿纵向方向向下延伸至与所述第一搅拌装置连接处，在所述外轴杆的底端处的所述外轴杆与内轴杆之间套设有旋转式支撑件。

在一个实施例中，内轴杆的底端旋转式固定。

与现有技术相比，本发明的优点在于：搅拌装置由多个搅拌装置在纵向方向上间隔设置而成，因而能在较大的范围内进行搅拌，以促使流体在反应池内循环，进而提高反应效率。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1是根据本发明的搅拌设备的一个实施例的结构示意图；

图2是根据本发明的搅拌设备的另一个实施例的结构示意图；

图3是根据本发明的第二搅拌装置的一个实施例的结构示意图；

图4是根据本发明的第二搅拌装置的一个实施例的结构示意图；

图5是根据本发明的搅拌设备的又一实施例的结构示意图；

图6是根据本发明的第一搅拌装置的一个实施例的结构示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

图1示意性地显示了根据本发明的搅拌设备200的整体结构。如图1所示，搅拌设备200包括处于上方的第一搅拌装置10和处于下方的第二搅拌装置100(参见图3和图4)，第二搅拌装置100与第一搅拌装置10间隔开。其中，第二搅拌装置100优选地设置在反应池的底部，而第一搅拌装置10大体上处于搅拌池的中部或中部偏上的位置。通过这种设置，能够有效地扩大搅拌范围，进而能有效提高搅拌效率。

这里应理解的是，根据需要，搅拌设备200还可设置更多的搅拌装置。

在一个实施例中，第一搅拌装置10可以为桨叶式搅拌器(如图6所示)。该桨叶式搅拌器包括旋转式分布的多个桨叶60，各个桨叶在横向方向上延伸。这些桨叶的根部(即，靠近旋转中心的部分)尺寸较大，而末端(即，远离旋转中心的部分)尺寸较小。这种桨叶的流体阻力较小，将其使用到这种搅拌设备200中以在搅拌池中进行搅拌时，流体的流动性能较好。

优选地，多个桨叶在竖直方向上的投影不相互重叠，由此能提高搅拌流体的效率。为此，根部处的尺寸可适当地变化。

优选地，桨叶相对于竖直方向倾斜，由此能更好地与流体配合，促进流体流动。尤其是，可以使桨叶的前表面70(即，迎着流体移动的表面)向下倾斜。这样一来，流体能够加速地向第二搅拌装置流动。在第二搅拌装置为下文中所描述的结构的情况下，能提高第二搅拌装置的搅拌效率，并由此促使流体在更大的范围内有效环流。

优选地，桨叶在纵向方向上弯折着延伸，由此来提高桨叶带动流体的能力。更加优选地，单个桨叶包括在纵向方向上依次连接的多个弯折部，各个弯折部均为直板结构并相对于相邻的弯折部倾斜一定角度。这种桨叶的制造较为简便，因此其制造成本相对较低。

第二搅拌装置100可以是双曲面搅拌装置。

优选地，第二搅拌装置100为图3和图4中所显示的结构。

图3示意性地显示了根据本发明的第二搅拌装置100的一个实施例的整体结构。

如图3所示，第二搅拌装置100包括主体，主体包括第一主体部2和第二主体部3，第一主体部2处于第二主体部3的上方并与第二主体部3相连。对于主体来说，其横截面由上到下逐渐增大。因而，对于第一主体部2和第二主体部3来说，其自身的横截面由上到下逐渐增大，并且第二主体部3的顶面与第一主体部2的底面相同并重合。应当理解的是，还可以设置更多主体部，这些主体部由上到下依次连接并确保其组成的主体的横截面由上到下逐渐增大。对于单个主体部(例如，第一主体部2或第二主体部3)来说，其侧轮廓线为直线。这种主体部的形状容易被制造出来，进而能降低第二搅拌装置100的制造成本。另外，由于这种主体部的形状容易被制造出来，所以不易产生较大的制造误差，并更容易被制造得一致。因此在使用过程中，使用者能够方便地对损坏的主体部进行替换，从而这样还降低了第二搅拌装置100的使用成本。另外，这种侧轮廓线为直线的主体部在制造过程中不容易产生变形，在多个主体部之间进行连接时也不容易产生变形。由此，所制得的主体能够精确地对称，从而第二搅拌装置100的动平衡性能较好，在旋转过程中不易发生摆动和震动，从而有利于提高有效输出功率并避免第二搅拌装置100受损。这对于维持第二搅拌装置100的结构稳定和延长第二搅拌装置100的使用寿命来说十分有利。

在一个实施例中，主体部大体为圆锥或圆锥台的形状。在这种情况下，主体部的侧轮廓线为圆锥的母线。这种主体部的形状比较容易被制造出来。并且，在制造过程中方便放样、测量和检定。另外，这种结构容易被制造得更加匀称，从而有利于主体与流体之间的接触和配合的顺畅性，并因此能避免第二搅拌装置100在运行过程中受到较大的冲击，进而有利于提高第二搅拌装置100的稳定性。

在一个优选的实施例中，主体部大体为凸多面锥或凸多面锥台。在这种情况下，主体部的侧轮廓线为凸多面锥的侧棱。这种主体部的形状更加容易被制造出来。尤其是在主体部由不易弯曲加工的材料或可加工性差的材料制成的情况下，可现将材料制造成多个三角形或梯形的板，然后将这些板拼接在一起，由此来形成主体部的形状。另外，这还能有效减少甚至避免在生产过程中产生废料。这里的凸多面锥或凸多面锥台优选为正八棱锥或正八棱锥台。主体部能在容易制造的同时确保对流体平滑引导。由于这种主体部由平面构成，因此整个主体更是容易被制造得精确对称。由此，能够进一步提高第二搅拌装置100的动平衡性能。

上述第二搅拌装置100可以安装在搅拌池的池底，并优选地安装在池底的中心处，以利于对搅拌池下部进行搅拌，防止反应物沉淀到池底。此时，为了避免流体冲击池底，可以令处于上方的主体部的侧轮廓线与竖直方向的夹角小于处于下方的主体的侧轮廓线与竖直方向的夹角，也就是说，令处于上方的主体部的侧轮廓线更陡、更倾向于垂直方向，而令处于下方的主体部的侧轮廓线更平、更倾向于水平方向。如图3所示，处于上方的第一主体部2的侧轮廓线更陡，而处于下方的第二主体部3的侧轮廓线更平。这样一来，在池底处，主体能够引导流体，使其横向运动，由此避免流体冲击池底，进而能促使流体大范围地循环流动。

在一个优选的实施例中，处于上方的主体部的侧轮廓线与竖直方向的夹角为处于下方的主体的侧轮廓线与竖直方向的夹角的2.8到3.2倍，优选为3倍。在如图3所示的设置有第一主体部2和第二主体部3的情况下，第一主体部2的侧轮廓线与竖直方向的夹角在15°到18°之间。在这种情况下，主体能够有效地引导流体扩散，并能避免流体冲击池底。同时，流体能够受到适当的引导而在尽可能大的范围内流动，从而能有效确保第二搅拌装置100的有效搅拌范围。流体还会在上方的主体部(第一主体部2)与下方的主体部(第二主体部3)之间的连接区域附近形成局部的适当强度的紊流。这种紊流能在一定程度上促进流体流动，从而有利于带动物料在其中充分混合，进而有助于将聚在一起的反应物(或参与反应的物质)打散，以增大反应物(或参与反应的物质)的有效接触表面，从而更有利于提高反应效率。尤其是在生物反应器中，能有效使菌团、胶质团、物料团等解体，以提高反应效率。应理解的是，这种紊流对整体、宏观上的搅拌效率的影响十分微弱，但却十分有利于促进局部的、微观上的搅拌。

如图3和图4所示，还可以在主体上围绕其纵向轴线旋转式布置多个搅流翅片。各个搅流翅片在背离纵向轴线的方向上延伸并沿周向方向偏斜。在主体和搅流翅片转动的过程中，会在搅流翅片的表面周围形成负压。在重力和该负压等作用下，能促使流体流动，从而使流体被带动着在更大的范围内流动。如图4所示，各个搅流翅片的背离纵向轴线的端部相对于靠近纵向轴线的端部沿顺时针方向偏斜。在主体和搅流翅片围绕主体的纵向轴线逆时针旋转的情况下，这种结构的搅流翅片能有效产生足够的离心力。在主体和搅流翅片旋转时，流体由上至下流动并从主体的下部的外边缘处离开。在此过程中，搅流翅片能使流体对该第二搅拌装置100的反作用力降低，尤其是降低了启动转矩需求。

如图4所示，在第一主体部2为八棱锥而第二主体部3为八棱锥台的情况下，可在第二主体部3上旋转式布置8个搅流翅片。

搅流翅片可分为多组。在图4中显示了两组搅流翅片，即第一组搅流翅片和第二组搅流翅片。第一组搅流翅片的靠近主体的纵向轴线的端部均相切于第一参考圆6，而第二组搅流翅片的靠近主体的纵向轴线的端部均相切于第二参考圆7。第一参考圆7和第二参考圆6的直径不同，但是其圆心均在纵向轴线上。优选地，第一组搅流翅片和第二组搅流翅片交替设置，以促使流体均匀流动。

优选地，如图4所示，第一组搅流翅片和第二组搅流翅片均设置在第二主体部3上。第一参考圆同时还是第一主体部2与第二主体部3之间的连接边缘的外切圆。

通过上述结构，能够有效地提高第二搅拌装置100的搅拌效率，并能改善反应池内流体的流态。具体来说，其能避免在距离旋转中心较近的位置处产生无攻湍流，同时还有效改善了主体周围的压力分布。另外，可以理解为，第一组搅流翅片更有利于起到分流作用，而第二组搅流翅片更有利于起到导流作用，从而使流体的速度分布更加均匀而合理，提高了等效流量和效率。此外，其有利于为流体提供更大的动力，使流体在更大的范围内循环流动。另外，其还是得受到搅拌的流体流动得更加稳定，从而能有效避免能量损失。

以下为本发明的具备上述结构的第二搅拌装置100(情况C)与不具备上述结构的搅拌装置(情况D)的比较。

从上表中即可看出，情况C(即，有第一组搅流翅片和第二组搅流翅片)中的等效流量总是高于情况D(即，没有第一组搅流翅片和第二组搅流翅片)中的等效流量。

此外，对于低速旋转(例如，转速在20rpm到60rpm之间)的、尺寸较大(例如主体的最大直径在0.5m到3m之间)的第二搅拌装置100来说，上述结构设置是尤为有利的。

在如图4所示的实施例中，各个搅流翅片由多个翅片部在背离纵向轴线的方向上依次连接而设置。各个翅片部由直板构成，易于加工成型，并因此会有效降低搅流翅片的制造成本。另外，为了使搅流翅片在背离纵向轴线的方向上延伸的同时沿周向方向偏斜，可令原理纵向轴线的翅片部比靠近纵向轴线的翅片部更加沿周向方向偏斜，由此来形成逐渐偏斜的形状。

优选地，对于同一搅流翅片上的翅片部来说，距离纵向轴线最远的翅片部相对于距离纵向轴线最近的翅片部偏斜120°左右。

如图4所示，还可以在主体的外侧设置延伸翅片4。延伸翅片与搅流翅片的背离主体的纵向轴线的端部相连，和/或与主体的边缘相连，并在背离纵向轴线的方向上延伸，由此来扩大搅拌动作的作用范围。优选地，延伸翅片4也在延伸的同时沿周向方向偏斜，以降低流体阻力。

以下为本发明的具备延伸翅片4的第二搅拌装置100(情况A)与不具备延伸翅片4的搅拌装置(情况B)的比较。

可以得知，在有延伸翅片4的情况下，能够在搅拌时产生更大的循环流量，从而能够更加有效地搅拌流体。循环流量的增大是离心效应增强而引起的。

此外，还对本发明的具备延伸翅片4的第二搅拌装置100(情况A)与不具备延伸翅片4的搅拌装置(情况B)进行了如下比较。

	流量变化(m3/s)	轴功率变化(kW)
			情况A	1.24	7.424
情况B	1	6.4
			变化率	0.24	0.16

上表中的变化率为情况A中的数据与情况B中的数据之差与情况B中的数据的比值。由上表可知，在产生的循环流量相近的情况下，具备延伸翅片4的方案所需的驱动第二搅拌装置100转动的转轴的功率较小。

另外，还优选地令延伸翅片与其他部件(例如搅流翅片的端部和/或主体)可拆卸式连接，例如可通过螺纹连接件(例如，螺栓)进行连接。由此，在需要更换搅流翅片时(例如在原来的搅流翅片受到磨损时)，能够方便地更换搅流翅片，并因此而降低了第二搅拌装置100的使用成本。

这里应理解的是，如图3和图4所示，第二搅拌装置100优选地设置成围绕中心轴线旋转对称的结构。

另外，第一搅拌装置的最大径向尺寸优选为第二搅拌装置的最大径向尺寸的0.61倍左右。例如在第一搅拌装置为桨叶式搅拌装置、第二搅拌装置为图3和图4中所显示的结构时，这种设置有利于在反应池内提供适当的紊流，并有利于使流体在大范围内有效地循环流动。

如图1所示，搅拌设备200还包括在纵向方向上延伸的旋转轴杆20，旋转轴杆20的顶端旋转式固定，以使得旋转轴杆20能够围绕纵向轴线旋转。第一搅拌装置10和第二搅拌装置100均安装在旋转轴杆20上。这样一来，在旋转轴杆20旋转时，第一搅拌装置10和第二搅拌装置100能够同轴地、同角速度地旋转，以对流体进行搅拌。

例如，可以在反应池的上方设置驱动装置(例如，旋转电机)，旋转轴杆20与驱动装置相连并向下延伸到反应池内。优选地，令第二搅拌装置100的重量增大到足以将由旋转轴杆20、第一搅拌装置10和第二搅拌装置100结合形成的整体的重心下移至接近池底的位置，由此来提高搅拌设备200在运行过程中的动平衡，而不需要求旋转轴杆20具有太大的刚度。例如，优选地将重心下移至整个搅拌悬垂部件(包括旋转轴杆20、第一搅拌装置10和第二搅拌装置100)的下部4/5处。或者例如，优选地，该搅拌悬垂部件中60％以上的重量由第二搅拌装置100来提供。另外因此，这种搅拌设备200可以低速空机运行一段时间而转轴不会因承受过大的弯矩而变形。

另外，还可以使旋转轴杆20的顶端和底端均旋转式固定。例如，其顶端与反应池的顶壁旋转式固定，而底端与反应池的底壁旋转式固定。由此一来，同样能够提高搅拌设备200在运行过程中的稳定性。例如，在图5中显示了旋转轴杆20(内轴杆20A)的底端与反应池的底壁之间的旋转固定机构50。

在如图2所示的实施例中，旋转轴杆20包括内轴杆20A和套设在内轴杆20A之外的外轴杆20B。内轴杆20A和外轴杆20B均在纵向方向上延伸，并且在其顶端分别与电机30A和电机30B相连。由此，电机30A能驱动内轴杆20A旋转，而电机30B能驱动外轴杆20B旋转。内轴杆20A能带动与其相连的第二搅拌装置100旋转，而外轴杆20B能带动与其相连的第一搅拌装置10旋转。

第一搅拌装置10可以与第二搅拌装置100在相同的方向上旋转。然而优选地，第一搅拌装置10可以与第二搅拌装置100在不同的方向上旋转。如图2所示，第一搅拌装置10沿顺时针方向旋转，第二搅拌装置100沿逆时针方向旋转。在这种情况下，在第一搅拌装置10和第二搅拌装置100之间更容易产生湍流，从而更加有利于对反应池内的流体进行搅拌，即是说，不仅能防止反应池中的物料分层沉淀(这是宏观层面上的)，还能更好地促进局部的流体均匀混合(这是微观层面上的)。另一方面，第一搅拌装置10和外轴杆20B转动产生的转矩与第二搅拌装置100和内轴杆20A转动产生的转矩方向相反，因而可以相互抵消至少一部分，从而使得用于旋转式固定内轴杆20A和外轴杆20B的反应池的顶壁受力较小。此外，对于第一搅拌装置10来说(尤其是在其前表面向下倾斜的情况下)，第二搅拌装置100推动的水流会对其具有向上的作用力，能对其起到一定的支撑作用，这一作用能与其自身重力等向下的作用力相互抵消至少一部分，从而支撑第一搅拌装置100的外轴杆20B不需具备过高的强度。因此，该设置有利于维持搅拌设备200的结构稳定性。

第一搅拌装置10和第二搅拌装置100可以以相同的转速来旋转。然而优选地，第一搅拌装置10和第二搅拌装置100还可以以不同的转速来旋转。甚至，可以只令第一搅拌装置10和第二搅拌装置100中的一个旋转，而另一个不旋转(或者不主动驱动另一个旋转)。由此，使用者能够根据需要而更加灵活地使用搅拌设备200。并且，不必为了使第一搅拌装置10和第二搅拌装置100较好地配合，而对第一搅拌装置10和第二搅拌装置100的结构和尺寸进行过多的设计。该较好的配合能有效地通过调整第一搅拌装置10和第二搅拌装置100的转动速度和方向来实现。

另外，对于内轴杆20A来说，其优选地从反应池的顶部一直延伸到反应池的底部，并且其顶端和底端都旋转式固定。对于外轴杆20B来说，其优选地从反应池的顶部一直延伸到第一搅拌装置10处并与第一搅拌装置10相连。并且，外轴杆20B的顶端旋转式固定，底端相对于内轴杆20A旋转式固定。例如，可以在外轴杆20B的底端与内轴杆20A之间套设旋转式支撑件，以便支撑外轴杆20B，确保外轴杆20B与内轴杆20A相对稳定。另外，在外轴杆20B较长的情况下，在外轴杆的底端与顶端之间的任一位置处，均可在内轴杆20A与外轴杆20B之间套设旋转式支撑件。应理解的是，旋转式支撑件能在不干扰内轴杆20A与外轴杆20B相对转动的同时支撑在内轴杆20A与外轴杆20B之间，以使内轴杆20A与外轴杆20B的相对位置关系和结构关系稳定。例如，旋转式支撑件可以是轴套或轴承。优选地，旋转式支撑件可以具备防水特性。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种搅拌设备，其包括第一搅拌装置和间隔开地设置在所述第一搅拌装置的下方的第二搅拌装置。

2.根据权利要求1所述的搅拌设备，其特征在于，所述第一搅拌装置为桨叶式搅拌器，所述桨叶式搅拌器包括旋转桨叶，所述旋转桨叶的前表面向下倾斜。

3.根据权利要求1或2所述的搅拌设备，其特征在于，所述第二搅拌装置包括：

主体，所述主体的横截面由上到下逐渐增大；以及

设置在所述主体上的多个搅流翅片，多个所述搅流翅片围绕所述主体的纵向轴线旋转式分布，其中，各个所述搅流翅片在背离所述纵向轴线的方向上延伸并沿周向方向偏斜。

4.根据权利要求3所述的搅拌设备，其特征在于，所述主体包括由上到下依次连接的多个主体部，所述主体部的侧轮廓线为直线，处于上方的所述主体部的侧轮廓线与竖直方向的夹角小于处于下方的所述主体部的侧轮廓线与竖直方向的夹角。

5.根据权利要求3或4所述的搅拌设备，其特征在于，所述搅流翅片包括在背离所述纵向轴线的方向上依次连接的多个翅片部，所述翅片部由直板构成，远离所述纵向轴线的翅片部比靠近所述纵向轴线的翅片部更加沿周向方向偏斜。

6.根据权利要求3到5中任一项所述的搅拌设备，其特征在于，所述搅拌设备还包括与所述搅流翅片的背离所述主体的纵向轴线的端部和/或所述主体相连并在背离所述主体的纵向轴线的方向上延伸到所述主体之外的延伸翅片。

7.根据权利要求1到6中任一项所述的搅拌设备，其特征在于，所述第一搅拌装置和所述第二搅拌装置构造成能以不同的速度旋转和/或能在不同的方向上旋转。

8.根据权利要求1到7中任一项所述的搅拌设备，其特征在于，所述搅拌设备还包括沿纵向方向延伸的内轴杆和同轴式套设在所述内轴杆之外的外轴杆，所述内轴杆和外轴杆的顶端旋转式固定，

其中，所述第一搅拌装置安装在所述外轴杆上，所述第二搅拌装置安装在所述内轴杆上。

9.根据权利要求8所述的搅拌设备，其特征在于，所述外轴杆沿纵向方向向下延伸至与所述第一搅拌装置连接处，在所述外轴杆的底端处的所述外轴杆与内轴杆之间套设有旋转式支撑件。

10.根据权利要求8或9所述的搅拌设备，其特征在于，所述内轴杆的底端旋转式固定。