CN1138586C - 用于混合的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种没有液体的通气地混合多种液体或液体(9)与颗粒(8)的方法和装置。液体和/或颗粒(8)盛放在一个包括一上端(4)、一下端(5)以及在上、下端之间延伸的器壁(3)的容器(2)中。设置在容器上端(4)附近且浸没在液体(9)中的机械转动机构(6)被用于引发从容器的中心径向向外地朝向器壁(3)的旋流以建立一回旋流。流动的特点是，存在一个靠近器壁(3)的从上端(4)移向下端(5)的中等旋流的外环形区(11)、一个在容器(2)的下端附近的向内流以及一个围绕容器(2)的中心区的快速旋流的内芯区(12)，内芯区(12)从下端(5)移向上端(4)并基本上从容器的下端(5)附近延伸至机械转动机构(6)。

Description

用于混合的装置和方法
技术领域
本发明涉及混合多种液体或液体与颗粒以形成料浆或类似物的装置。本发明的装置适用于使一种液体与另一种液体混合或混合液体与颗粒以形成均匀的悬浮体以及不是所有颗粒都充分悬浮的混合物。本发明打算用于不希望并力求避免在混合时从液面带走气体的场合。
背景技术
这种混合装置被广泛地用到许多工业生产中。一种这样的应用是被用于从过饱和液体中沉淀出晶体的生产中的搅拌式沉淀器。这种沉淀器被用于许多工业生产中。以下将针对这样的应用来具体描述本发明，但显然应该认为本发明的范围不局限于这种特殊用途。
一个众所周知的搅拌式混合器是用于在拜耳法中从铝土矿中产生水合氧化铝的吉布塞特沉淀器。现有的吉布塞特沉淀器包括一个带有一中心设置的通流管的大容器。在通流管内驱动一叶轮转动，以在沉淀器中产生一个垂直的环流。在某些情况下，环绕容器的侧面地设置折流板，以防止在料浆中产生涡流或回旋流，否则这种涡流或回旋流将削弱所需的垂直环流。现有的吉布塞特沉淀器采用高的输入功率来获得所需的环流。另外，沉淀过程的一个目的是在沉淀物中产生大的晶体尺寸。由于现有的吉布塞特沉淀器因通过通流管抽吸料浆而包括能量相当高的过程，所以存在着使晶体结构破裂的趋势。这限制了可以采用这些沉淀器获得的晶体的大小。吉布塞特沉淀器的另一个麻烦是因流速低而在沉淀器壁上产生结垢现象。尤其是，大部分材料沉积在容器的底部和滞流区内。结果，需要定期清洁容器。不仅清洁是一笔额外的开销，而且它明显干扰了生产并可能缩短容器的使用寿命。
在各种工业场合中，在用于混合液体和混合液体与颗粒的其它装置中存在相似的问题，尤其是存在大功率的需求。
发明概述
本发明的一目的是提供一种用于混合液体或液体与颗粒而没有从液面带走气体的方法和装置，它将克服或至少改进至少一个上述缺陷。
在本发明的一个方案中，提供了一种用于在没有从液面带走气体的情况下混合液体或液体与颗粒的装置，该装置包括：一个具有一上端、一下端以及在上、下端之间延伸的基本为柱形的器壁的储液容器、一个用于绕一基本垂直的轴线旋转的机械涡轮，该机械涡轮设置在所述上端附近且在液面附近浸没在所述液体中，以在液体中引发一个旋流，该旋流在基本水平的平面内在容器的中心区从机械转动涡轮沿径向向外地朝向所述器壁移动，并从而形成一个经过容器的稳定的回旋流，其特征在于，存在一个靠近器壁的从上端移向下端的绕所述垂直轴线的中等旋流的外环形区以便保持器壁上的连续液流，一个邻近容器下端的向内流以及一个围绕容器的中心区的从下端移向上端的绕所述轴线的快速旋流的内芯区，所述内芯区基本上从容器的下端附近延伸至机械涡轮。
在本发明的另一个方案中，提供了一种在没有从液面带走气体的情况下混合液体或液体与颗粒的方法，它包括以下步骤：将液体盛放在一个具有一上端、一下端以及在上、下端之间延伸的基本为柱形的器壁的容器中，利用在液面附近浸没在液体中的绕一基本垂直的轴线旋转的机械涡轮在靠近上端的容器部分中引发一个液流，所述液流是旋流并在容器的中心区从机械涡轮沿径向向外地朝向器壁而移动，从而形成了一个经过容器的稳定的回旋流，其特征在于，存在一个靠近器壁且从上端移向下端的绕所述垂直轴线的中等旋流的外环形区以便在器壁上保持连续的液流、一个靠近容器下端的向内流以及一个围绕容器的中心区且从下端移向上端的绕所述轴线的快速旋流的内芯区，所述内芯区基本上从容器的下端附近延伸至机械涡轮。
在根据本发明产生的回旋流中，旋流最好在内环形区域的中心处约等于零，而朝向该区域的外边缘时最大。
引发旋流的机械转动机械最好包括一个桨叶或叶轮。桨叶或叶轮最好绕一中心轴线转动。桨叶或叶轮最好只在容器的中心区内工作。桨叶或叶轮的叶片优选地从中心轮毂伸出，或者相对转动轴线向外偏置。
容器优选地具有圆形横截面。在本发明的一个实施例中，锥形底部连接着器壁与容器的下端。在另一个实施例中，底部是平的。产生流动所用的桨叶或叶轮的转速最好被选择成能够获得理想的流速。靠近器壁(边界层以外)的流速优选地约为0.3米/秒-1米/秒。流速最好大于0.5米/秒。在氧化铝沉淀器中，确实没有在沉淀器壁上发现结垢。在此内芯中的最大液体切向速度最好约等于靠近器壁的速度的三倍。
本发明尤其适用于其高度等于或大于其直径的容器。已经发现本发明能够在其高度等于其直径或最多为其直径四倍的容器中产生令人满意的混合效果。许多现有技术的混合装置不能在这样的结构中进行令人满意的混合。本发明的装置优选地具有用于产生经过容器的液体通流的机构。优选地，通流促进了液体在容器中的旋转。
在一种特定的用途中，本发明提供了一种沉淀器，它具有一个至少在水平方向上具有光滑连续的垂直器壁并用于盛装料浆的容器、设置在容器的上部中且浸没在料浆中以便在料浆中引发从容器的中心径向向外的旋流并从而形成经过容器的料浆回旋流的机械转动机构，其特征在于，存在一个靠近垂直器壁的向下移动的中等旋流的外环形区、一个横过容器底部的向内流以及一个围绕容器中心的向上移动的快速旋流的内芯区，所述内芯区基本上从容器的底部延伸至机械转动机构。
在另一个特定用途中，本发明提供了一种料浆的沉淀方法，它包括以下步骤：将料浆盛放在一个具有至少在水平方向上光滑连续的垂直器壁的容器中，利用浸没在料浆中的机械转动机构在容器的上部中引发从容器的中心径向向外的料浆旋流，从而形成通过容器的回旋流，其特征在于，存在一个靠近垂直器壁的向下移动的中等旋流的外环形区、一个横过容器底部的向内流以及一个围绕容器中心的向上移动的快速旋流的内芯区，所述内芯区基本上从容器的底部延伸至机械转动机构。
根据另一个本发明的可行的改进方案，可以间歇地操纵混合装置。这可以如下所述地实现，即启动用于产生流动的机械转动机构并例如直到获得平衡时为止，接着允许液体的动量达到继续混合，直到转动衰减到预定水平，或者转动衰减了一段再启动桨叶或叶轮的设定时间。如果可以缩短在电能的峰值负荷期间供电所需的时间，则这个方法尤其是可以允许明显降低功率需求。
供给沉淀器的输入功率最好小于20瓦/立方米。低到7或8瓦/立方米的输入功率可以维持悬浮和混合性能。
本发明的另一个优点是，更容易使会在停机后沉积在容器底部的固体材料重新悬浮。
还已发现，当本发明的装置被用作沉淀器时，可以因没有结垢以及提高了在底部和器壁上的流速而由加强的自然冷却获得产量方面的优势。另外，在工作中水冷器壁可以进一步提高这种效果。
本发明的装置和方法与现有技术中的混合装置的一个明显区别在于，有意地产生了涡流或回旋流。在现有技术的装置中，这样的流动被认为是不理想的，并且使用折流板来防止产生这样的流动。另外，根据本发明，机械转动机构被浸没在液体中。这防止了不希望出现的从液面处带走气体的现象。浸没的机械转动机构还防止了在液面上产生波浪或液面晃动。
附图说明
现在，只是示范性地参见附图来描述本发明。在附图中：
图1是本发明沉淀器的示意截面图；
图2a-图2d示出了球形聚苯乙烯珠粒在流体动力学试验设备中的分散图形，其中图2a示出了搅拌件静止时的情况，图2b示出了接通搅拌件27秒后的情况，图2c示出了接通搅拌件36秒后的情况，图2d示出了最后的稳定状态；以及
图3是在图1的沉淀器中引起的流动的示意曲线图。
具体实施方式
现在针对一个实验室规模型式的沉淀器来描述本发明的方法和装置。以下的说明只是为了描述本发明，而绝不是想要限定本发明的范围。另外，也已经制造出了用于拜耳法的工业用沉淀器。这种工业型式的沉淀器的直径大约为11米，高度约为28米。它相当于大约2.7兆升的体积。以下说明也只是示范性的，而不是要限定对本发明范围的解释。
如图1所示，本发明的沉淀器1包括一个由一个光壁的垂直筒体3构成的容器2，所述筒体具有一上端4和一锥形的底部5。一个拉什顿涡轮6安装在一个由驱动电机(未示出)转动的轴7上。实验室规模型式的沉淀器是采用图1所示的形式建成的。实验室规模型式的沉淀器还具有如同在工业型式的沉淀器中所要求的那样使料浆在容器中产生通流的装置。从涡轮6的下面抽吸流体并使其返回容器，从而它促进了容器中的旋流。这是通过使流入通道和流出通道位于切向或近似位于切向而实现的，从而流入和流出基本上在转动方向上。
图2a-图2d示出了在流体动力学试验设备中球形聚苯乙烯珠粒8在液体9中的分散图形。试验设备大致上与参见图1所述的装置相似，但是它没有锥形底部5。图2所示的图形没有任何液体的通流。图2所示试验设备中所采用的涡轮6的稳定转速为200转/分。
试验设备清楚地示出了珠粒8从容器2的底部5成柱或芯柱10状地悬浮，该芯柱10一直伸向涡轮6。当到达涡轮6时，珠粒8偏移向容器2的外壁3并以靠近外壁3的外环形体11的方式沿螺旋形路线随中等旋流返回容器底部。在从容器2的底部5一直伸向涡轮6的颗粒8的柱10中，发现颗粒8主要集中在位于芯柱10外边缘的薄环形体12中，而在试验设备的对称轴线附近没有或几乎没有颗粒。在芯柱10的外环形区12内的颗粒8的垂直运动和旋流很快，而在对称轴线附近的液体运动比较缓慢。
图3示出了在图1的沉淀器结构中引起的流动的示意图。
对本发明的实验室规模型式的沉淀器的研究表明：
1.回旋流是稳定、增强的，并且确实可以在容器壁上产生高的流速并由此尽可能抑制结垢的生成。
2.根据本发明的沉淀器，应该可以在实物尺寸的沉淀器中实现显著的节能，据估计，可以实现在目前所用的通流管式沉淀器中节能至少63％。
3.可以从沉淀器中省去通流管。
4.可以形成围绕容器的中心线转动的呈垂直液柱形式的净化区。
5.假设料浆靠近器壁地沿切向进入沉淀器，则在容器中产生的流动不会受影响而形成通流，从而促进了所产生的旋流。
6.与其它类型的沉淀器相比，在本发明的沉淀器中可期望明显地减少结垢。
7.本发明的沉淀器因在容器壁附近有更高的流速和没有结垢而提供了增强的冷却效果。
8.由于在现有技术的沉淀器中作为结垢沉积的沉淀物将在本发明的沉淀器中形成产物，所以有望获得提高的沉淀物回收率。
9.回旋流对聚集的程度、聚集的速度和晶体产物所获尺寸的扩大有着有益的影响。
10.当作为沉淀300分钟后的损耗指标进行测量时，通过本发明沉淀器获得的晶体产物的强度比通过类似的带通流管的沉淀器所获得的产物高。
11.在本发明的沉淀器中的固体以高的固体浓度分凝在容器的下半部中。
在上述的工业规模的沉淀器中，当被用作吉布塞特沉淀器时，已经可以实现输入功率降低到原先水平的37％左右并同时保留了类似的性能。在典型的工作中，已发现17转/分的搅拌转速可在沉淀器壁(在边界层外)附近产生约0.6米/秒的料浆速度并在输入功率为大约24千瓦的情况下在芯柱中产生约2米/秒的最大速度。另外，在一段大约为6个月的设备运转期内，观察到在沉淀器上减少了大约85％的结垢生成。这些性能上的改善是在保持了相同或略微提高的产量的情况下获得的。与本发明的沉淀器的能力有关的其他优点是，在停机后可以重新使固体悬浮并在关闭模式中没有严重的重新启动问题地继续工作。
以上描述只说明了本发明的一个实施例，在不超出本发明范围的前提下，可以进行修改。

Claims (23)

1.一种用于在没有从液面带走气体的情况下混合液体或液体与颗粒的装置，该装置包括：一个具有一上端、一下端以及在上、下端之间延伸的基本为柱形的器壁的储液容器、一个用于绕一基本垂直的轴线旋转的机械涡轮，该机械涡轮设置在所述上端附近且在液面附近浸没在所述液体中，以在液体中引发一个旋流，该旋流在基本水平的平面内在容器的中心区从机械转动涡轮沿径向向外地朝向所述器壁移动，并从而形成一个经过容器的稳定的回旋流，其特征在于，存在一个靠近器壁的从上端移向下端的绕所述垂直轴线的中等旋流的外环形区以便保持器壁上的连续液流，一个邻近容器下端的向内流以及一个围绕容器的中心区的从下端移向上端的绕所述轴线的快速旋流的内芯区，所述内芯区基本上从容器的下端附近延伸至机械涡轮。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述机械涡轮使得旋流在所述内环形区的中心处为零并且使得朝向该区域的外边缘而产生最大旋流。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述机械涡轮使得所述旋流为述样，即，在内环形区内的最大切向液流速度约为容器壁附近的液流速度的三倍。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述机械涡轮使得所述旋流为这样，即，容器壁附近的液体速度在0.3米/秒和1米/秒之间。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述机械涡轮使得所述旋流为这样，即，容器壁附近的液体速度大于0.5米/秒。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述机械涡轮是桨叶或叶轮。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，容器具有一个大致成锥形的底部。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，容器具有一个大致平坦的底部。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，它还包括一个用于产生一经过容器的液流的机构。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述的机构促进了液体在容器中的旋流。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，供给机械涡轮的输入功率小于20瓦/每立方米容器中的液体。
12.一种在没有从液面带走气体的情况下混合液体或液体与颗粒的方法，它包括以下步骤：将液体盛放在一个具有一上端、一下端以及在上、下端之间延伸的基本为柱形的器壁的容器中，利用在液面附近浸没在液体中的绕一基本垂直的轴线旋转的机械涡轮在靠近上端的容器部分中引发一个液流，所述液流是旋流并在容器的中心区从机械涡轮沿径向向外地朝向器壁而移动，从而形成了一个经过容器的稳定的回旋流，其特征在于，存在一个靠近器壁且从上端移向下端的绕所述垂直轴线的中等旋流的外环形区以便在器壁上保持连续的液流、一个靠近容器下端的向内流以及一个围绕容器的中心区且从下端移向上端的绕所述轴线的快速旋流的内芯区，所述内芯区基本上从容器的下端附近延伸至机械涡轮。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，旋流在所述环形区的中心处约为零，并且朝向该区域外边缘而为最大。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，在内环形区内的最大切向液流速度约为容器壁附近的液流速度的三倍。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，容器壁附近的液体速度在0.3米/秒和1米/秒之间。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，容器壁附近的液体速度大于0.5米/秒。
17.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述机械涡轮是桨叶或叶轮。
18.如权利要求12所述的方法，其特征在于，容器具有一个大致成锥形的底部。
19.如权利要求12所述的方法，其特征在于，容器具有一个大致平坦的底部。
20.如权利要求12所述的方法，其特征在于，它还包括建立一个经过容器的液流的步骤。
21.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述的经过容器的液流促进了液体在容器中的旋流。
22.如权利要求12所述的方法，其特征在于，它还包括以下步骤：操作机械涡轮直到基本获得平衡为止，中断机械涡轮的工作并允许液体的动量实现继续混合。
23.一种由料浆进行沉淀的方法，包括权利要求12所述的方法。
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