CN204544043U - 一种射流循环高效搅拌装置 - Google Patents
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Abstract
一种射流循环高效搅拌装置，包括搅拌系统和射流循环系统，其搅拌系统包括搅拌轴11、错位六弯叶桨10、四斜叶桨9、电机13、减速器1和联轴器12，射流循环系统包括循环管道3、循环泵4、转子流量计6及射流喷嘴7。与传统组合搅拌桨相比，射流循环系统射流喷嘴安装于搅拌槽体偏心位置，射流喷嘴产生的射流场与多层桨搅拌流场的非线性耦合，诱发混沌混合。本发明的目的是提供一种射流循环组合高效搅拌装置,该装置用于中低粘度的流体搅拌过程中，有效的消除隔离区和混合死区，同时能提高流体的混合效率，降低生产成本也有借鉴和指导作用。本发明装置在混合速率和混合效率方面均高于传统组合搅拌桨。
Description
技术领域
本实用新型专利涉及一种射流循环高效搅拌装置，特别适用于聚合物、生物化工、石油化工以及医药工业等中低粘流体的搅拌混合过程。
背景技术
在工业生产上搅拌混合中低粘流体过程中，使用传统的搅拌方法普遍存在搅拌时间长、能耗大的情况。
在一个层流搅拌槽中，有两个区域可以被观察到：混沌混合区和混合隔离区。隔离区的基本形状是以搅拌轴为中心，由KAM环面组成的具有复杂内部形态的环形涡。Alatengtuya等观察到混合隔离区内的流体以切向旋转为主，轴向和径向速度都几乎为零。Makino等发现混合隔离区可占到搅拌槽容积的20％之多，可在较长时间内稳定存在。Takahaski等研究表明，隔离区内部流体的运动轨迹很规则，只能以线性规律被拉伸，相互之间的耦合程度非常低，这与混沌混合区内的流体能以李雅普诺夫指数被拉伸的规律截然不同。Ohmura等的研究认为，混合隔离区内外的流体之间没有混合，成为提高混合效率的主要障碍。Lamberto等通过计算和实验表明，当搅拌槽内流体处于周期性的运动状态变化时，可以形成整体混沌流，消除隔离区。对于三维流动场而言，混合隔离区对小的扰动不敏感，但对于较大的扰动，还是很快就能被破坏。
到目前为止，在搅拌槽内诱发混沌流的方法主要有变速搅拌、偏心搅拌、往复搅拌等。Cudak等采用叶轮偏离搅拌槽中心的结构形式在层流搅拌槽内流体诱发混沌流动，他们的照相可视化实验研究表明混沌效果得到了改善。Ascanio等和Xu等在不同流体中采用叶轮偏离搅拌槽中心的结构形式，叶轮周期性运动使层流搅拌槽内流体诱发混沌流，照相可视化实验表明混合效果得到了改善。范毓润等对偏心圆环中周期性和非周期混沌流场进行数值模拟和实验研究，结果表明周期流中存在大的隔离区，不利于混合，而非周期流可以破坏周期流中的隔离区，比周期流中的混合效果更好。高殿荣等使叶轮以变速运动来增加搅拌槽中的搅拌，将PIV实验测得的粒子图像用图像处理软件处理，得到了六个不同角度处流体径向速度分布云图，结果表明变转速运动比定常转速运动的搅拌效果好。
上述研究工作发现不对称结构的周期性运动能够诱发流体整体混沌流，从而提高混合效率。但这些研究工作大多采用牛顿流体，对剪切变稀的假塑性流体诱发混沌流的研究却不多见，而且这些方法都是从搅拌器的运动方式着手，通过对流体的动力学扰动来产生流 体颗粒运动轨迹的周期性变化，在流场中引发混沌，但其混合效果受周期性转速的变化和搅拌器偏心位置的影响，而且对驱动设备的要求很苛刻。
发明内容
根据现有技术存在的不足和缺陷，本专利提供一种射流循环高效搅拌装置,该装置适用于中低粘度流体的搅拌，实现诱发流体整体混沌流，降低能耗、缩短混合时间，提高混合效率，克服周期性转速的变化和搅拌器偏心位置对混合效果的影响以及降低对驱动设备的要求。通过控制搅拌器的转速，循环泵的转速，射流操作参数(流体的流速，射流喷口的直径尺度)，可以有效地提高混合效率，缩短搅拌时间。
本设计的射流循环高效搅拌装置，其特征为：一种射流循环高效搅拌装置，其特征在于：结构主体包括搅拌系统和射流循环系统，其搅拌系统包括搅拌轴(11)、安装在搅拌轴下端的错位六弯叶桨(9)、安装在搅拌轴中间的四斜叶桨(10)以及安装在搅拌轴上面的电机(13)、减速器1和联轴器(12)；射流循环系统包括循环管道(3)、连接在循环管道中的循环泵(4)和转子流量计(6)以及连接在循环管道下端的射流喷嘴(7)。与传统搅拌装置相比，其特征在于：搅拌系统中上层四斜叶桨(9)倾斜角度为45°,射流循环系统中的循环管道上端伸入筒体，上有两个进液口，分别为上进液口(2)和下进液口(5),射流循环系统中的射流喷嘴(7)，为锥形孔，偏心的安装在搅拌槽体下端。通过小试实验证明其混合速率和混合效率方面均高于普通双层搅拌桨，其装置搅拌的单位体积混合能只有普通双层搅拌桨的50％以上。本发明用于中低粘度流体搅拌混合过程具有明显优势。
二层组合桨在搅拌的时候很易形成混合隔离区，混合隔离区内部流体的运动轨迹很规则，只能以线性规律被拉伸，相互之间的耦合程度非常低，两个环形隔离区不参与对流混合，隔离区内介质的混合只能依靠分子的扩散运动来实现，这与混沌混合区内的流体能以李雅普诺夫指数被拉伸的规律截然不同。
本专利所提供的射流循环高效搅拌装置，在搅拌槽内产生周期性变化的流场，使得流体处于非周期的运动状态，从而达到消除隔离区,诱发假塑性流体混沌搅拌的目的,缩短混合时间，增强混合效果。
附图说明
附图1为本发明的装置示意图，附图2为无射流条件下的试验模拟的搅拌槽轴向纵截面速度矢量图。附图3为射流速度V＝2m/s条件下的试验模拟的搅拌槽轴向纵截面速 度矢量图。附图4为射流速度V＝4m/s条件下的试验模拟的搅拌槽轴向纵截面速度矢量图。
其附图1所示部件具体为减速器(1)、上进液口(2)、射流循环管道(3)、射流循环泵(4)、下进液口(5)、转子流量计(6)、射流喷嘴(7)、挡板(8)、错位六弯叶桨(9)、四斜叶桨(10)、搅拌轴(11)、电机(13)和联轴器(12)。
具体实施方式
按发明内容所述，制作小型中试射流循环组合高效搅拌装置，具体为四斜叶桨(10)和错位六弯叶桨(9)安装在搅拌搅拌轴(11)上，电机(13)和减速器(1)通过联轴器(12)安装在搅拌搅拌轴(11)上面；管道右端伸入槽体内，位于槽体内管道设有上进液口(2)和下进液口(5)；射流循环泵(4)与转子流量计(6)安装在循环管道(3)中间，管道下端与射流喷嘴(7)相连，射流喷嘴偏心的从槽体下部右端伸入搅拌槽内。
小试实验1：将甘油溶液倒入搅拌槽，直到液面高度为600mm。再向搅拌槽中加入100ml溴百里酚蓝溶液作为酸碱指示剂，使其与甘油溶液充分混合均匀。再向搅拌槽中加入50ml同样粘度的甘油和水的混合物，其中含有5ml NaOH溶液，充分混合后，搅拌槽内溶液为碱性呈蓝色。从搅拌槽顶部位置加入50ml甘油和水的混合物，其中含有10ml HCL溶液。
启动搅拌装置，关闭管道阀门，使电机带动搅拌器以设定的速度匀速转动，工作30分钟。
30分钟后可以观察到搅拌槽中叶片上下方分别存在两个很清楚的隔离区，隔离区显示的是碱性指示剂的蓝色，其它区域显示的是酸性指示剂的黄色。
小试实验2：将甘油溶液倒入搅拌槽，直到液面高度为600mm。再向搅拌槽中加入100ml溴百里酚蓝溶液作为酸碱指示剂，使其与甘油溶液充分混合均匀。再向搅拌槽中加入50ml同样粘度的甘油和水的混合物，其中含有5ml NaOH溶液，充分混合后，搅拌槽内溶液为碱性呈蓝色。从搅拌槽顶部位置加入50ml甘油和水的混合物，其中含有10ml HCL溶液。
启动搅拌装置，打开管道阀门，启动循环离心泵，调节离心泵的转速，观察转子流量计读数的变化，使射流喷嘴的射流达到合适的大小。
10分钟后可以观察到拌槽中叶片上下方的蓝色隔离区几乎消失，整个搅拌槽整体的液体变成了黄色。
小试实验1所代表的是传统搅拌方式，小试实验2所代表的是本设计的射流搅拌方式。对比上述两个实验，很显然小试实验2的搅拌混合的时间少于小试实验1的搅拌混合的时间，增强了混合效果。
下面通过试验模拟，来说明射流喷嘴产生的射流场与多层桨搅拌流场的非线性耦合。模拟的搅拌介质为中低粘度流体。
在附图2的模拟(a)图中可以看到没有射流时，呈现出对称的双涡环流场结构，隔离区中心分别位于搅拌器的上下方，它的存在将严重影响混合进程。在模拟(b)图中可以看到在射流速度为V＝2m/s时，呈现出不对称对称的双涡环流场结构，隔离区大大减少。调节射流速度为V＝4m/s，可以看到几乎没有对称的双涡环流场结构，射流场与搅拌流场达到了很好的非线性耦合，在流场中引发了混沌，有效的消除了隔离区。这说明使用本设计的射流搅拌方式能有效的缩短混合时间，达到更好的混合效果。
Claims (4)
1.一种射流循环高效搅拌装置，其特征在于：结构主体包括搅拌系统和射流循环系统，其搅拌系统包括搅拌轴(11)、安装在搅拌轴下端的错位六弯叶桨(9)、安装在搅拌轴中间的四斜叶桨(10)以及安装在搅拌轴上面的电机(13)、减速器(1)和联轴器(12)；射流循环系统包括循环管道(3)、连接在循环管道中的循环泵(4)和转子流量计(6)以及连接在循环管道下端的射流喷嘴(7)。
2.按权利要求1所述的搅拌装置，其特征在于：搅拌系统中上层四斜叶桨(9)倾斜角度为45°。
3.按权利要求1所述的搅拌装置，其特征在于：射流循环系统中的循环管道上端伸入筒体，上有两个进液口，分别为上进液口(2)和下进液口(5)。
4.按权利要求1所述的搅拌装置，其特征在于：射流循环系统中的射流喷嘴(7)，为锥形孔，偏心的安装在搅拌槽体下端。
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