CN108348876B - 一种强化流体混沌混合的刚柔组合式搅拌桨 - Google Patents

一种强化流体混沌混合的刚柔组合式搅拌桨 Download PDF

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Abstract

一种强化流体混沌混合的刚柔组合式搅拌桨，该搅拌桨有若干层，它们均固定在同一的搅拌轴(2)上。通过电机(1)带动搅拌桨旋转，向搅拌槽(3)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；其中，每层刚柔组合式搅拌桨均由与搅拌轴(2)固定连接的刚性搅拌桨(6)和与刚性搅拌桨桨叶外端相连接的柔性莫比乌斯带(5)构成。该刚柔组合式搅拌桨不仅具有刚性桨的剪切作用和柔性片的多体运动，还具有射流作用，能够有效地强化桨叶能量的弥散过程，提高流体混合效率，在更低的转速条件下实现较好的流体混合效果。

Description

一种强化流体混沌混合的刚柔组合式搅拌桨
技术领域
本发明涉及到化工过程工业相关工艺流程的搅拌装置。
背景技术
机械搅拌反应器是过程强化的重要单元操作之一，是化工、冶金、医药以及食品加工等过程工业相关工艺流程的核心设备，它是通过搅拌桨的转动向搅拌槽内流体输入机械能，使流体获得适宜的流场，强化反应过程中的“三传一反”。传统的刚性桨主要是通过桨叶对流体的剪切作用实现混合，人们常采取增大转速的方法来提高流体的混合行为，但过度搅拌可形成稳定的对称性流场结构，出现混合隔离区或“死区”。事实上，在流体混合过程中，真正用于流体内部混合的能量不到搅拌桨向流体输入能量的5％。
目前，强化流体混沌混合的方法主要有变速搅拌、偏心搅拌、往复搅拌、射流搅拌、多层桨组合搅拌技术等，但这些研究主要集中在刚性搅拌桨强化流体混沌混合行为，在流场中仍然容易形成对称性流场结构，且对驱动设备的性能要求高，不利于长时间稳定操作。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，可强化流体混沌混合行为。然而，现有的柔性体搅拌桨中，由于柔性体本身较为柔软，难以将能量传递到远处，仍然存在搅拌桨尺寸大、能耗大等问题。
本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，创造性的提出了柔性莫比乌斯带式-刚柔组合式搅拌桨，该技术不仅具有刚性桨的剪切作用和柔性片的多体运动，还具有射流作用，该桨叶在旋转过程中，能够增大流体的速度梯度，提高混合体系的湍动程度，使流场中产生更多数量的小漩涡，强化桨叶能量的弥散过程，通过刚-柔-流的耦合作用，将能量以“波”的方式传递到流场远处，增大桨叶能量利用率，进而提高体系混合效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种能强化能量传递、缩短混合时间、提高混合效率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，一种强化流体混沌混合的刚柔组合式搅拌桨，其特征在于:包括搅拌轴，以及若干柔性莫比乌斯带，以及若干刚性搅拌桨。
所述搅拌轴至少具有一个节点。所述节点固定有一个刚性搅拌桨。每一个刚性搅拌桨的桨叶端部都安装有一条柔性莫比乌斯带。
进一步，所述的刚性搅拌桨的桨叶一端固定在圆盘体的周围、另一端为所述的端部。
进一步，所述刚性搅拌桨的桨叶均匀地分布在节点四周。
进一步，所述柔性莫比乌斯带的数量与刚性搅拌的桨叶数量相等。
进一步，所述柔性莫比乌斯带的制作方法是：将柔性材料的带子扭转180°后，两头再连接起来。
进一步，连接带子的方式是：扭转180°后的带子的两头均连接在同一个刚性搅拌桨的桨叶端部。
进一步，所述端部是指刚性搅拌桨桨叶远离搅拌轴的一端。
进一步，所述柔性莫比乌斯带的宽度与刚性搅拌桨的桨叶宽度相等。所述刚性搅拌桨的桨叶宽度是指：刚性搅拌桨桨叶在搅拌轴轴向方向的尺寸。
进一步，所述柔性莫比乌斯带的周长是刚性搅拌桨桨叶长度的2～5倍。刚性搅拌桨的桨叶长度是指：刚性搅拌桨叶在搅拌轴径向方向的尺寸。
进一步，所述柔性莫比乌斯带的厚度不低于1.0mm。
进一步，所述柔性莫比乌斯带的材质选自钢片、四氟乙烯、氯丁橡胶、丁苯橡胶、人造纤维、硅胶或PVC。
进一步，所述搅拌轴上具有若干个节点，每个节点间距为搅拌槽直径的1/3～1/2。
进一步，所述搅拌轴由电机驱动，并伸入搅拌槽中旋转。
值得说明的是，本发明在现有的刚柔组合桨的基础之上，把现有的长条状的柔性片扭转180°之后，将柔性片的两端连接起来改为莫比乌斯带状的柔性片。桨叶在旋转过程中，不但具有刚性搅拌桨的剪切作用与柔性片的多体运动，还能使流体在柔性莫比乌斯带附近产生许多高速射流，在搅拌轴与流体的耦合作用下，柔性莫比乌斯带附近的射流方向也不断发生变化，进而在较大范围内增大了流体的速度梯度，提高了混合体系的湍动程度，使流场中产生更多数量的小漩涡，强化了桨叶能量的弥散过程，将能量传递到流场远处，增大了桨叶能量利用率，进而提高体系混合效率。与现有技术相比，本发明能够有效地强化桨叶能量的弥散过程，提高流体混合效率，在更低的转速条件下实现较好的流体混合效果。
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、挡板4、柔性莫比乌斯带5、刚性搅拌桨6。
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：
一种强化流体混沌混合的刚柔组合式搅拌桨，包括搅拌轴2，以及若干柔性莫比乌斯带5，以及若干刚性搅拌桨6。
参见图2所述搅拌轴2至少具有一个节点。所述每个节点处安装有一个刚性搅拌桨6。所述刚性搅拌桨6的桨叶均匀地分布在节点四周。所述柔性莫比乌斯带5的数量与刚性搅拌桨6的桨叶数量相等。
所述刚性搅拌桨6的每一个桨叶端部均安装有一条柔性莫比乌斯带5。所述柔性莫比乌斯带5的制作方法是：将柔性材料制成的带子扭转180°后，两头再连接起来。通常采用螺栓固定带子的两端，在用螺栓固定时，应根据需要、或为更加牢固，添加垫圈。
实施例2：
参见图1所述搅拌轴2具有三个节点，每个节点间距为搅拌槽直径的1/3～1/2。所述每个节点处固定有一个刚性搅拌桨6。所述刚性搅拌桨6的桨叶均匀地分布在节点四周。所述柔性莫比乌斯带5的数量与刚性搅拌桨6的桨叶数量相等。
刚性搅拌桨6的每一个桨叶端部均安装有一条柔性莫比乌斯带5。所述柔性莫比乌斯带5的制作方法是：将柔性材料制成的带子扭转180°后，两头再连接起来。所述搅拌轴2由电机1驱动，并伸入搅拌槽3中旋转。
实施例3：
一种强化流体混沌混合的刚柔组合式搅拌桨，包括搅拌轴2，以及若干柔性莫比乌斯带5，以及若干刚性搅拌桨6。
参见图1所述搅拌轴2具有三个节点。所述每个节点处都固定有一个刚性搅拌桨6，若干个桨叶的一端固定在圆盘体的周围、另一端为所述的端部。所述刚性搅拌桨6的桨叶均匀地分布在节点四周。所述柔性莫比乌斯带5的数量与刚性搅拌桨6的桨叶数量相等。
刚性搅拌桨6的每一个桨叶端部均安装有一条柔性莫比乌斯带5。所述柔性莫比乌斯带5的制作方法是：将柔性材料制成的带子扭转180°后，两头再连接起来。连接带子的方式是：扭转180°后的带子的两头均连接在刚性搅拌桨6的同一个桨叶端部。
所述柔性莫比乌斯带6的宽度与刚性搅拌桨6的桨叶宽度相等。所述刚性搅拌桨6的桨叶宽度是指：刚性搅拌桨6的桨叶在搅拌轴2轴向方向的尺寸。
由于有三个节点，形成了三层刚柔组合式搅拌桨。所述刚柔组合式搅拌桨的层间距为搅拌槽的1/3～1/2。通过试验发现，当相邻刚柔组合式搅拌桨之间的层间距过小时，在桨叶局部范围内的轴向循环得到增强，但不能在全槽范围内引起轴向循环，搅拌槽3上部的流体混合效果较差。当相邻刚柔组合式搅拌桨之间的层间距过大时，在搅拌槽较大范围内能够引起流体运动，但相邻刚柔组合式搅拌桨容易形成轴向循环的“断层”，进而形成对称性流场。刚柔组合式搅拌桨的层间距在搅拌槽直径的1/3～1/2之间，体系的混合效果较好。
所述柔性莫比乌斯带5的周长是刚性搅拌桨6桨叶长度的2～5倍。刚性搅拌桨6的桨叶长度是指：刚性搅拌桨6的桨叶在搅拌轴2径向方向的尺寸。在这种情况下，能够保证柔性莫比乌斯带不断作多体运动，当柔性莫比乌斯带5的周长过短，桨叶的剪切作用增大，柔性部分的抖动行为减弱，难以将桨叶能量传递到流场远处。当柔性莫比乌斯带5的周长过长，即柔性莫比乌斯带5的直径增大，柔性莫比乌斯带5附近难以产生高速射流，且桨叶的运动阻力增大。柔性莫比乌斯带5的周长是刚性搅拌桨6桨叶长度的2～5倍时，体系的混合效果较好。
更进一步讲，柔性莫比乌斯带5的厚度应当是有上限的，当然，这应根据不同的混合体系，相应搅拌桨的层间距以及柔性莫比乌斯带5的长度等因素确定，当柔性莫比乌斯带5的厚度较厚时，它的抖动能力减弱，搅拌能量传递的范围变小。当柔性莫比乌斯带5的厚度较薄时，它的抖动能力提升，但它对桨叶附近流体的分散能力减弱，混合效果变差。柔性莫比乌斯带5的厚度选择应当保证柔性片能够出现抖动但分散能力又不会太弱。实施例中，所述柔性莫比乌斯带5的厚度一般不低于1.0mm。
所述柔性莫比乌斯带5的材质为钢片、四氟乙烯、氯丁橡胶、丁苯橡胶、人造纤维、硅胶或PVC等。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。例如，人造纤维编织的柔性材质，其强度与耐酸耐腐蚀性均较好，且对混合料液的吸附能力较差。
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0.4m，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
Figure GDA0003457553110000051
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20％。

Claims (10)

1.一种强化流体混沌混合的刚柔组合式搅拌桨，其特征在于:包括搅拌轴(2)，以及若干柔性莫比乌斯带(5)，以及若干刚性搅拌桨(6)；
所述搅拌轴(2)至少具有一个节点；所述节点处固定有一个刚性搅拌桨(6)；刚性搅拌桨(6)的每一个桨叶端部均安装有一条柔性莫比乌斯带(5)；所述柔性莫比乌斯带(5)的制作方法是：将柔性材料制成的带子扭转180°后，两头再连接起来；所述刚性搅拌桨(6)的桨叶均匀地分布在节点四周；扭转180°后的带子的两头均连接在同一个刚性搅拌桨(6)的桨叶端部。
2.根据权利要求1所述的一种强化流体混沌混合的刚柔组合式搅拌桨，其特征在于：所述的刚性搅拌桨(6)的桨叶一端固定在圆盘体的周围、另一端为所述的端部。
3.根据权利要求1所述的一种强化流体混沌混合的刚柔组合式搅拌桨，其特征在于：所述柔性莫比乌斯带(5)的数量与刚性搅拌桨(6)的桨叶数量相等。
4.根据权利要求3所述的一种强化流体混沌混合的刚柔组合式搅拌桨，其特征在于：所述端部是指刚性搅拌桨(6)的桨叶远离搅拌轴(2)的一端。
5.根据权利要求1所述的一种强化流体混沌混合的刚柔组合式搅拌桨，其特征在于：所述柔性莫比乌斯带(5 )的宽度与刚性搅拌桨(6)的桨叶宽度相等；所述刚性搅拌桨(6)的桨叶宽度是指：刚性搅拌桨(6)的桨叶在搅拌轴(2)轴向方向的尺寸。
6.根据权利要求1所述的一种强化流体混沌混合的刚柔组合式搅拌桨，其特征在于：所述柔性莫比乌斯带(5 )的周长是刚性搅拌桨(6)桨叶长度的2～5倍；刚性搅拌桨(6)的桨叶长度是指：刚性搅拌桨(6)的桨叶在搅拌轴(2)径向方向的尺寸。
7.根据权利要求1所述的一种强化流体混沌混合的刚柔组合式搅拌桨，其特征在于：所述柔性莫比乌斯带(5)的厚度不低于1.0mm。
8.根据权利要求1所述的一种强化流体混沌混合的刚柔组合式搅拌桨，其特征在于：所述柔性莫比乌斯带(5)的材质选自钢片、四氟乙烯、氯丁橡胶、丁苯橡胶、人造纤维、硅胶或PVC。
9.根据权利要求1所述的一种强化流体混沌混合的刚柔组合式搅拌桨，其特征在于：搅拌轴(2)上具有若干个节点，每个节点间距为搅拌槽直径的1/3～1/2。
10.根据权利要求1所述的一种强化流体混沌混合的刚柔组合式搅拌桨，其特征在于：所述搅拌轴(2)由电机(1)驱动，并伸入搅拌槽(3)中旋转。
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