CN111295240A - 用于流动系统的改进的混合器 - Google Patents
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Abstract
一种混合器系统，包括带有用于处理流体的入口和出口(4，5)的密封管(2)，该管可围绕管(3)的纵轴以弧形旋转，并包含一个或多个叶片(11)，所述叶片在每一端处以如下方式安装在支撑在该管(3)内的叶片支架(10)上：允许所述一个或多个叶片(11)在管(3)以弧形旋转时以相同的方向和角速度(以度/秒为单位)旋转，并使用此类系统作为反应器和/或进行混合。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于流动材料的改进的混合器，特别是涉及对连续流动的流体的混合，更特别是涉及一种涉及连续处理流动材料的改进的混合器系统。在这样的系统中，处理材料以恒定的速率连续地输送到管的一端，并从另一端连续排出。也可以使用中间添加位置和中间移除位置。该系统被密封在入口点和排出点之间，以便在管内容纳优选地填充管的处理材料。
背景技术
在涉及两种不同密度的不混溶流体的逆流流动的情况下，一种处理材料以恒定的速率连续地被进给到管的一端，并从另一端连续地被排放。第二流体在与第一流体相反的端部处具有分开的进给和排放。
在通过系统期间，可能发生化学或物理变化，这被称为处理操作，并且流动的流体是处理材料。这样的处理操作包括但不限于混合、化学反应、酶促反应、细胞生长、结晶和聚合。该处理操作也可以是提取。处理材料是自由流动的，并且可以是均质的液体或相的混合物，例如不混溶的液体、气液混合物、具有颗粒状固体的液体(例如浆液和悬浮液)、超临界流体或它们的组合。
术语混合器和混合被使用以包括材料的简单混合并且还包括涉及化学或物理变化(例如化学反应、酶促反应、细胞生长、聚合)或物理变化(例如结晶)的流体混合。术语流体包括液体、气体、浆液、悬浮液及其混合物。流体是流动的材料。
发明内容
从历史上看，这些过程操作和其他操作主要在分批式反应器中进行。这些分批式反应器是大型混合式分装罐，其可能具有加热/冷却表面，并且一次处理一个罐容积。本发明的连续系统包括沿管连续流动的材料，并允许不中断地处理多个管容积，因此，与分批式设备相比，每单位容积的产出更高。这允许使用物理上较小的设备，该设备比分批式设备更节能且本质上更安全。减小尺寸还有助于提高性能，因为混合距离更短，并且随着传热面积与体积之比的增加，传热效果更好。这种改进的性能有助于提高产品的产量以及针对化学性质提高产品的纯度。
GB2507487描述了一种混合器，其包括管体，该管体容纳流体并且以反向的弧形旋转。内部的静态和动态混合元件共同作用，以在管旋转时促进流体混合。混合器由中心轴支撑。然而，使用中心轴是不优选的。此外，其具有低的速度，因此对混合的贡献不大。另外，其阻碍了从混合叶片流出的流体的混合模式。这也使组件更加难以安装以与管相同的速度和方向旋转的混合叶片。
因此，本发明提供了一种混合器，该混合器包括密封管，该密封管设有用于处理流体的入口和出口，并且所述管可围绕管的纵向轴线以弧形旋转，该管包含混合元件，该混合元件包括在每一端处安装在叶片支架上的一个或多个叶片，所述叶片支架以这样的方式支撑在管内，该方式允许一个或多个叶片在管以弧形旋转时以相同的方向和角速度(以度/秒为单位)旋转。
本发明还提供了一种如上所述的系统，其中，尽管在管的一个旋转弧与下一旋转弧之间的过渡阶段期间混合元件自由地以与管不同的角速度旋转，但是在管以弧形旋转时，混合元件以与管相同的方向和角速度旋转。
该管优选是水平的或基本水平的。
叶片相对于叶片支架固定。叶片支架位于管的每一端处并由管或端部法兰支撑，并且优选地安装成使得叶片不接触管的壁。混合元件的旋转中心在管直径的内侧三分之一之内，并且更优选地在管的中心处。可以将用于叶片支架的支撑件固定为使得叶片支架以与管相同的角速度和方向旋转。这在此称为管驱动冲程。叶片支架的支撑件还可允许叶片支架以相对于管的不同角速度和/或方向旋转，并且所述不同可由处理材料的拖曳效应引起。这在此称为流体驱动冲程。每个旋转弧的整个周期可以是管驱动冲程。优选地，使用管驱动冲程和流体驱动冲程的组合。为了实现两者的组合，混合元件需要自由旋转，但是自由旋转的程度受一个挡块、优选两个挡块的限制。这些挡块固定在管或端部法兰上，并限制了混合元件的自由旋转程度。在管驱动冲程期间，行程挡块推动混合元件。
管的形状优选地是圆形的，但是可以使用其他形状。该管优选是水平的，并且其长度优选为该管的直径的至少两倍、更优选大于该直径的3倍、甚至更优选大于该直径的5倍。可以根据将在管内执行的操作来选择管的长度，但是优选的长度在500mm至2米之间。可以根据需要使用其他长度。优选的管直径在50mm至1米之间。可以根据需要使用其他管直径。
管的长轴是轴向平面，并且轴向混合意味着管内的流体元件相对于其他流体元件在轴向平面内改变位置。径向平面与轴向平面成直角，并且径向混合意味着流体元件相对于其他流体元件在径向平面内改变位置。期望的混合方式可实现较高比例的径向混合与轴向混合。这确保了处理材料在反应器内的较窄的停留时间分布，这又致使了改善的停留时间控制，从而提高了产品的产量和质量。不同的处理流体相可能以不同的速度通过系统，并且在某些情况下在不同的方向上传播。
本发明的混合器被设计成对于任何给定相都提供有序的流动。有序流动是指给定相的任何两个流体粒子在零时进入系统，基本上同时从管中排出。有序流动是控制停留时间的关键因素。混合器可与高粘度流体一起使用，但优选与粘度小于100厘泊的流体一起使用。
本发明提供了一种新颖的管状混合器设计，其中在叶片支架之间不存在支撑混合器叶片的中心轴，并且采用弧形旋转的管状系统。
管以弧形旋转，并且旋转可以通过各种方式来驱动，包括压缩空气、具有驱动齿轮的马达或其他方式。优选的方法是驱动皮带或链条以转动管的马达。优选地，使用驱动控制系统，该驱动控制系统包括传感器，以检测管何时到达旋转弧的末端，在该位置处将信号发送至驱动系统以反转旋转方向。管的最大旋转弧度(θ1)为360°，但是优选为180°以下的角度，更优选为150°以下的角度。
通过系统的流体流由外部流体进给装置驱动，例如通过泵、压力传递或重力辅助流驱动。优选的是，该系统在充满处理材料的情况下运行。
混合叶片或多个混合叶片在管的中心与管的壁之间的位置处安装在叶片支架上。优选地，一个或多个叶片占据管的半径的外侧70％，并且更优选地，占据管的半径的外侧50％，甚至更优选地，占据管的半径的外侧30％。优选的是，叶片不与管的壁接触。叶片优选地安装在距管的壁的内表面不大于25mm的距离处，并且更优选地距壁不大于15mm。在两个叶片支架之间没有中心轴支撑混合器叶片。
优选的是，叶片在轴向平面中是笔直的。优选的是，叶片在径向平面上不是笔直的并且是弯折的或弯曲的。这提高了刚性，并且还在流体泵送过程中产生了偏压，以促进管中流体的缓慢旋转。
管以弧形形式旋转。在适用低剪切力和长混合时间的情况下，旋转速度可能达10分钟或更长以完成单个弧形。在需要高剪切力或快速混合时间的情况下，完成弧形的时间可能少于1秒。用于使管旋转的驱动机构可以是齿轮、传动带、传动链或活塞。
该系统使处理材料在管中的停留时间分布等同于串联的3个或更多个、更优选地5个或更多个连续搅拌的罐反应器。
优选将管行程挡块安装在管的外表面上，以防止管过度旋转。过度旋转是不希望有的，并且可能导致流程的断开以及与管的传热连接脱开。挡块可以基于向驱动系统发出信号以停止沿给定方向旋转的传感器。挡块也可以是机械挡块，其中，管上的实心突起与固定到不是管的一部分的静止表面上的实心突起接触。优选将传感器和机械挡块结合使用。
混合元件行程挡块还用于限制叶片支架的自由旋转运动。行程挡块的分离角(θ2)根据混合器叶片所需的流体驱动行程量而变化。流体驱动行程的值(以度为单位)是每旋转弧θ2x N，其中N是所用叶片的数量。θ2的最小值是叶片宽度，这使得混合器叶片(11)始终相对于管(3)固定。该角度的值优选地是10°或更大。
管可以设置有外部加热或冷却护套，以用于控制管内的处理材料的温度。优选地，当使用时，外部加热/冷却护套是围绕管的外表面的螺旋形缠绕的通道。这样的通道承载传热流体，并且优选地具有2000mm2或以下或更优选地200mm2或以下的横截面积。通道可以是围绕管包裹的焊接的半管件或围绕管包裹的管件的形式。优选地，所述管件由具有良好导热性的材料制成。铜是传热流体管件的优选材料。还优选的是，传热通道包括两个或更多个包裹在管体周围的螺旋形部分，每个螺旋形部分具有自身的进给和排出管件。或者，可以使用电加热。
优选地，本发明的混合器系统是通过分别制造叶片支架和叶片来组装的。优选地，每个叶片由单件材料制成。可以使用任何数量的叶片，但是优选的数目是6或更小，更优选地是2至4。叶片可以设置有孔或狭槽以改善混合。叶片还可以在边缘处具有切口。叶片还可使用柔性或铰接表面，其根据旋转方向改变几何形状。
叶片中的一个或多个可以具有不同的重量以产生不平衡的系统，但是优选的是，叶片具有相似的重量，以使混合器系统平衡，从而叶片仅由行程挡块和流体运动的作用来驱动。
该系统可沿管的内部长度设置一个或多个径向挡板，以限制轴向混合。具有3个或更多个挡板的系统是优选的，并且具有4个或更多个挡板的系统是更优选的。挡板的直径可以变化，但是挡板与管壁之间的间隙优选为20mm或更小，更优选为10mm或更小。挡板可以以不同的方式安装，但是优选的方法是使用挡板中的狭槽并且使混合器叶片穿过该狭槽来安装。可以使用过盈配合将挡板固定在轴向平面中，也可以使用间隔条。挡板也可以被焊接或拧紧到位。
本发明的系统的部件可以用不同的材料制成，以实现特定的处理操作所需的机械强度和耐化学性的正确组合。可以使用的材料包括钢、不锈钢、合金、稀有金属、塑料、陶瓷材料和玻璃。可以使用这些材料的组合，其中一种材料提供机械强度，而另一种材料提供耐化学性。示例包括涂有钽、玻璃、陶瓷或塑料的钢。
可以使用紧急释放系统，并且优选的系统是安装在端部法兰中央处的爆破盘。
本发明的系统特别适合用作连续化学反应器。其也可用作提取器。
具体实施方式
参考附图说明本发明。
图1示出了本发明的完整系统。进给管件(1)将处理材料输送到系统中。进给管件具有柔性元件，以允许管旋转。端部法兰(2)密封管，并提供用于清洁和维护的通道。可以使用螺栓(未示出)以及其他类型的夹紧装置。第二端法兰(2)位于管的另一端。管(3)为处理材料提供了容器。传热护套(4)为系统增加热量或从中除去热量。传热流体连接部(5)将传热流体输送到传热护套，并且该流体通过传热流体排出管件(6)排出。产品排出管件(7)安装在该管的另一端。传热管件和处理材料进给管件/排出管件的柔性适应管的旋转。这可以使用具有适当弯曲度以允许运动的柔性软管或硬管件来完成。管安装在辊或轴承(8)上，以允许管旋转。提供了驱动机构(未示出)以旋转管。旋转机构也可以使用反冲装置。未示出本发明的混合器叶片和叶片支架，因为它们在管内。
图2示出了可用于图1的管(3)中的混合器组件。混合器组件支撑销(9)位于组件的任一端(仅在一端可见)。这些销将叶片组件支撑在管内。优选地，该销是柱形的并且光滑以允许自由旋转。该销也可以具有允许有限程度的自由旋转的形状。混合器组件支撑销(9)固定在两个叶片支架(10)的每一个上，这两个叶片支架在管内位于管(3)两端。三个混合器叶片(11)由这两个叶片支架(10)支撑在管的每一端。
图3示出了图1中所示的组件的一端的分解图。叶片组件支撑凸台(12)直接或间接地固定到管的内端。该叶片组件支撑凸台可以安装在端部法兰上，但也可以由管和端部法兰之间的第二法兰支撑，也可以由管支撑在内部。支撑凸台(12)具有圆形表面，以承载混合器组件支撑销(9)。其也可以具有允许混合器组件支撑销(9)进行有限度的自由旋转的形状。该布置示出混合器凸台为凹形，并且混合器组件支撑销为凸形，但混合器凸台为凸形且混合器组件支撑销为凹形也是可以的。混合器组件行程挡块(13)安装在端部法兰上。其限制了混合器组件在管内的自由旋转程度。如同叶片组件支撑凸台(12)一样，这些混合器组件行程挡块可以固定在承载板上或固定在管内部。叶片组件如图2所示，并且可以相对于管锁定在适当的位置，但是如下所述的一定程度的自由旋转是优选的。
图4显示了随管旋转时行程挡块(13)的操作。可以使用单个行程挡块，但优选使用两个行程挡块。行程挡块(13)相对于管固定。通过具有这些间隔开的挡块，当改变管的旋转方向时，混合器叶片组件相对于管自由旋转期望的角度。管(3)在图3(a)中顺时针旋转，并且在图3(c)中逆时针旋转。在这些阶段中，如图2所示的混合器叶片组件的旋转由行程挡块驱动。图3(b)和(d)示出了旋转方向改变的时间段。在这些阶段，混合器组件相对于管(3)的旋转是由流体驱动的。管驱动冲程导致流体发生旋转运动并在散装流体中传递混合能量。当混合器叶片组件改变方向时，混合能量最高。流体驱动冲程产生在混合器叶片(11)和管(3)的内壁之间的剪切力。这提供了增强的热传递性能。
图5示出了设有挡板(14)的图2的混合器叶片组件。挡板用于限制轴向混合，从而改善了有序流动。
Claims (30)
1.一种混合器系统，所述混合器系统包括具有用于处理流体的入口和出口的密封管，所述管能够围绕所述管的纵向轴线以弧形旋转，所述管包含混合元件，所述混合元件包括一个或多个叶片，所述一个或多个叶片在每一端处安装在叶片支架上，并且所述叶片支架被支撑在所述管内，从而允许所述一个或多个叶片在所述管以弧形旋转时以相同的方向和以度每秒为单位的角速度旋转。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，在所述管的一个旋转弧与下一个旋转弧之间的过渡阶段期间，所述混合元件以与所述管不同的角速度自由旋转。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述叶片相对于所述叶片支架固定。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述叶片支架位于所述管的每个端部处并且由所述管或管端法兰支撑，并且被安装成使得所述叶片不接触所述管的壁。
5.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述混合元件的旋转中心在所述管的直径的内侧三分之一之内。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述混合元件的旋转中心是所述管的中心。
7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，管驱动冲程和流体驱动冲程的组合被用于使所述混合元件在所述管内运动。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述混合元件自由旋转，但是自由旋转的程度受到一个或多个行程挡块的限制。
9.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述管的横截面是圆形的。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述管的长度在500毫米至2米之间。
11.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，在所述叶片支架之间没有支撑混合器系统的所述叶片的中心轴。
12.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述管的旋转由压缩空气或具有驱动齿轮的马达驱动。
13.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，一个或多个混合器系统的所述叶片在所述管的中心与所述管的壁之间的位置处安装在所述叶片支架上，所述一个或多个混合叶片占据所述管的半径的外侧70％、更优选地占据所述管的半径的外侧50％、甚至更优选地占据所述管的半径的外侧30％。
14.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述一个或多个混合叶片不与所述管的壁接触。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述一个或多个混合叶片安装在距所述管的壁的内表面不大于25mm的距离处。
16.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述一个或多个混合叶片在轴向平面中是笔直的，并且在径向平面中是弯折或弯曲的。
17.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，行程挡块安装在所述管的外表面上。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述行程挡块基于传感器，所述传感器向驱动系统发出停止沿给定方向旋转的信号。
19.根据权利要求17或权利要求18所述的系统，其中，一个或多个所述行程挡块是机械挡块，其中，所述管上的实心突起与固定于不是所述管的一部分的静止表面上的实心突起接触。
20.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，混合元件行程挡块用于限制所述叶片支架的自由旋转运动。
21.根据前述权利要求中任一项所述的系统，所述系统沿着所述管的内部长度设置有一个或多个径向挡板。
22.根据权利要求21所述的系统，其中，所述径向挡板包括槽，混合器系统的所述叶片穿过所述槽。
23.一种混合方法，所述混合方法包括将处理流体输送到具有入口和出口的密封管、使所述管围绕所述管的纵向轴线以弧形旋转，其中，所述管包含混合元件，所述混合元件包括一个或多个叶片，所述一个或多个叶片在每一端处安装在叶片支架上，并且所述叶片支架支撑在所述管内，由此所述一个或多个叶片以与所述管以弧形旋转的相同的方向和以度每秒为单位的角速度旋转，从而实现处理流体的混合。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，在所述管的一个旋转弧与下一个旋转弧之间的过渡阶段期间，所述混合元件以与所述管不同的角速度自由旋转。
25.根据权利要求23或权利要求24所述的方法，其中，所述混合元件的旋转中心在所述管的直径的内侧三分之一之内。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述混合元件的旋转中心是所述管的中心。
27.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述管的横截面是圆形的，并且所述管的长度在500毫米至2米之间。
28.根据权利要求23至27所述的方法，其中，在所述叶片支架之间不存在支撑混合器系统的所述叶片的中心轴。
29.根据权利要求23至28中任一项所述的方法，其中，所述一个或多个叶片安装在距所述管的壁的内表面不超过25mm的距离处。
30.根据权利要求23至29中任一项所述的系统，其中，所述一个或多个叶片在轴向平面中是笔直的，并且在径向平面中是弯曲或弯折的。
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