CN107278170B - 一种提高流体混合效果的刚柔组合式搅拌桨 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高流体混合效果的刚柔组合式搅拌桨，包括搅拌轴，若干刚性搅拌桨，若干柔性莫比乌斯带以及若干环。该刚柔组合式搅拌桨至少有上下两层，主要由固定在搅拌轴上的上下层刚性搅拌桨和通过环连接上下层刚性搅拌桨之间的柔性莫比乌斯带构成。通过电机带动刚柔组合桨在搅拌槽内转动，向搅拌槽内流体输入机械能，使流体获得适宜的流场，强化流体混合过程。与现有技术相比，本发明的刚柔组合式搅拌桨中的柔性莫比乌斯带在搅拌轴和流体的相互作用下，自身能够不断抖动或做多体运动，不断改变流体的流动方向，提高流体的湍动程度，强化能量传递过程，提高流体的混合效率，并且能够节省装置成本。

Description

一种提高流体混合效果的刚柔组合式搅拌桨

技术领域

本发明涉及化工生产工艺中流体混合装置内的搅拌桨。

背景技术

机械搅拌反应器广泛应用于化工、冶金等过程工业，是相关生产工艺流程的核心设备，其经济性与流体混合性能密切相关。随着化工工艺的进步和发展，搅拌反应器正朝着大型化、节能化方向发展。由于流体混合性能与流场界面结构以及搅拌反应器结构的复杂关联性和高度敏感依赖性，致使搅拌反应器的设计与放大至今还缺乏完备的理论支撑而强烈依赖于经验。据统计，全球每年因搅拌反应器不合理设计所造成的损失高达数百亿美元。研究表明，传统刚性搅拌桨在流场中易形成混沌混合区与混合隔离区，且混沌混合区与混合隔离区之间存在着较为稳定的流场结构界面，流场结构之间没有充分混合，导致搅拌反应器内的流体混合效率较低。研究发现，柔性体在流场中可形成明显不同于刚性桨的涡结构，其多尺度流场结构不稳定性增强，可破坏流场中混合隔离区内外的结构界面，强化流体混沌混合行为，提高流体混合效果。本发明技术在已有技术的基础上，进一步对搅拌桨的结构进行优化，提出了柔性莫比乌斯带式-多层刚柔组合搅拌桨，该桨在旋转过程中，柔性莫比乌斯带在搅拌轴与流体的相互作用下，自身能够不断抖动或做多体运动，增大桨叶“横扫”区域，不断改变流体的流动方向，进而打破流场中存在的较为稳定的结构界面，提高流体的湍动程度，强化流体混合过程，提高流体混合效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够提高流体混合效果，且装置成本较低的刚柔组合式搅拌桨。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种提高流体混合效果的刚柔组合式搅拌桨，包括搅拌轴，以及若干刚性搅拌桨、若干环、若干柔性莫比乌斯带。

所述搅拌轴上至少具有两个能够与刚性搅拌桨连接的节点。若干刚性搅拌桨在搅拌轴上至少形成两层呈辐射状的搅拌桨叶组。

每一个刚性搅拌桨的桨叶端头均穿有一个环。

每一条柔性莫比乌斯带至少穿过两个处于上下不同层的刚性搅拌桨桨叶端头的环。

一种优选的方案是：提高流体混合效率的刚柔组合式搅拌桨包括搅拌轴(2)，以及刚性搅拌桨I(41)、刚性搅拌桨II(42)、若干环I(51)、若干环II(52)、若干柔性莫比乌斯带(6)。

搅拌轴的一个节点处固定有刚性搅拌桨I(41)，搅拌轴的另一个节点处固定有刚性搅拌桨II(42)。

进一步，固定有刚性搅拌桨I(41)的搅拌轴上的节点记为节点A，固定有刚性搅拌桨II(42)的搅拌轴上的节点记为节点B。

节点A固定有圆盘体A，若干个刚性桨叶的一端固定在圆盘体A的周围。

节点B固定有圆盘体B，若干个刚性桨叶的一端固定在圆盘体B的周围。

进一步，所述的若干个刚性桨叶均匀地分布在搅拌轴的四周。

进一步，刚性搅拌桨I(41)的每一个桨叶端头均穿有一个环I(51)。

进一步，刚性搅拌桨II(42)的每一个桨叶端头均穿有一个环II(52)。

刚性搅拌桨I(41)的桨叶端头是指刚性搅拌桨I(41)桨叶远离搅拌轴的一端。

刚性搅拌桨II(42)的桨叶端头是指刚性搅拌桨II(42)桨叶远离搅拌轴的一端。

进一步，所述刚性搅拌桨I(41)和刚性搅拌桨II(42)的桨叶数量相等。

进一步，柔性莫比乌斯带(6)的数量与刚性搅拌桨II(42)桨叶的数量相等。

每一条柔性莫比乌斯带(6)穿过任意一个环I(51)和任意一个环II(52)。

进一步，所述柔性莫比乌斯带的材质选自钢、四氟乙烯、氯丁橡胶、丁苯橡胶、硅胶或PVC。

进一步，所述柔性莫比乌斯带的制作方法是：将柔性材料制成的带子扭转180°后，两头再接起来。

进一步，接起带子两头的方式是螺栓连接。

进一步，刚性搅拌桨I(41)与刚性搅拌桨II(42)的直径相等。即刚性搅拌桨I(41)的直径为D，刚性搅拌桨叶II(42)的直径也为D。

进一步，刚性搅拌桨I(41)的桨叶和刚性搅拌桨II(42)的桨叶尺寸相同。

进一步，柔性莫比乌斯带(6)的宽度为d，d是D的1/40～1/10。

进一步，刚性搅拌桨I(41)的桨叶下边缘和刚性搅拌桨II(42)的桨叶上边缘之间的距离为F。柔性莫比乌斯带(6)的周长为f，f是F的2.2～3倍。

进一步，环I(51)和环II(52)的直径均为Φ，柔性莫比乌斯带的宽度为d，Φ是d的1.2～1.5倍。

进一步，所述搅拌轴(2)由电机(1)驱动，并伸入搅拌槽(3)中旋转。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：在搅拌桨旋转过程中，柔性莫比乌斯带能够使搅拌槽较大范围内不断改变流体的流动方向，打破搅拌槽内存在的较为稳定的结构界面，提高流体的湍动程度。在搅拌轴与流体的相互作用下，柔性莫比乌斯带可以发生扭转，通过自身抖动将桨叶能量传递到流场远处，提高能量利用率，强化流体混合过程，进而提高流体混合效果。与现有技术相比，通过电机带动的刚柔组合桨在搅拌槽内转动，向搅拌槽内流体输入机械能，使流体获得适宜的流场，强化流体混合过程。本发明公开的刚柔组合式搅拌桨中的柔性莫比乌斯带在搅拌轴和流体的相互作用下，自身能够不断抖动或做多体运动，不断改变流体的流动方向，提高流体的湍动程度，强化能量传递过程，提高流体的混合效果，并且能够节省装置成本。

附图说明

图1——本发明的刚柔组合式搅拌桨的搅拌装置示意图。

图2——本发明的刚柔组合式搅拌桨结构示意图。

图3——现有技术搅拌桨的结构示意图。

图中，电机1、搅拌轴2、搅拌槽3、刚性搅拌桨41、刚性搅拌桨42、环51、环52、柔性莫比乌斯带6、挡板7。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

一种提高流体混合效果的刚柔组合式搅拌桨，其特征在于:包括搅拌轴2，以及刚性搅拌桨I41、刚性搅拌桨II42、若干环I51、若干环II52、若干柔性莫比乌斯带6。所述刚性搅拌桨I41和刚性搅拌桨II42的桨叶数量相等。

固定刚性搅拌桨I41的搅拌轴2上的节点记为节点A，固定刚性搅拌桨II42的搅拌轴2上的节点记为节点B。

节点A固定有圆盘体A，若干个刚性桨叶的一端固定在圆盘体A的周围。即搅拌轴2的节点A上呈辐射状地分布着若干刚性桨叶。实施例中，若干个所述的刚性桨叶均匀地分布在搅拌轴2上的四周。

节点B固定有圆盘体B，若干个刚性桨叶的一端固定在圆盘体B的周围。即搅拌轴2的节点B上呈辐射状地分布着若干刚性桨叶。实施例中，若干个所述的刚性桨叶均匀地分布在搅拌轴2上的四周。柔性莫比乌斯带6的数量与刚性搅拌桨II42的桨叶数量相等。

刚性搅拌桨I41的每一个桨叶端头均穿有一个环I51。刚性搅拌桨II42的每一个桨叶端头均穿有一个环II52。每一条柔性莫比乌斯带6穿过任意一个环I51和任意一个环II52。

所述柔性莫比乌斯带6的制作方法是：将柔性材料制成的带子扭转180°后，两头再接起来，接起带子两头的方式是螺栓连接。所述柔性莫比乌斯带6的材质选自钢、四氟乙烯、氯丁橡胶、丁苯橡胶、硅胶或PVC。在材质选择过程中，应根据材质是否与混合物系发生化学反应，是否吸附混合物质以及是否耐酸耐腐蚀来进行选择。值得说明的是，现有呈竖直设置的长条状柔性片具有两个面，一个正面，一个反面；而柔性莫比乌斯带6只有一个面。在桨叶旋转过程中，柔性莫比乌斯带6自身可以发生扭转，使得柔性片的两个面都能与流体发生相互作用，而长条状的柔性片只有旋转正面与流体能够发生相互作用。

实施例2

本实施例的主要结构同实施例1，进一步地：

刚性搅拌桨I41与刚性搅拌桨II42的直径相等。即刚性搅拌桨I41的直径为D，刚性搅拌桨叶II42的直径也为D。刚性搅拌桨I41的桨叶和刚性搅拌桨II42的桨叶尺寸相同。

通过研究发现，当柔性莫比乌斯带6的宽度过窄，有利于柔性莫比乌斯带6发生扭转或抖动，但传递能量的能力较差；当柔性莫比乌斯带6的宽度过宽，不利于柔性莫比乌斯带6发生扭转或抖动，但传递能量的能力较强。柔性莫比乌斯带6的宽度为d，当d是D的1/40～1/10，体系能够获取较好的混合效果。

刚性搅拌桨I41的桨叶下边缘和刚性搅拌桨II42的桨叶上边缘之间的距离为F。柔性莫比乌斯带的周长为f，f是F的2.2～3倍。在这种情况下，能够保证柔性莫比乌斯带6不断扭转或做多体运动，体系的混合效果较好。而当柔性莫比乌斯带6周长过短，桨叶“横扫”范围减小，柔性莫比乌斯带6的抖动行为减弱，难以将桨叶能量传递到流场远处；当柔性莫比乌斯带6周长过长，桨叶“横扫”范围增大，柔性莫比乌斯带6的抖动行为增加，但桨叶转动阻力增大。

环I51和环II52的直径均为Φ，柔性莫比乌斯带6的宽度为d，Φ是d的1.2～1.5倍。

更进一步讲，柔性莫比乌斯带6的厚度不低于0.5mm，且厚度应当是有上限的，这需根据混合体系的不同进行选择，例如，对于单相或气液两相，厚度可选用稍薄一些；对于固液两相，厚度可选用稍厚一些。当柔性莫比乌斯带6的厚度过薄，它的抖动能力增强，但它对桨叶附近流体的分散能力减弱，混合效果变差；当柔性莫比乌斯带6厚度过厚，它对桨叶附近流体的分散能力增强，但它的抖动能力减弱，转动阻力增加。柔性莫比乌斯带6厚度的选择应当保证柔性莫比乌斯带6能够出现抖动但分散能力又不会太弱。

实施例中，所述搅拌轴2由电机1驱动，并伸入搅拌槽3中旋转。在搅拌槽3槽径为0.48m，槽高为1m，挡板7宽度为0.048m的圆柱形敞口搅拌槽内，溶液为1％的羧甲基纤维素钠溶液，液体高度0.5m，搅拌转速40rpm，通过酸碱脱色实验测定混合时间，以此表征搅拌桨的混合性能。实验结果见表1。

表1混合时间对比实验

搅拌桨类型	搅拌转速	混合时间
			现有刚柔组合式搅拌桨	40rpm	10.2s
本发明的刚柔组合式搅拌桨	40rpm	8.9s

从表1实验结果可以看出，在相同搅拌转速条件下，本发明公开的柔性莫比乌斯带式-刚柔组合搅拌桨与现有的长条状柔性片式-刚柔组合搅拌桨相比，体系的混合时间缩短了12.7％。

Claims (12)

1.一种提高流体混合效果的刚柔组合式搅拌桨，其特征在于:包括搅拌轴(2)，以及刚性搅拌桨I(41)、刚性搅拌桨II(42)、若干环I(51)、若干环II(52)、若干柔性莫比乌斯带(6)；

搅拌轴(2)的每一个节点上呈辐射状地分布着若干刚性桨叶；

刚性搅拌桨I(41)的每一个桨叶端头均穿有一个环I(51)；

刚性搅拌桨II(42)的每一个桨叶端头均穿有一个环II(52)；

每一条柔性莫比乌斯带(6)穿过任意一个环I(51)和任意一个环II(52)；所述柔性莫比乌斯带(6)的制作方法是：将柔性材料制成的带子扭转180°后，两头再接起来；

所述搅拌轴(2)由电机(1)驱动，并伸入搅拌槽(3)中旋转。

2.根据权利要求1所述的一种提高流体混合效果的刚柔组合式搅拌桨，其特征在于：所述刚性搅拌桨I(41)和刚性搅拌桨II(42)的桨叶数量相等。

3.根据权利要求1所述的一种提高流体混合效果的刚柔组合式搅拌桨，其特征在于：所述柔性莫比乌斯带(6)的材质选自钢、四氟乙烯、氯丁橡胶、丁苯橡胶、硅胶或PVC。

4.根据权利要求2所述的一种提高流体混合效果的刚柔组合式搅拌桨，其特征在于：固定有刚性搅拌桨I(41)的搅拌轴(2)上的节点记为节点A，固定有刚性搅拌桨II(42)的搅拌轴(2)上的节点记为节点B；

节点A固定有圆盘体A，若干个刚性桨叶的一端固定在圆盘体A的周围；

节点B固定有圆盘体B，若干个刚性桨叶的一端固定在圆盘体B的周围。

5.根据权利要求3所述的一种提高流体混合效果的刚柔组合式搅拌桨，其特征在于：若干个所述的刚性桨叶均匀地分布在搅拌轴(2)上的四周；柔性莫比乌斯带(6)的数量与刚性搅拌桨II(42)的桨叶数量相等。

6.根据权利要求2所述的一种提高流体混合效果的刚柔组合式搅拌桨，其特征在于：刚性搅拌桨I(41)的桨叶端头是指刚性搅拌桨I(41)的桨叶远离搅拌轴(2)的一端；刚性搅拌桨II(42)的桨叶端头是指刚性搅拌桨II(42)的桨叶远离搅拌轴(2)的一端。

7.根据权利要求6所述的一种提高流体混合效果的刚柔组合式搅拌桨，其特征在于：接起带子两头的方式是螺栓连接。

8.根据权利要求2所述的一种提高流体混合效果的刚柔组合式搅拌桨，其特征在于：刚性搅拌桨I(41)与刚性搅拌桨II(42)的直径相等；即刚性搅拌桨I(41)的直径为D，刚性搅拌桨II(42)的直径也为D。

9.根据权利要求8所述的一种提高流体混合效果的刚柔组合式搅拌桨，其特征在于：刚性搅拌桨I(41)的桨叶和刚性搅拌桨II(42)的桨叶尺寸相同。

10.根据权利要求8所述的一种提高流体混合效果的刚柔组合式搅拌桨，其特征在于：柔性莫比乌斯带(6)的宽度为d，d是D的1/40～1/10。

11.根据权利要求10所述的一种提高流体混合效果的刚柔组合式搅拌桨，其特征在于：上层刚性搅拌桨I(41)的桨叶下边缘和下层刚性搅拌桨II(42)的桨叶上边缘之间的距离为F；柔性莫比乌斯带的周长为f，f是F的2.2～3倍。

12.根据权利要求2所述的一种提高流体混合效果的刚柔组合式搅拌桨，其特征在于：环I(51)和环II(52)的直径均为Φ，柔性莫比乌斯带的宽度为d，Φ是d的1.2～1.5倍。

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