CN217092980U

CN217092980U - 一种错位式涡轮搅拌桨

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Publication number: CN217092980U
Application number: CN202220722969.XU
Authority: CN
Inventors: 张庆华; 贾卓泰; 张帅锋; 郭梦珂; 杨超; 毛在砂
Original assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Priority date: 2022-03-30
Filing date: 2022-03-30
Publication date: 2022-08-02
Anticipated expiration: 2032-03-30

Abstract

本实用新型涉及搅拌桨技术领域，公开一种错位式涡轮搅拌桨。该错位式涡轮搅拌桨包括圆盘、多个第一桨叶和多个第二桨叶，多个第一桨叶和多个第二桨叶沿圆盘的周向间隔交错设置，第一桨叶和第二桨叶的迎液面均向内形成凹陷，以圆盘为界面，第一桨叶和第二桨叶均呈非对称结构。该错位式涡轮搅拌桨的混合效率较高，搅拌功耗较低，气液传质性能较好。

Description

一种错位式涡轮搅拌桨

技术领域

本实用新型涉及搅拌桨技术领域，尤其涉及一种错位式涡轮搅拌桨。

背景技术

径向圆盘涡轮搅拌桨广泛应用于化工、冶金、发酵、制药等领域的气液和气液固搅拌混合过程，是搅拌式反应器的重要内构件。其中，标准Rushton圆盘涡轮桨一直是气液和气液固搅拌设备的标准配置。然而，由于其搅拌功耗较高并且容易发生气泛，近年来逐渐被一些新型圆盘涡轮搅拌桨所替代，例如开孔Rushton涡轮桨、网格状圆盘涡轮搅拌桨、半圆管圆盘涡轮搅拌桨等。虽然上述圆盘涡轮搅拌桨在用于气液和气液固搅拌设备过程中，在一定程度上降低了功耗、提高了气液传质，但仍存在搅拌功耗高、传质性能不理想的问题。

因此，亟需一种错位式涡轮搅拌桨来解决上述问题。

实用新型内容

基于以上所述，本实用新型的目的在于提供一种错位式涡轮搅拌桨，混合效率较高，搅拌功耗较低，气液传质性能较好。

为达上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种错位式涡轮搅拌桨，包括圆盘、多个第一桨叶和多个第二桨叶，多个所述第一桨叶和多个所述第二桨叶沿所述圆盘的周向间隔交错设置，所述第一桨叶和所述第二桨叶的迎液面均向内形成凹陷，以所述圆盘为界面，所述第一桨叶和所述第二桨叶均呈非对称结构。

作为一种错位式涡轮搅拌桨的优选方案，所述第一桨叶包括位于所述圆盘相对两面的第一上叶和第一下叶，所述第一上叶的切向长度小于所述第一下叶的切向长度；

所述第二桨叶包括位于所述圆盘相对两面的第二上叶和第二下叶，所述第二上叶的切向长度大于所述第二下叶的切向长度。

作为一种错位式涡轮搅拌桨的优选方案，所述第一上叶和所述第二下叶的形状和大小相同，所述第一下叶和所述第二上叶的形状和大小相同。

作为一种错位式涡轮搅拌桨的优选方案，所述第一上叶的第一径向内缘、所述第一上叶的第二径向外缘、所述第一下叶的第三径向内缘和所述第一下叶的第四径向外缘均为圆弧形，并与所述圆盘同心。

作为一种错位式涡轮搅拌桨的优选方案，所述第一径向内缘的弧心角小于所述第三径向内缘的弧心角，所述第二径向外缘的弧心角小于所述第四径向外缘的弧心角。

作为一种错位式涡轮搅拌桨的优选方案，所述第二上叶的第五径向内缘、所述第二上叶的第六径向外缘、所述第二下叶的第七径向内缘和所述第二下叶的第八径向外缘均为圆弧形，并与所述圆盘同心。

作为一种错位式涡轮搅拌桨的优选方案，所述第五径向内缘的弧心角大于所述第七径向内缘的弧心角，所述第六径向外缘的弧心角大于所述第八径向外缘的弧心角。

作为一种错位式涡轮搅拌桨的优选方案，所述第一上叶的轴向高度与搅拌桨直径之比以及所述第二下叶的轴向高度与所述搅拌桨的直径之比范围为0.1-0.3。

作为一种错位式涡轮搅拌桨的优选方案，所述第一下叶的轴向高度与所述搅拌桨的直径之比以及所述第二上叶的轴向高度与所述搅拌桨的直径之比范围为0.15-0.4。

作为一种错位式涡轮搅拌桨的优选方案，所述第一桨叶的迎液面径向内缘线和所述第二桨叶的迎液面径向内缘线为圆弧线、半椭圆线或抛物线。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型提供一种错位式涡轮搅拌桨，该错位式涡轮搅拌桨包括圆盘、第一桨叶和第二桨叶，通过将非对称结构的多个第一桨叶和多个第二桨叶交错设置在圆盘上，使得搅拌桨上下流型不对称，打破了桨区附近的周期运动，增加了流体湍动程度，有利于提高混合效率和气液传质性能；且第一桨叶和第二桨叶向内形成凹陷，可以有效减弱搅拌过程中的气穴现象，降低搅拌功耗。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对本实用新型实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本实用新型实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的在第一角度下错位式涡轮搅拌桨的结构示意图(箭头为旋转方向)；

图2是本实用新型实施例提供的在第二角度下错位式涡轮搅拌桨的结构示意图(箭头为旋转方向)；

图3是本实用新型实施例提供的错位式涡轮搅拌桨的俯视图；

图4是本实用新型实施例提供的第一桨叶的结构示意图；

图5是本实用新型实施例提供的第二桨叶的结构示意图。

图中：

1、圆盘；2、第一桨叶；21、第一上叶；22、第一下叶；211、第一径向内缘；212、第一径向外缘；221、第二径向内缘；222、第二径向外缘；3、第二桨叶；31、第二上叶；32、第二下叶；311、第三径向内缘；312、第三径向外缘；321、第四径向内缘；322、第四径向外缘；4、轮毂。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

实施例一

如图1至图5所示，本实施例提供一种错位式涡轮搅拌桨，该错位式涡轮搅拌桨包括圆盘1、轮毂4、多个第一桨叶2和多个第二桨叶3，多个第一桨叶2和多个第二桨叶3沿圆盘1的周向间隔交错设置，第一桨叶2和第二桨叶3的迎液面均向内形成凹陷，以圆盘1为界面，第一桨叶2和第二桨叶3均呈非对称结构。通过将非对称结构的多个第一桨叶2和多个第二桨叶3交错设置在圆盘1上，使得搅拌桨上下流型不对称，打破了桨区附近的周期运动，增加了流体湍动程度，有利于提高混合效率和气液传质性能；且第一桨叶2和第二桨叶3向内形成凹陷，可以有效减弱搅拌过程中的气穴现象，降低搅拌功耗，可广泛应用于化工、冶金、制药和水处理等领域。其中，圆盘1、第一桨叶2以及第二桨叶3的尺寸具体根据实际情况设置，示例性地，圆盘1的直径与搅拌桨的直径之比为0.3-0.8，优选为0.68；第一桨叶2的径向长度和第二桨叶3的径向长度分别与搅拌桨的直径之比为0.15-0.5，优选为0.25。

可选地，第一桨叶2和第二桨叶3的总数量范围为4-10个，优选为6个，第一桨叶2和第二桨叶3分别为3个。

本实施例中，第一桨叶2和第二桨叶3向内凹陷呈U或V形，且第一桨叶2的迎液面径向内缘线和第二桨叶3的迎液面径向内缘线为圆弧线、半椭圆线或抛物线，有利于降低搅拌功耗。可选地，第一桨叶2和第二桨叶3的迎液面径向内缘曲线方程可以相同也可以不同，具体根据实际情况设置。

如图4和图5所示，E表示第一上叶21的切向长度，F表示第一下叶22的切向长度，G表示第二上叶31的切向长度，H表示第二下叶32的切向长度。具体地，第一桨叶2包括位于圆盘1相对两面的第一上叶21和第一下叶22，第一上叶21的切向长度E小于第一下叶22的切向长度F；第二桨叶3包括位于圆盘1相对两面的第二上叶31和第二下叶32，所述第二上叶31的切向长度G大于所述第二下叶32的切向长度H。在上述结构下，圆盘1同一位置处的相对两面对流体的接触面积不同，使得上下流型不同，能够提高混合效率和气液传质性能。可选地，第一上叶21和第二下叶32的形状和大小可以相同或不同，第一下叶22和第二上叶31的形状和大小可以相同或不同，具体根据实际情况设置。

本实施例中，第一上叶21和第一下叶22交界处的径向伸展线可以是圆弧、抛物线、椭圆弧线或直线，优选为直线。第二上叶31和第二下叶32交界处的径向伸展线可以是圆弧、抛物线、椭圆弧线或直线，优选为直线。

再次参照图4和图5，A为第一上叶21的轴向高度，B为第一下叶22的轴向高度，C为第二上叶31的轴向高度，D为第二下叶32的轴向高度。可选地，第一上叶21的轴向高度A和第一下叶22的轴向高度B沿第一桨叶2径向伸展线向外伸展过程中等比例增加或变比例增加；第二上叶31的轴向高度C和第二下叶32的轴向高度D沿第二桨叶3径向伸展线向外伸展过程中等比例增加或变比例增加。

示例性地，第一上叶21的轴向高度A与搅拌桨直径之比以及第二下叶32的轴向高度D与搅拌桨的直径之比范围为0.1-0.3，优选为0.2；第一下叶22的轴向高度B与搅拌桨的直径之比以及第二上叶31的轴向高度C与搅拌桨的直径之比范围为0.15-0.4，优选为0.25。

进一步地，如图1和图2所示，第一上叶21的第一径向内缘211、第一上叶21的第一径向外缘212、第一下叶22的第二径向内缘221以及第一下叶22的第二径向外缘222均为圆弧形，并与圆盘1同心。圆弧形的设计能够有效降低搅拌功耗，并能够在较低的搅拌功耗下，改善搅拌槽内的流体混合，提高气体的分散效果和气液传质性能。

本实施例中，第二上叶31的第三径向内缘311、第二上叶31的第三径向外缘312、第二下叶32的第四径向内缘321以及第二下叶32的第四径向外缘322均为圆弧形，并与圆盘1同心，进一步降低搅拌功耗。在上述结构下，多个第一径向内缘211和多个第三径向内缘311在圆盘1平面上的投影延伸线围成圆形，多个第二径向内缘221和多个第四径向内缘321在圆盘1上的投影延伸线围成圆形，且均与圆盘1同心，能够有效降低搅拌功耗，提高混合效率。

由于第一上叶21和第一下叶22非对称，在上述结构下，第一径向内缘211的弧心角小于第二径向内缘221的弧心角，第一径向外缘212的弧心角小于第二径向外缘222的弧心角；第三径向内缘311的弧心角大于第四径向内缘321的弧心角，第三径向外缘312的弧心角大于第四径向外缘322的弧心角。即第一上叶21的弧长小于第一下叶22的弧长，第二上叶31的弧长大于第二下叶32的弧长，使得第一上叶21和第一下叶22与流体的接触面积不同，以及第二上叶31和第二下叶32与流体的接触面积不同，提高混合效率和气液传质性能。

优选地，如图3所示，第一径向内缘211和第一径向外缘212的弧心角相同，均为a，第二径向内缘221和第二径向外缘222的弧心角相同，均为b；第三径向内缘311和第三径向外缘312的弧心角相同，均为c，第四径向内缘321和第四径向外缘322的弧心角相同，均为d。示例性地，a和c的取值范围为20°-60°，优选为30°；b和d的取值范围为20°-60°，优选为40°。

本实施例中，对搅拌过程中的气液传质系数进行测定，测定方法为亚硫酸钠氧化法：设置气液搅拌槽反应器直径240mm，高300mm，四块挡板离壁安装，挡板高300mm，宽24mm。搅拌转速为200rpm，操作温度为室温，压力为常压。搅拌介质为水和空气，液面高度为240mm，通气流量为20L/min。该错位式涡轮搅拌桨的直径为120mm，其它详细尺寸按本实施例中的最优确定。利用电导率法测量混合时间，亚硫酸钠氧化法获得气液传质系数，扭矩法测量获得搅拌设备的搅拌功耗。通过实验得到的单位体积搅拌功耗、混合时间和气液传质系数分别为0.076kW/m³、3.31s和0.0156m/s。

为了便于与现有的抛物线圆盘涡轮桨相比，本实施例还提供一个对比例一：抛物线圆盘涡轮桨的桨叶直径为120mm，曲面方程x＝0.19y²，其它条件与上述实验条件相同。实验得到的单位体积搅拌功耗、混合时间和气液传质系数分别为0.13kW/m³、6.21s和0.0119m/s。

实验结果表明，在相同搅拌转速下，本实施例提供的错位式涡轮搅拌桨与现有抛物线圆盘涡轮搅拌桨相比，单位体积搅拌功耗减少了41.5％，混合时间减少了47.5％，传质系数提高了31.09％。

实施例二

本实施例提供一种错位式涡轮搅拌桨，其与实施例一的结构相同，仅在实施例一对搅拌过程中的气液传质系数进行测定过程的实验条件上进行了改进。故在此仅对二者的不同之处做出描述，本实施例与实施例一相同的结构在此不再赘述。

设置搅拌转速为300rpm，其他实验条件与实施例一相同。实验得到的单位体积搅拌功耗、混合时间和气液传质系数分别为0.345kW/m³、2.65s和0.0272m/s。

为了便于与现有的抛物线圆盘涡轮桨相比，本实施例还提供一个对比例二：搅拌转速为300rpm，其他条件与实施例一中的对比例一相同。实验得到的单位体积搅拌功耗、混合时间和气液传质系数分别为0.601kW/m³、3.53s和0.0205m/s。

实验结果表明，在相同搅拌转速下，本实施例提供的错位式涡轮搅拌桨与现有抛物线圆盘涡轮搅拌桨相比，单位体积搅拌功耗减少了42.6％，混合时间减少了26.06％，传质系数提高了32.68％。

实施例三

设置通气流量为10L/min，其他条件与实施例一相同。实验得到的单位体积搅拌功耗、混合时间和气液传质系数分别为0.08kW/m³、3.82s和0.0142m/s。

为了便于与现有的抛物线圆盘涡轮桨相比，本实施例还提供一个对比例三：设置通气流量为10L/min，其他条件与对比例一相同。实验得到的单位体积搅拌功耗、混合时间和气液传质系数分别为0.135kW/m³、6.57s和0.0099m/s。

实验结果表明，在相同搅拌转速下，本实施例提供的错位式涡轮搅拌桨与现有抛物线圆盘涡轮搅拌桨相比，单位体积搅拌功耗减少了40.74％，混合时间减少了41.86％，传质系数提高了43.43％。

实施例四

设置通气流量为50L/min，其他条件与实施例一相同。实验得到的单位体积搅拌功耗、混合时间和气液传质系数分别为0.085kW/m³、3.18s和0.0169m/s。

为了便于与现有的抛物线圆盘涡轮桨相比，本实施例还提供一个对比例四：

设置通气流量为50L/min，其他条件与对比例一相同。实验得到的单位体积搅拌功耗、混合时间和气液传质系数分别为0.14kW/m³、5.86s和0.0125m/s。

实验结果表明，在相同搅拌转速下，本实施例提供的错位式涡轮搅拌桨与现有抛物线圆盘涡轮搅拌桨相比，单位体积搅拌功耗减少了39.29％，混合时间减少了45.73％，传质系数提高了35.2％。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims

1.一种错位式涡轮搅拌桨，其特征在于，包括圆盘(1)、多个第一桨叶(2)和多个第二桨叶(3)，多个所述第一桨叶(2)和多个所述第二桨叶(3)沿所述圆盘(1)的周向间隔交错设置，所述第一桨叶(2)和所述第二桨叶(3)的迎液面均向内形成凹陷，以所述圆盘(1)为界面，所述第一桨叶(2)和所述第二桨叶(3)均呈非对称结构。

2.根据权利要求1所述的错位式涡轮搅拌桨，其特征在于，所述第一桨叶(2)包括位于所述圆盘(1)相对两面的第一上叶(21)和第一下叶(22)，所述第一上叶(21)的切向长度小于所述第一下叶(22)的切向长度；

所述第二桨叶(3)包括位于所述圆盘(1)相对两面的第二上叶(31)和第二下叶(32)，所述第二上叶(31)的切向长度大于所述第二下叶(32)的切向长度。

3.根据权利要求2所述的错位式涡轮搅拌桨，其特征在于，所述第一上叶(21)和所述第二下叶(32)的形状和大小相同，所述第一下叶(22)和所述第二上叶(31)的形状和大小相同。

4.根据权利要求2所述的错位式涡轮搅拌桨，其特征在于，所述第一上叶(21)的第一径向内缘(211)、所述第一上叶(21)的第一径向外缘(212)、所述第一下叶(22)的第二径向内缘(221)和所述第一下叶(22)的第二径向外缘(222)均为圆弧形，并与所述圆盘(1)同心。

5.根据权利要求4所述的错位式涡轮搅拌桨，其特征在于，所述第一径向内缘(211)的弧心角小于所述第二径向内缘(221)的弧心角，所述第一径向外缘(212)的弧心角小于所述第二径向外缘(222)的弧心角。

6.根据权利要求2所述的错位式涡轮搅拌桨，其特征在于，所述第二上叶(31)的第三径向内缘(311)、所述第二上叶(31)的第三径向外缘(312)、所述第二下叶(32)的第四径向内缘(321)和所述第二下叶(32)的第四径向外缘(322)均为圆弧形，并与所述圆盘(1)同心。

7.根据权利要求6所述的错位式涡轮搅拌桨，其特征在于，所述第三径向内缘(311)的弧心角大于所述第四径向内缘(321)的弧心角，所述第三径向外缘(312)的弧心角大于所述第四径向外缘(322)的弧心角。

8.根据权利要求2所述的错位式涡轮搅拌桨，其特征在于，所述第一上叶(21)的轴向高度与搅拌桨直径之比以及所述第二下叶(32)的轴向高度与所述搅拌桨的直径之比范围为0.1-0.3。

9.根据权利要求2所述的错位式涡轮搅拌桨，其特征在于，所述第一下叶(22)的轴向高度与所述搅拌桨的直径之比以及所述第二上叶(31)的轴向高度与所述搅拌桨的直径之比范围为0.15-0.4。

10.根据权利要求1-9任一项所述的错位式涡轮搅拌桨，其特征在于，所述第一桨叶(2)的迎液面径向内缘线和所述第二桨叶(3)的迎液面径向内缘线为圆弧线、半椭圆线或抛物线。