CN114797529A - 一种强化磷矿酸解的弹性折叠搅拌桨 - Google Patents

一种强化磷矿酸解的弹性折叠搅拌桨 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种强化磷矿酸解的弹性折叠搅拌桨，通过电机带动搅拌桨在搅拌槽内转动，使槽内固液混合物获得机械能，强化搅拌槽内物料的混合过程。与现有技术相比，本发明的弹性折叠搅拌桨中的折叠桨叶，能够有效提高桨叶外部及桨叶末端的能量传递率，使机械能更好的转化为流体动能，进而使流体获得的动能更大，更有利于强化物质混沌混合；磷矿酸解过程中，槽内固液混合物的黏度较大，通过在刚性搅拌桨之间增添柔性部件，能够有效破坏流体的混沌隔离区，提高两刚性桨叶之间流体的湍动程度，强化桨叶能量传递过程，提高混合效率，缩短磷矿酸解的时间。

Description

一种强化磷矿酸解的弹性折叠搅拌桨
技术领域
本发明涉及湿法磷酸浸出领域和搅拌桨领域，具体是一种强化磷矿酸解的弹性折叠搅拌桨。
背景技术
搅拌反应器广泛应用于石油、化工、冶金、制药等行业中，其工作原理是通过搅拌桨的旋转向搅拌槽内混合体系输入机械能，强化反应过程的传热和传质，加速产物生成。磷酸搅拌反应器是湿法磷酸生产工艺流程中的关键设备之一，它主要的目的是强化硫酸和磷矿的混合，加快反应速率，减少反应时间。
传统刚性搅拌反应器在搅拌过程中容易形成轴对称性的流场，对固液两相的混合效果造成了阻碍，传统刚柔搅拌桨在旋转中容易产生较大的离心力，使搅拌槽壁附近的固含量较高，径向固体浓度存在较大差异。
针对传统刚性桨与刚柔组合桨的弊端，本发明在三叶折叠刚性桨叶的基础上添加了弹簧，以达到改善固体颗粒在搅拌槽径向和搅拌槽壁附近的分布，提高流体的混合效果和磷矿的浸出率，缩短浸出时间的目的。
发明内容
本发明的目的是提供一种强化磷矿酸解的弹性折叠搅拌桨，其特征在于:包括固定座(1)、搅拌轴(2)、两组刚性搅拌桨(6)和一组螺旋弹簧(7)；
所述固定座(1)与搅拌轴(2)连为一体；所述固定座(1)与外部电机连接，以带动搅拌轴(2)旋转；
搅拌轴(2)四周连接上下两组刚性搅拌桨(6)；一组刚性搅拌桨(6)包括呈辐射状连接在搅拌轴(2)四周的若干刚性叶片(8)；每一片刚性叶片(8)包括三个部分，记为连接部(801)、第一弯折部(802)和第二弯折部(803)；所述连接部(801)一端连接搅拌轴(2)、另一端过渡到第一弯折部(802)；所述第一弯折部(802)和第二弯折部(803)均面向连接部(801)的一侧弯折；进一步，作为优选，连接部(801)、第一弯折部(802)和第二弯折部(803)长度比列为18：7：7。连接部分801高度和长度比例为(0.8～1.5)：14。连接部分(802)高度和长度比例为(0.8～1.5)：7。连接部分(803)高度和长度比例为(0.7～1.4)：7。上述“长度”是从靠近搅拌轴(2)一端开始测量，到远离搅拌轴(2)一端测量结束。上述“高度”是从靠近固定座(1)一端开始测量，到远离固定座(1)一端测量结束。
所述第一弯折部(802)一端是连接部(801)、另一端过渡到第二弯折部(803)；
所述连接部(801)的下端为凸面(8011)；
所述第一弯折部(802)下端具有凸出部(8021)；
上下两组刚性搅拌桨(6)的刚性叶片(8)数量相同，一个上刚性搅拌桨(6)的刚性叶片(8)和一个下刚性搅拌桨(6)的刚性叶片(8)在垂直方向上对应，二者之间连接有一根螺旋弹簧(7)。
进一步，所述连接部(801)和第一弯折部(802)之间的弯折角度α为15°～25°；
在所述第一弯折部(802)的一端过渡到第二弯折部(803)的位置，所述第一弯折部(802)和第二弯折部(803)之间的弯折角度β为15°～25°；
所述连接部(801)的下端的凸面(8011)为三角状凸起，三角尖端的角度γ为120°～150°。
进一步，所述连接部(801)和第一弯折部(802)之间的弯折角度α为15°～25°，优选为20°。
在所述第一弯折部(802)的一端过渡到第二弯折部(803)的位置，所述第一弯折部(802)和第二弯折部(803)之间的弯折角度β为15°～25°，优选为20°。
所述连接部(801)的下端的凸面(8011)为三角状凸起，三角尖端的角度γ为120°～150°，优选为140°。
所述第一弯折部(802)下端的凸出部(8021)为矩形；
进一步，一组刚性搅拌桨(6)包括一个轴套(9)；刚性叶片(8)通过轴套(9)与搅拌轴(2)连接；
所述轴套(9)套设于搅拌轴(2)，每一片刚性叶片(8)倾斜地与轴套(9)连接；搅拌时，刚性叶片(8)的连接部(801)的迎水面冲上倾斜，刚性叶片(8)的连接部(801)的背水面冲下倾斜；刚性叶片(8)的连接部(801)的迎水面的下端与水平面的夹角为30°～50°，优选为45°。
进一步，所述固定座(1)为内部有四个圆孔的圆柱体结构；所述固定座(1)与搅拌轴(2)连为一体；所述固定座(1)可通过螺丝钉与外部电机连接；
所述搅拌轴(2)为圆柱体结构；所述搅拌轴(2)上有固定刚性搅拌桨(6)的轴套(9)的节点；
所述桨叶固定螺丝(4)可使轴套(9)固定在搅拌轴(2)上；
所述螺旋弹簧(7)为整体结构呈斜圆柱体的螺旋压缩弹簧，通过弹簧固定螺丝(5)使弹簧(7)两端分别固定在刚性桨叶(8)上；
进一步，所述搅拌轴(2)的材质为不锈耐酸钢；所述搅拌轴(2)的直径为d；所述搅拌轴(2)的长度为H；
所述桨叶固定螺丝(4)的材质为不锈耐酸钢；所述桨叶固定螺丝(4)的直径为Φ1＝(0.2～0.4)×d；
所述弹簧固定螺丝(5)的材质为不锈耐酸钢；所述弹簧固定螺丝(5)的直径为Φ2＝(0.1～0.3)×d。
所述弹簧(7)的材质为不锈耐酸钢；所述弹簧(7)的长度为L，L＝(0.8～1.2)×S。
进一步，上下两组刚性搅拌桨(6)之间的垂直距离为S，S＝(0.3～0.7)×H。
进一步，所述弹簧(7)的线径为b＝2.0～4.0mm，所述弹簧(7)的节距为t＝1～3mm。。
进一步，所述第一弯折部(802)下端的凸出部(8021)使得刚性桨叶(8)的上下宽度被加长2～5mm。
进一步，一组所述刚性搅拌桨(6)中，刚性桨叶(8)远离轴心端距轴心的距离为Q，Q＝(5～10)×d。
进一步，所述一组刚性搅拌桨(6)的直径为D，D＝(8～18)×d。
值得说明的是，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，提出弹性折叠搅拌桨，折叠桨叶在搅拌过程中能将桨叶外部的机械能更大程度地转换为流体动能，利用弹簧的柔性和弹性破坏搅拌槽中流体较为稳定的结构界面，强化流体混合。
与现有技术相比，本发明的折叠弹性搅拌桨中连接刚性桨的圆柱螺旋压缩弹簧在搅拌桨和流体的相互作用下，能够不断地作伸缩运动，提高流体的湍动程度，增大流体的混沌混合程度。同时，圆柱螺旋压缩弹簧本身具有一定的柔性，在搅拌的过程中做多体运动，能更加有效的破坏搅拌槽中流体较为稳定的结构界面，达到混沌混合的目的。
本发明具有以下优点：
本发明中的桨叶在旋转过程中，折叠桨叶能增大桨叶外端流体湍动程度，圆柱螺旋压缩弹簧在搅拌轴和流体的相互作用下，能够不断地作收缩运动，提高流体的湍动程度，增大流体的混沌混合程度。同时，圆柱螺旋压缩弹簧本身的结构特点使得对流体的切割作用更强，能更加有效的破坏搅拌槽中流体较为稳定的结构界面。
附图说明
图1——本发明的折叠弹性搅拌桨的搅拌装置示意图。
图2——本发明的折叠弹性搅拌桨结构示意图。
图3——现有技术搅拌桨的结构示意图。
图中：固定座(1)、搅拌轴(2)、搅拌槽(3)、桨叶固定螺丝(4)、弹簧固定螺丝(5)、刚性搅拌桨(6)、螺旋弹簧(7)、刚性叶片(8)、连接部(801)、凸面(8011)、第一弯折部(802)、凸出部(8021)、第二弯折部(803)、轴套(9)。
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：
一种强化磷矿酸解的弹性折叠搅拌桨，其特征在于:包括固定座1、搅拌轴2、两组刚性搅拌桨6和一组螺旋弹簧7；
所述固定座1与搅拌轴2连为一体；所述固定座1与外部电机连接，以带动搅拌轴2旋转；实施例中，所述固定座1为内部有四个圆孔的圆柱体结构；所述固定座1与搅拌轴2连为一体；所述固定座1可通过螺丝钉与外部电机连接；
搅拌轴2四周连接上下两组刚性搅拌桨6；一组刚性搅拌桨6包括呈辐射状连接在搅拌轴2四周的若干刚性叶片8；每一片刚性叶片8包括三个部分，记为连接部801、第一弯折部802和第二弯折部803；所述连接部801一端连接搅拌轴2、另一端过渡到第一弯折部802；所述第一弯折部802和第二弯折部803均面向连接部801的一侧弯折；
所述第一弯折部802一端是连接部801、另一端过渡到第二弯折部803；实施例中，所述连接部801和第一弯折部802之间的弯折角度α为20°；
所述连接部801的下端为凸面8011；实施例中，所述连接部801的下端的凸面8011为三角状凸起，三角尖端的角度γ为140°。
所述第一弯折部802下端具有凸出部8021；实施例中，所述第一弯折部802下端的凸出部8021为矩形；在所述第一弯折部802的一端过渡到第二弯折部803的位置，所述第一弯折部802和第二弯折部803之间的弯折角度β为20°；
上下两组刚性搅拌桨6的刚性叶片8数量相同，一个上刚性搅拌桨6的刚性叶片8和一个下刚性搅拌桨6的刚性叶片8在垂直方向上对应，二者之间连接有一根螺旋弹簧7。
实施例2：
本实施例的主要结构同实施例1，进一步，连接部801、第一弯折部802和第二弯折部803长度比列为18：7：7。连接部分801高度和长度比例为1.2：14。连接部分802高度和长度比例为1.2：7。连接部分803高度和长度比例为1.1：7。上述“长度”是从靠近搅拌轴2一端开始测量，到远离搅拌轴2一端测量结束。上述“高度”是从靠近固定座1一端开始测量，到远离固定座1一端测量结束。
实施例3：
本实施例的主要结构同实施例1或2，进一步，一组刚性搅拌桨6包括一个轴套9；刚性叶片8通过轴套9与搅拌轴2连接；
所述轴套9套设于搅拌轴2，每一片刚性叶片8倾斜地与轴套9连接；搅拌时，刚性叶片8的连接部801的迎水面冲上倾斜，刚性叶片8的连接部801的背水面冲下倾斜；刚性叶片8的连接部801的迎水面的下端与水平面的夹角为45°。
实施例4：
本实施例的主要结构同实施例3，进一步，所述固定座1为内部有四个圆孔的圆柱体结构；所述固定座1与搅拌轴2连为一体；所述固定座1可通过螺丝钉与外部电机连接；
所述搅拌轴2为圆柱体结构；所述搅拌轴2上有固定刚性搅拌桨6的轴套9的节点；
所述桨叶固定螺丝4可使轴套9固定在搅拌轴2上；
所述螺旋弹簧7为整体结构呈斜圆柱体的螺旋压缩弹簧，通过弹簧固定螺丝5使弹簧7两端分别固定在刚性桨叶8上；
所述搅拌轴2的材质为不锈耐酸钢；所述搅拌轴2的直径为d；所述搅拌轴2的长度为H；
所述桨叶固定螺丝4的材质为不锈耐酸钢；所述桨叶固定螺丝4的直径为Φ1＝0.3×d；
所述弹簧固定螺丝5的材质为不锈耐酸钢；所述弹簧固定螺丝5的直径为Φ2＝0.2×d。
所述弹簧7的材质包括硅锰弹簧钢丝、钒铬弹簧钢丝或不锈钢弹簧钢丝。实施例中，所述弹簧7的材质为不锈耐酸钢；值得说明的是，当所述弹簧7的长度过短，桨叶“横扫”范围减小，弹簧的抖动行为减弱，难以将桨叶能量传递到流场远处；当所述弹簧7的长度过长，桨叶“横扫”范围增大，弹簧的抖动行为增加，但桨叶转动阻力增大。当所述弹簧7的长度L＝(0.8～1.2)×S，体系的混合效果较好。本实施例中，所述弹簧7的长度为L，L＝1.0×S。
实施例5：
本实施例的主要结构同实施例4，进一步，上下两组刚性搅拌桨6之间的垂直距离为S，S＝0.5×H。
当弹簧7的线直径过小，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；当弹簧7的线直径过大，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。所述弹簧7的线直径的选择应当保证弹簧7能够出现抖动但分散能力又不会太弱。通过研究发现，当所述弹簧7的线径过小，有利于弹簧发生扭转或抖动，但传递能量的能力较差；当所述弹簧7的线径过大，不利于弹簧发生扭转或抖动，但传递能量的能力较强。当b＝0.5～2mm，体系能够获取较好的混合效果。本实施例中，所述弹簧7的线径为b＝3mm。当节距过大，没有足够的剪切应力，也会降低主体对流扩散量，不能在全槽范围内将固体颗粒完全悬浮；而节距过小，消耗于流体与弹簧钢丝的摩擦能量增大，能量利用率下降。当所述弹簧7的节距t＝1～3mm时，体系的物料混合效果较好。本实施例中，所述弹簧7的节距为t＝2mm。
所述第一弯折部802下端的凸出部8021使得刚性桨叶8的上下宽度被加长。
实施例6：
本实施例的主要结构同实施例5，进一步，一组所述刚性搅拌桨6中，刚性桨叶8远离轴心端距轴心的距离为Q，Q＝7×d。
所述一组刚性搅拌桨6的直径为D，D＝14×d。
实施例7：
本实施例采用实施例6的搅拌桨，通过外部电机的带动在搅拌槽3内进行转动。搅拌槽内是固液混合物比重1.50g/mL，液固比为2.0的磷矿与硫酸和水的混合物。值得说明的是，本实施例中在现有的搅拌桨的基础之上作出改进，折叠桨叶在搅拌过程中能将桨叶外部的机械能更大程度地转换为流体动能，强化桨叶能量传递，把柔性钢丝改为圆柱螺旋压缩弹簧，在旋转过程中，弹簧能够不断作收缩运动，破坏流体的混合隔离区，提高流体的湍动程度，增大流体的混沌混合程度。同时，圆柱螺旋压缩弹簧本身的结构特点使得对流体的切割作用更强，能更加有效的破坏搅拌槽中流体较为稳定的结构界面，增大桨叶能量利用率，提高流体的混合效率。
作为对比，采用现有刚柔组合式搅拌桨与实施例6的弹性搅拌桨进行搅拌实验过程如下：
所述搅拌轴2由外部电机驱动，并伸入搅拌槽3中旋转。
所述搅拌槽3为圆柱形敞口搅拌槽；所述搅拌槽3的直径为377mm，槽高为600mm；
所述搅拌槽3内固液混合物比重1.50g/mL，液固比2.0，槽内固液混合物高度450mm，搅拌转速140rpm。
通过测定磷矿浸出率及浸出时间,以此表征搅拌桨的混合效率。实验结果见表。
表1浸出率及浸出时间的对比实验
Figure BDA0003658300530000061
从表实验结果可以看出,在相同搅拌转速条件下,本发明公开的折叠弹性搅拌桨与原有刚柔组合搅拌桨相比,体系的磷矿浸出率提高了2.14％,浸出时间缩短了0.5h。

Claims (10)

1.一种强化磷矿酸解的弹性折叠搅拌桨，其特征在于:包括所述固定座(1)、搅拌轴(2)、两组刚性搅拌桨(6)和一组螺旋弹簧(7)；
所述固定座(1)与搅拌轴(2)连为一体；所述固定座(1)与外部电机连接，以带动搅拌轴(2)旋转；
搅拌轴(2)四周连接上下两组刚性搅拌桨(6)；一组刚性搅拌桨(6)包括呈辐射状连接在搅拌轴(2)四周的若干刚性叶片(8)；每一片刚性叶片(8)包括三个部分，记为连接部(801)、第一弯折部(802)和第二弯折部(803)；所述连接部(801)一端连接搅拌轴(2)、另一端过渡到第一弯折部(802)；所述第一弯折部(802)和第二弯折部(803)均面向连接部(801)的一侧弯折；
所述第一弯折部(802)一端是连接部(801)、另一端过渡到第二弯折部(803)；
所述连接部(801)的下端为凸面(8011)；
所述第一弯折部(802)下端具有凸出部(8021)；
上下两组刚性搅拌桨(6)的刚性叶片(8)数量相同，一个上刚性搅拌桨(6)的刚性叶片(8)和一个下刚性搅拌桨(6)的刚性叶片(8)在垂直方向上对应，二者之间连接有一根螺旋弹簧(7)。
2.根据权利要求1所述的一种强化磷矿酸解的弹性折叠搅拌桨，其特征在于：所述第一弯折部(802)下端的凸出部(8021)为矩形。
3.根据权利要求1或2所述的一种强化磷矿酸解的弹性折叠搅拌桨，其特征在于：一组刚性搅拌桨(6)包括一个轴套(9)；刚性叶片(8)通过轴套(9)与搅拌轴(2)连接；
所述轴套(9)套设于搅拌轴(2)，每一片刚性叶片(8)倾斜地与轴套(9)连接；搅拌时，刚性叶片(8)的连接部(801)的迎水面冲上倾斜，刚性叶片(8)的连接部(801)的背水面冲下倾斜；刚性叶片(8)的连接部(801)的迎水面的下端与水平面的夹角为30°～50°。
4.根据权利要求2或3所述的一种强化磷矿酸解的弹性折叠搅拌桨，其特征在于：所述固定座(1)为内部有四个圆孔的圆柱体结构；所述固定座(1)与搅拌轴(2)连为一体；所述固定座(1)可通过螺丝钉与外部电机连接；
所述搅拌轴(2)为圆柱体结构；所述搅拌轴(2)上有固定刚性搅拌桨(6)的轴套(9)的节点；
所述桨叶固定螺丝(4)可使轴套(9)固定在搅拌轴(2)上；
所述螺旋弹簧(7)为整体结构呈斜圆柱体的螺旋压缩弹簧，通过弹簧固定螺丝(5)使弹簧(7)两端分别固定在刚性桨叶(8)上。
5.根据权利要求1所述的一种强化磷矿酸解的弹性折叠搅拌桨，其特征在于：所述搅拌轴(2)的材质为不锈耐酸钢。
6.根据权利要求5所述的一种强化磷矿酸解的弹性折叠搅拌桨，其特征在于：上下两组刚性搅拌桨(6)之间的垂直距离为S，S＝(0.3～0.7)×H。
7.根据权利要求5所述的一种强化磷矿酸解的弹性折叠搅拌桨，其特征在于：所述弹簧(7)的线径为b＝2.0～4.0mm，所述弹簧(7)的节距为t＝1～3mm。
8.根据权利要求1或2所述的一种强化磷矿酸解的弹性折叠搅拌桨，其特征在于：所述第一弯折部(802)下端的凸出部(8021)使得刚性桨叶(8)的上下宽度被加长2～5mm。
9.根据权利要求1或2所述的一种强化磷矿酸解的弹性折叠搅拌桨，其特征在于：一组所述刚性搅拌桨(6)中，刚性桨叶(8)远离轴心端距轴心的距离为Q，Q＝(5～10)×d。
10.根据权利要求9所述的一种强化磷矿酸解的弹性折叠搅拌桨，其特征在于：所述一组刚性搅拌桨(6)的直径为D，D＝(8～18)×d。
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