CS255161B1

CS255161B1 - Mixing device for liquids and mulri-phase liquid systems with lowered shearing stress in mixed liquid

Info

Publication number: CS255161B1
Application number: CS861674A
Authority: CS
Inventors: Jan Kvasnicka; Konstantin Hruban; Milan Sramek
Original assignee: Jan Kvasnicka; Konstantin Hruban; Milan Sramek
Priority date: 1986-03-12
Filing date: 1986-03-12
Publication date: 1988-02-15
Also published as: CS167486A1

Abstract

Zařízení sestává z nádoby opatřené ve spodní části axiálním michadlem se šikmými lopatkami, upevněném na svisle uloženém hřídeli, a v horní části popřípadě usměrňovaoím válcem a svislými narážkami. Je charakterizováno tím, že vnější okraj šikmých lopatek axiálního mí-, chadla je pevně spojen se souosým dutým válcem, nesoucím v horní části na vnější straně šikmé lopatky opačného sklonu než sklon šikmých lopatek axiálního míchadla. Šikmé lopatky axiálního míchadla mohou mít s výhodou proměnlivý úhel sklonu a rovněž šikmé lopatky dutého válce mohou být s dutým válcem spojeny přestavitelně, takže je možno docílit alternativně jednookruhového cirkulačního proudění kapaliny či suspenze středem nádoby k jejímu dnu a podél stěn nádoby směrem k hladině kapalné vsádky anebo naopak. Z hlediska proudění kapaliny michadlem je výhodné řešit lopatky míchadla ve tvaru souvislé či přerušované šroubovicové nebo- jí podobné plochy.The device consists of a container provided at the bottom the axial stirrer with inclined blades mounted on a vertically mounted shaft, and optionally in the upper part by a deflecting roller and vertical cues. It is characterized by that the outer edge of the inclined blades of the axial the handle is firmly connected to the concentric hollow cylinder bearing the upper side oblique blades of opposite inclination than the inclination of bevel blades axial stirrer. Inclined axial blades the agitators may preferably be variable the inclination angle as well as the slanted hollow blades the rollers can be connected to the hollow cylinder in an adjustable manner, so it is possible to achieve alternatively single-circuit circulating fluid flow or a suspension through the center of the container to its bottom and along container walls towards the surface of the liquid charge or vice versa. In terms of fluid flow it is advantageous to solve the stirrer blades in the stirrer continuous or intermittent helical or similar areas.

Description

Vynález se týká zařízení pro míchání kapalin a víoefázových kapalných soustav se sníženým smykovým napětím v míchané kapalině. Zařízení je vhodné zejména k míchání disperzních nátěrových hmot a pro použiti v krystalizačníoh zařízeních, popřípadě v průmyslu biotechnologických výrob k míchání kapalných vsádek s mikroorganismy, kdy smyková napětí v proudící kapalině a silové účinky michadel působí nepříznivě na stav mikrobiální hmoty. Může však být použito všude tam, kde se požaduje šetrné homogenizační míchání nebo šetrný vznos partikulární fáze v kapalině, popřípadě obojí.The invention relates to an apparatus for mixing liquids and multi-phase liquid systems with reduced shear stress in a stirred liquid. The device is particularly suitable for mixing dispersion paints and for use in crystallization plants or in the biotechnology industry for mixing liquid batches with microorganisms, where shear stresses in the flowing liquid and force effects of agitators have an adverse effect on the state of the microbial mass. However, it can be used wherever gentle homogenization mixing or gentle floating of the particulate phase in the liquid is required, or both.

Známá míchací zařízení sestávají obvykle ze stojaté válcové nádoby s rychloběžným rotačním míchadlem, které má několik šikmých lopatek k vytváření axiálního pohybu a jednocirkulačního proudění kapaliny. Jiná míchací zařízení obsahují tzv. radiální míchadla se svislými lopatkami a s dělicím kotoučem k vytvářeni radiálního pohybu a dvouokruhového cirkulačního proudění kapaliny. . ·The known mixing devices usually consist of a upright cylindrical vessel with a high-speed rotary stirrer, which has a plurality of oblique blades for generating axial movement and a single-circulation fluid flow. Other agitators include so-called radial agitators with vertical blades and with a separating disk to generate radial movement and dual-circuit fluid circulation. . ·

Jsou známa rovněž míchadla, u nichž je k vnějšímu okraji šikmé lopatky axiálního míchadla připevněna šikmá lopatka se sklonem, který způsobuje opačný směr toku míchané kapaliny než tok vyvolaný pohybem vnitřní části axiálního míchadla. Opět jiná míchací zařízení obsahují více michadel se šikmými lopatkami umístěnými nad sebou, popřípadě míchadla šroubovicová, pásová či kotvová.Agitators are also known in which an inclined vane is attached to the outer edge of the inclined blade of the axial agitator, with an inclination which causes the direction of flow of the mixed liquid to be opposite to the flow caused by the movement of the inner part of the axial agitator. Again, the other mixing devices comprise a plurality of mixers with oblique blades placed one above the other, or helical, belt or anchor stirrers.

Rychloběžná axiální míchadla se šikmými lopatkami, vyvozující axiální jednookruhové proudění, jsou vhodná zejména pro homogenizační míchání nebo vznos suspenzí při vysoké intenzitě turbulence, kdy jsou v kapalině výhodná vysoká smyková napětí. Radiální míchadla nejsou pro homogenizaci a vznos vhodná. Při použití speciálních michadel s dvojím sklonem lopatek dochází pak v oblasti míchadla v míchané kapalině k dispergačním účinkům, které jsou způsobeny zvýšeným smykovým napětím v míchané kapalině. Míchací zařízení s více michadly, případně zařízení s michadly šroubovicovými, pásovými či kotvovými jsou vesměs výrobně i provozně nákladná, zejména pro nízké provozní frekvence otáček a tím i velké kroutící momenty pohonů.High-speed axial agitators with oblique blades, producing an axial single-circuit flow, are particularly suitable for homogenizing mixing or suspension suspension at high intensity of turbulence, where high shear stresses in the liquid are advantageous. Radial agitators are not suitable for homogenization and drift. When using special agitators with a double pitch of the blades, dispersing effects occur in the area of the agitator in the agitated liquid due to the increased shear stress in the agitated liquid. Mixing devices with multiple agitators or devices with helical, belt or anchor agitators are generally expensive to manufacture and operate, especially for low operating speeds and thus high torques for drives.

Nevýhody dosud užívaných míchacích zařízení jsou odstraněny u zařízení pro míchání kapalin a vícefáďových kapalných soustav podle vynálezu, které sestává z nádoby opatřené ve spodní části axiálním míchadlem se šikmými lopatkami, upevněným na svisle uloženém hřídeli, a v horní části popřípadě usměrňovacim válcem a svislými narážkami, a jehož podstata spočívá v tom, že vnější okraj šikmých lopatek axiálního míchadla je pevně spojen se souosým dutým válcem, opatřeným v horní části, na vnější straně šikmými lopatkami opačného sklonu než je sklon šikmých lopatek axiálního míchadla.The disadvantages of the mixing devices used hitherto are eliminated in the apparatus for mixing liquids and multi-phase liquid systems according to the invention, which consists of a container provided in the lower part with an axial stirrer with oblique blades mounted on a vertically mounted shaft and and characterized in that the outer edge of the inclined blades of the axial agitator is rigidly connected to the coaxial hollow cylinder provided in the upper part on the outside with the inclined blades of opposite inclination than the inclination of the inclined blades of the axial agitator.

Spojením šikmých lopatek axiálního míchadla s dutým válcem, jehož osa je shodná s osou rotace a který v horní části nese šikmé lopatky opačného sklonu, se vytvoří axiální míchadlo relativně velkého průměru vzhledem k průměru nádoby, jehož prostřednictvím se docílí příznivého usměrněni toku míchané kapalné vsádky. Rozdělením energie disipované míchadlem do míchané kapaliny na šikmé lopatky axiálního míchadla a šikmé lopatky dutého válce se sníží na polovinu měrná hodnota lokální disipační energie a tím i lokální smyková napětí v míchané kapalině.By connecting the inclined blades of the axial agitator to the hollow cylinder, the axis of which coincides with the axis of rotation and which carries oblique blades of opposite inclination at the top, an axial agitator of relatively large diameter is formed relative to the vessel diameter. By dividing the energy dissipated by the stirrer into the stirred liquid into the inclined blades of the axial stirrer and the inclined blades of the hollow cylinder, the specific value of the local dissipation energy and hence the local shear stresses in the mixed liquid is halved.

Míchací zařízení v provedení podle vynálezu umožní tedy splnit požadavky na hydrodynamicky příznivé proudění míchané kapaliny s minimálními rychlostními a směrovými změnami toku v zájmu maximálního snížení turbulentních fluktuaci rychlostí kapaliny a tím i smykových rychlostí a smykových napětí v míchané kapalině.Thus, the mixing device according to the invention makes it possible to meet the requirements for a hydrodynamically favorable flow of mixed liquid with minimum velocity and directional flow changes in order to minimize turbulent fluctuations of the liquid velocity and hence shear rates and shear stresses in the stirred liquid.

Přestavením úhlu sklonu lopatek nebo vhodnou volbou jejich počtu je přitom možno nastavit optimální provozní podmínky míchadla, kdy průtok kapaliny oblastí vnitřních šikmých lopatek bude shodný s průtokem kapaliny oblastí šikmých lopatek na dutém válci. Volbou počtu lopatek míchadla lze výrazně ovlivnit jeho rychloběžnost. Míchadlo s vyšším počtem lopatek bude rotovat s nižší frekvenci otáček a naopak.By adjusting the angle of inclination of the blades or by appropriately selecting the number of blades, it is possible to set the optimum operating conditions of the agitator, whereby the liquid flow rate through the inner blades region coincides with the liquid flow rate through the blades region on the hollow cylinder. By selecting the number of stirrer blades, it is possible to significantly influence its speed. A stirrer with a higher number of blades will rotate at a lower speed and vice versa.

Z hlediska proudění kapaliny míchadlem je výhodné řešit lopatky míchadla ve tvaru šroubovicové nebo ji podobné plochy, s konstantním stoupáním šroubovice. Důsledkem tohoto uspořádání je, že v rychlostním profilu proudící kapaliny se sníží hodnoty rychlostních gradientů, což je pro míchání, kde se požadují nízká smyková napětí, výhodou. Z hlediska výrobní technologie je pak ekonomicky výhodné provedení lopatek z obdélníkových pásů, V provozní praxi se volí provedení lopatek podle významu dosahovaných Účinků míchání na příslušný proces a se zřetelem na výrobní náročnost zařízení.From the point of view of the flow of liquid through the stirrer, it is advantageous to design the stirrer blades in the form of a helical or similar surface, with a constant helix pitch. As a result of this arrangement, velocity gradient values are reduced in the flow profile of the flowing liquid, which is an advantage for mixing where low shear stresses are desired. From the point of view of production technology, it is economically advantageous to design the blades from rectangular bands.

Příkladné provedení míchacího zařízení podle vynálezu je dále blíže osvětleno na připojeném výkrese, kde obr. 1 představuje svislý řez částí míchacího zařízení a obr. 2 odpovídající půdorysný pohled na zařízení podle obr. 1 v rovině A-A.An exemplary embodiment of the mixing device according to the invention is further illustrated in the accompanying drawing, in which Fig. 1 is a vertical section of a part of the agitator and Fig. 2 a corresponding plan view of the device according to Fig. 1 in plane A-A.

Míchací zařízení znázorněné na obr. 1 a 2 tvoří nádoba 2. do níž zasahuje svisle uložený hřídel 2, procházející dnem nádoby 2· Hřídel 2 íe spojen s neznázorněnou pohonnou jednotkou. Součástí nádoby 2 3^e dále těleso ložisek 3_, ucpávky nebo magnetické spojky, narážky 4_ a usměrňovači válec 10. Na hřídeli 2 3® upevněno míchadlo 5, které tvoří šikmé lopatky 6, spojené bezprostředně s nábojem míchadla, a dále dutý válec 2 ^se Šikmými lopatkami 9. Ve znázorněném provedení počet lopatek 6 axiálního míchadla je shodný s počtem lopatek 9_ dutého válce 2, přičemž osy obou typů lopatek leží ve stejné svislé rovině. Toto provedení není však možno považovat obecně za nejvýhodnější. V mnoha případech se naopak bude volit jiný počet lopatek na dutém válci než počet lopatek na vnitřním axiálním míchadle. Rovněž umístění šikmých lopatek 9 dutého válce 2 v podélné ose lopatek 2 axiálního míchadla nepřináší žádné zvláštní výhody.The mixing device shown in FIGS. 1 and 2 forms a container 2 into which a vertically mounted shaft 2 extends through the bottom of the container 2. The shaft 2 is connected to a drive unit (not shown). Part 2 of the container ³ and also the bearing housing 3, seals or magnetic coupling, references 4 and the deflecting roller 10. On the fixed shaft 2 3® agitator 5 which forms the inclined blades 6 connected directly to the hub stirrer and a hollow cylinder 2 ^with sloping In the embodiment shown, the number of blades 6 of the axial agitator is equal to the number of blades 9 of the hollow cylinder 2, wherein the axes of the two types of blades lie in the same vertical plane. However, this embodiment is not generally considered the most advantageous. In many cases, on the other hand, a different number of blades on the hollow cylinder will be chosen than the number of blades on the inner axial agitator. Also, placing the oblique blades 9 of the hollow cylinder 2 in the longitudinal axis of the blades 2 of the axial agitator does not bring any particular advantages.

Při rotaci míchadla během provozu míchacího zařízení vytvářejí šikmé lopatky 2 axiální tok kapaliny ve směru ke dnu nádoby 2. zatímco šikmé lopatky 9, umístěné na horním konci dutého válce 2» vyvolávají naopak axiální tok kapaliny ode dna nádoby 2 podél jejich stěn směrem k hladině kapalné vsádky. Tím se vytváří jednookruhové cirkulační proudění kapaliny, které je výhodné pro vznos suspenze a při němž se brání usazování tuhé fáze u dna. Pro některé případy míchání zejména heterogenních kapalin bude však účelné volit opačný směr proudění. Sklon lopatek míchadla vzhledem ke směru rotace míchadla je v tomto případě orientován naopak a výsledný cirkulační okruh má směr v ose nádoby k hladině a u stěn nádoby ke dnu.During rotation of the agitator during operation of the agitator, the inclined vanes 2 create an axial flow of liquid towards the bottom of the container 2. whereas the inclined vanes 9 located at the upper end of the hollow cylinder 2 inserts. This creates a single-circuit circulating liquid flow, which is advantageous for suspension suspension and prevents solid phase settling at the bottom. However, for some cases of mixing particularly heterogeneous liquids, it will be expedient to choose the opposite flow direction. In this case, the inclination of the stirrer blades relative to the direction of rotation of the stirrer is oriented in the opposite direction, and the resulting circulation circuit has a direction in the vessel axis to the surface and at the vessel walls to the bottom.

Jsou ovšem možné i další alternativy v provedení míchacího zařízení: nemusí být použity svislé narážky a popřípadě ani usměrňovači válec, těleso ložisek nemusí zasahovat do prostoru nádoby, hřídel míchadla může být do nádoby zaveden shora, atp. Míchací zařízení v provedení podle vynálezu je nicméně zejména výhodné pro použití bezucpávkových pohonů míchadel s magnetickou spojkou a pro konstrukční řešení spodních pohonů míchadel, kdy se snižuje stavební výška pohonu umístěním ucpávky a ložiska hřídele míchadla rovněž do prostoru míchané kapaliny. Konstrukčně a výrobně je míchadlo podle vynálezu jednoduché a nenáročné. Vyložení hřídele pro uchycení míchadla je krátké. Při vhodném dimenzování míchadla má kroutící moment nízkou hodnotu. Míchadlo míchá při nízkých obvodových rychlostech míchadla.However, other alternatives in the design of the mixing device are possible: no vertical stops and possibly a deflection cylinder need not be used, the bearing body does not have to extend into the vessel space, the agitator shaft can be introduced into the vessel from above, etc. However, the mixing device according to the invention is particularly advantageous for the use of seal-less agitator drives with a magnetic clutch and for the design of the lower agitator agitators, where the drive height of the drive is reduced by placing the gland and agitator shaft bearing into the agitated liquid space. The design and manufacture of the stirrer according to the invention is simple and undemanding. The agitator shaft shaft lining is short. If the mixer is sized appropriately, the torque is low. The stirrer stirs at low peripheral speeds of the stirrer.

Claims

1. Apparatus for the mixing of liquids and multiphase liquid systems with reduced shear stress in a mixed liquid, comprising a container provided at the bottom with an axial stirrer with oblique blades mounted on a vertically mounted shaft and at the top optionally with a deflection roller and vertical stops, The outer edge of the inclined blades (6) of the axial agitator is rigidly connected to the coaxial hollow cylinder (8) provided at the upper side with the inclined blades (9) of opposite inclination to the inclination of the inclined blades (6) of the axial agitator.

Device according to claim 1, characterized in that the inclined blades (6) of the axial agitator have a variable inclination angle.

AND

255161 4

Device according to Claims 1 and 2, characterized in that the inclined blades (9) of the hollow cylinder (8) are connected to the hollow cylinder (8) in an adjustable manner.

Device according to Claims 1 to 3, characterized in that the inclined blades (6) of the axial agitator and / or the inclined blades (9) of the hollow cylinder (8) are in the form of a continuous or intermittent helical or similar surface.