PL242743B1

PL242743B1 - Mixer

Info

Publication number: PL242743B1
Application number: PL430310A
Authority: PL
Inventors: Rafał Rakoczy; Marian Kordas; Maciej Konopacki; Daniel Musik; Małgorzata Sekuła-Wybańska
Original assignee: Univ West Pomeranian Szczecin Tech
Priority date: 2019-06-24
Filing date: 2019-06-24
Publication date: 2023-04-17
Also published as: PL430310A1

Abstract

Mieszalnik zawierający zbiornik, przegrody oraz mieszadło obrotowe mechaniczne składające się z wału z osadzoną na nim piastą z łopatkami, charakteryzuje się tym, że mieszadło ma co najmniej dwa elementarne moduły mieszające, z których każdy składa się z łopatki górnej (3), równoległej do niej łopatki dolnej (4), pomiędzy którymi znajdują się skręcone elementy mieszające (5) w kształcie czworokąta, trwale przymocowane do łopatki górnej (3) i łopatki dolnej (4) w co najmniej dwóch punktach, przy czym łopatka górna (3) i łopatka dolna (4) mają kształt pięciokąta rozszerzającego się w kierunku piasty (2) i są trwale przymocowane do piasty (2). Elementarne moduły mieszające są obrócone w prostopadłej osi do wału (1) o kąt wynoszący od 0 - 45°. Oś skrętu elementów mieszających (5) jest równoległa do płaszczyzny łopatek górnej (3) i dolnej (4). Elementarne moduły mieszające są rozmieszczone co 180°, 120° lub co 90°.A mixer containing a tank, partitions and a mechanical rotary stirrer consisting of a shaft with a hub with blades mounted on it, characterized in that the stirrer has at least two elementary mixing modules, each of which consists of an upper blade (3), parallel to it lower blade (4), between which there are twisted mixing elements (5) in the shape of a quadrangle, permanently attached to the upper blade (3) and the lower blade (4) in at least two points, the upper blade (3) and the lower blade (4) have the shape of a pentagon widening towards the hub (2) and are permanently attached to the hub (2). Elementary mixing modules are rotated perpendicularly to the shaft (1) by an angle of 0 - 45°. The axis of rotation of the mixing elements (5) is parallel to the plane of the upper (3) and lower (4) blades. Elementary mixing modules are arranged every 180°, 120° or every 90°.

Description

Przedmiotem wynalazku jest mieszalnik wyposażony w mechaniczne mieszadło obrotowe stosowane zwłaszcza w reaktorach chemicznych.The subject of the invention is a mixer equipped with a mechanical rotary stirrer used especially in chemical reactors.

Mieszanie jest podstawowym procesem technologicznym, którego celem jest intensyfikacja procesów transportu masy, pędu i energii. W praktyce najczęściej stosowanym rozwiązaniem do realizacji procesu mieszania są mechaniczne mieszadła obrotowe. Odpowiedni dobór mieszadła względem mieszanego płynu lub układu wielofazowego związany jest z lepkością mieszanego medium. Poprawna konstrukcja mieszalnika i odpowiedni dobór mieszadła pozwala na uzyskanie: wysokiej jakości produktu, odpowiedniego stopnia burzliwości, odpowiedniego poziomu homogenizacji stężeniowej i temperaturowej oraz skróceniu czasu mieszania.Mixing is a basic technological process, the purpose of which is to intensify the mass, momentum and energy transport processes. In practice, the most commonly used solution for the implementation of the mixing process are mechanical rotary agitators. The appropriate selection of the mixer for the mixed fluid or multiphase system is related to the viscosity of the mixed medium. The correct design of the mixer and the appropriate selection of the mixer allow to obtain: high quality product, appropriate degree of turbulence, appropriate level of concentration and temperature homogenization, and shortening the mixing time.

W przypadku mieszania płynów w mieszalnikach zbiornikowych, realizowanego z zastosowaniem mieszadeł obrotowych, zadawalająca burzliwość w mieszanym płynie występuje zwykle w ograniczonej objętości aparatu. W przypadku stosowania mieszadeł obrotowych zwiększenie objętości intensywnego mieszania płynu realizowane jest zwykle poprzez zwiększenie częstości obrotów mieszadła lub montaż kilku mieszadeł na jednym wale. Wzrost obrotów mieszadła lub stosowanie kilku mieszadeł w jednym mieszalniku zazwyczaj generuje wzrost energochłonności procesu, co przekłada się na opłacalność prowadzonego procesu.In the case of fluid mixing in tank mixers using rotary agitators, satisfactory turbulence in the mixed fluid usually occurs within a limited volume of the apparatus. In the case of rotary agitators, increasing the volume of intensive mixing of the fluid is usually achieved by increasing the rotation frequency of the agitator or by mounting several agitators on one shaft. An increase in the rotation of the stirrer or the use of several stirrers in one mixer usually generates an increase in the energy consumption of the process, which translates into the profitability of the process.

Znany z opisu patentowego DE19503132 układ mieszający składa się z mieszadła pompującego osiowo płyn od powierzchni swobodnej zbiornika przez przewód rurowy w kierunku jego dna. Znany jest z opisu zgłoszenia patentowego SU1607918A1 mieszalnik wyposażony w mieszadło obrotowe składające się z wału, łopatek i stożka zastępującego płaską tarczę, jaka występuje w mieszadle turbinowym. Oryginalność rozwiązania polega na tym, że stożek zastępujący tarczę pozwala wytworzyć pętle cyrkulacyjne w mieszalniku od powierzchni swobodnej do dna i odwrotnie.Known from the patent description DE19503132, the mixing system consists of a stirrer pumping the fluid axially from the free surface of the tank through a pipe towards its bottom. Known from the description of the patent application SU1607918A1 is a mixer equipped with a rotary agitator consisting of a shaft, blades and a cone replacing the flat disc found in a turbine agitator. The originality of the solution lies in the fact that the cone replacing the disc allows to create circulation loops in the mixer from the free surface to the bottom and vice versa.

Znany z opisu wzoru użytkowego DE20214291U1 mieszalnik ma mieszadło, które składa się z wału, łącznika, oraz elementów mieszających w formie ściętych stożków. Ścięte wydrążone stożki połączone są z wałem łącznikiem w formie pręta. Zasada działania polega na tym, że obracający się wokół wału wydrążony ścięty stożek (od wewnątrz zbiera swoją podstawą ciecz, która następnie w miarę przepływu ku wierzchołkowi jest przyspieszana. Z kolei na zewnątrz walca opływająca ciecz spowalnia. Znany z opisu wzoru użytkowego DE20216809U1 mieszalnik wyposażony jest w mieszadło które jest zbliżone budową do mieszadła DE20214291U1 przy czym, zamiast stożków zamontowano na łącznikach proste lub wygięte odcinki rur.Known from the description of the utility model DE20214291U1, the mixer has a stirrer that consists of a shaft, a connector, and mixing elements in the form of truncated cones. The truncated hollow cones are connected to the shaft with a rod-shaped connector. The principle of operation is that the hollow truncated cone rotating around the shaft (from the inside collects the liquid with its base, which is then accelerated as it flows towards the top. On the other hand, the liquid flowing around the cylinder slows down. The mixer known from the description of the utility model DE20216809U1 is equipped with a stirrer which is similar in construction to the DE20214291U1 stirrer, with straight or bent pipe sections mounted on the connectors instead of cones.

Znane z opisu patentowego SI9400040A mieszadło do płynów przypomina budową mieszadło DE20216809U1 z tym, że rurowe elementy mieszające zamocowane są bezpośrednio do wału mieszadła.The stirrer for liquids, known from the patent description SI9400040A, resembles the structure of the DE20216809U1 stirrer, except that the tubular mixing elements are attached directly to the stirrer shaft.

Znane w technice konstrukcje mieszadeł, które stosowane są w mieszalnikach mechanicznych zostały przedstawione w powyższych przykładach charakteryzują się tym, że ciecz przepływa w zamkniętym profilu mieszadła, na przykład w formie rury, co uniemożliwia uzyskiwanie odpowiedniej burzliwości i stopnia homogenizacji w obrębie całego wsadu mieszalnika.The agitator designs known in the art, which are used in mechanical mixers, have been presented in the above examples, characterized in that the liquid flows in a closed agitator profile, for example in the form of a pipe, which makes it impossible to obtain the appropriate turbulence and degree of homogenization within the entire mixer batch.

Mieszalnik z mechanicznym mieszadłem obrotowym zawierający zbiornik, przegrody oraz mieszadło obrotowe mechaniczne składające się z wału z osadzoną na nim piastą z łopatkami, według wynalazku, charakteryzuje się tym, że mieszadło ma co najmniej dwa moduły mieszające, z których każdy składa się z łopatki górnej, równoległej do niej łopatki dolnej, pomiędzy którymi znajdują się skręcone elementy mieszające w kształcie czworokąta. Elementy mieszające są trwale przymocowane do łopatki górnej i łopatki dolnej co najmniej w dwóch punktach (wierzchołkach). Łopatka górna i łopatka dolna mają kształt pięciokąta, rozszerzającego się w kierunku piasty, aby zwiększyć powierzchnię łopatek przy obrotowym wale, a następnie przy samej piaście łopatki zwężają się, tak by można je było trwale przymocować do piasty. Zwiększenie powierzchni łopatek przy piaście i wale mieszadła korzystnie wpływa na pompowanie cieczy w kierunku osiowym.A mixer with a mechanical rotary agitator comprising a tank, partitions and a mechanical rotary agitator consisting of a shaft with a hub with blades mounted on it, according to the invention, characterized in that the mixer has at least two mixing modules, each of which consists of an upper blade, parallel to it, the lower blade, between which there are twisted mixing elements in the shape of a quadrangle. The mixing elements are permanently attached to the upper and lower blades at at least two points (tops). The upper and lower blades are pentagonal in shape, widening towards the hub to increase the surface area of the blades at the rotating shaft, and then taper at the hub itself so that they can be permanently attached to the hub. Increasing the surface of the blades at the hub and the agitator shaft has a positive effect on pumping the liquid in the axial direction.

Kąt pochylenia modułu w osi prostopadłej do osi piasty wynosi od 0-45°.The inclination angle of the module in the axis perpendicular to the axis of the hub ranges from 0-45°.

Oś skrętu elementów mieszających jest równoległa do płaszczyzny łopatek górnej i dolnej. Moduły mieszające są rozmieszczone co 180°, 120° lub co 90°.The axis of rotation of the mixing elements is parallel to the plane of the upper and lower blades. Mixing modules are arranged every 180°, 120° or every 90°.

Zaletą mieszalnika jest to, że konstrukcja mieszadła pozwala uniknąć powstawania w przestrzeni mieszalnika niekorzystnych stref zastoju oraz na jednoczesne wytworzenie wielu zderzających się strug w mieszanym wsadzie przy zachowaniu cyrkulacji cieczy w całej objętości wsadu. Dzięki zastosowaniu skręconych elementów mieszających, uzyskuje się podział głównego strumienia przepływającego płynu w obrębie mieszadła na oddzielne podstrumienie, których połączenie powoduje zmianę kierunku przepływu oraz wymieszanie płynu. Pozwala to na uniknięcie powstawania w mieszanym medium tzw. „stref zastoju”. Poprzez pochylenie modułów zwiększona jest cyrkulacja osiowa mieszanego medium. Zwiększenie powierzchni łopatek przy piaście i wale mieszadła korzystnie wpływa na pompowanie cieczy w kierunku osiowym. Skręcone elementy mieszające łączą i usztywniają łopatkę górną i dolna.The advantage of the mixer is that the construction of the mixer allows avoiding the formation of unfavorable stagnation zones in the mixer space and the simultaneous generation of many colliding streams in the mixed charge while maintaining liquid circulation in the entire volume of the charge. Thanks to the use of twisted mixing elements, the main stream of the flowing fluid within the mixer area is divided into separate sub-streams, the connection of which causes a change in the flow direction and mixing of the fluid. This avoids the formation of so-called "stagnation zones". By tilting the modules, the axial circulation of the mixed medium is increased. Increasing the surface of the blades at the hub and the agitator shaft has a positive effect on pumping the liquid in the axial direction. Twisted mixing elements connect and stiffen the upper and lower paddles.

Mieszalnik według wynalazku przedstawiony jest w przykładach wykonania i na rysunku, gdzie Fig. 1 przedstawia mieszalnik z mieszadłem z dwoma elementarnymi modułami mieszającymi, fig. 2 przedstawia mieszadło z dwoma elementarnymi modułami mieszającymi w widoku od przodu, fig. 3 przedstawia mieszadło z fig. 2 w widoku z boku, fig. 4 przedstawia w widoku mieszalnik z mieszadłem z czterema elementarnymi modułami mieszającymi w widoku od przodu, fig. 5 przedstawia mieszadło z dwoma elementarnymi modułami mieszającymi i zaznaczonym przepływem cieczy wywołanym przez obracające się mieszadło w przekroju osiowym, fig. 6 przedstawia mieszadło zbudowane z dwóch elementarnych modułów mieszających w widoku od góry, fig. 7 przedstawia mieszadło z dwoma elementarnymi modułami mieszającymi i zaznaczonym przepływem cieczy wywołanym przez obracające się mieszadło w przekroju poprzecznym.The mixer according to the invention is shown in examples and in the drawing, where Fig. 1 shows a mixer with a stirrer with two elementary mixing modules, Fig. 2 shows a mixer with two elementary mixing modules in a front view, Fig. 3 shows a mixer from Fig. 2 side view, fig. 4 shows a front view of a stirrer mixer with four elementary mixing modules, fig. shows a mixer made of two elementary mixing modules in a top view, Fig. 7 shows a mixer with two elementary mixing modules and marked liquid flow caused by a rotating mixer in cross section.

Przykład IExample I

Mieszalnik zawiera zbiornik 6, przegrody 7 oraz mieszadło obrotowe mechaniczne. Mieszadło obrotowe ma wał 1, na który nałożona jest piasta 2 z trwale do niej przymocowanymi dwoma elementarnymi modułami mieszającymi rozmieszczonymi, co 180°. Każdy elementarny moduł mieszadła składa się z łopatki górnej 3, łopatki dolnej 4, pomiędzy którymi znajdują się skręcone elementy mieszające 5 w kształcie czworokąta, trwale przymocowane do łopatki górnej 3 i łopatki dolnej 4 w co najmniej dwóch punktach - dwóch wierzchołkach. Łopatki górna 3 i dolna 4 są trwale jednostronnie przymocowane do piasty 2 i mają kształt pięciokąta rozszerzającego się w kierunku piasty 2, aby zwiększyć powierzchnię łopatek przy obrotowym wale 1, co korzystnie wpływa na pompowanie cieczy w kierunku osiowym. Łopatki 3 i 4 przy samej piaście zwężają się tak, aby bok pięciokąta, który jest trwale przymocowany do piasty 2 miał wymiar umożliwiający przymocowanie ich do piasty 2. Elementarne moduły mieszające są obrócone w prostopadłej osi do wału 1 o kąt 30°, przy czym elementarne moduły mieszające są symetryczne względem osi wału. Oś skrętu elementów mieszających 5 jest równoległa do płaszczyzny łopatek 3 i 4. Wał 1 wprawia w ruch obrotowy piastę 2 z przymocowanymi do niej elementarnymi modułami mieszającymi. Obrotowy układ łopatek górnej 3 i dolnej 4 i skręconych elementów mieszających 5 współpracuje ze sobą tworząc korzystny rozkład zawirowań i cyrkulacji płynu. Głównym zadaniem łopatek górnej 3 i dolnej 4 jest wywołanie cyrkulacji osiowej wmieszanym wsadzie mieszalnika. Natomiast zadaniem skręconych elementów mieszających 5 jest wytworzenie strug promieniowych, które są następnie rozbijane przez łopatki 3 i 4. Obrót wału 1 z elementarnymi modułami mieszającymi powoduje jednoczesne wytworzenie osiowej cyrkulacji płynu, za co odpowiadają łopatki 3 i 4 oraz przepływu promieniowego wywołanego przez skręcone elementy mieszające 5 wywołując intensywne mieszanie, jak pokazano na fig. 5 i fig. 7.The mixer comprises a tank 6, baffles 7 and a mechanical rotary stirrer. The rotary mixer has a shaft 1 on which a hub 2 is placed, with two elementary mixing modules arranged 180° permanently attached to it. Each elementary stirrer module consists of an upper blade 3, a lower blade 4, between which there are twisted mixing elements 5 in the shape of a quadrangle, permanently attached to the upper blade 3 and the lower blade 4 in at least two points - two vertices. The upper 3 and lower 4 blades are permanently attached to the hub 2 on one side and have the shape of a pentagon widening towards the hub 2 to increase the surface area of the blades at the rotating shaft 1, which favorably affects the pumping of liquid in the axial direction. The blades 3 and 4 at the hub itself are tapered so that the side of the pentagon, which is permanently attached to the hub 2, has a dimension that allows them to be attached to the hub 2. The elementary mixing modules are rotated perpendicularly to the shaft 1 by an angle of 30°, mixing modules are symmetrical about the axis of the shaft. The axis of rotation of the mixing elements 5 is parallel to the plane of the blades 3 and 4. The shaft 1 drives the hub 2 with the elementary mixing modules attached to it. The rotating arrangement of the upper 3 and lower 4 blades and twisted mixing elements 5 cooperate with each other to create a favorable distribution of turbulence and fluid circulation. The main task of the upper 3 and lower 4 blades is to induce axial circulation in the mixed charge of the mixer. The task of the twisted mixing elements 5 is to create radial streams, which are then broken up by the blades 3 and 4. The rotation of the shaft 1 with the elementary mixing modules causes the simultaneous creation of axial fluid circulation, which is the responsibility of the blades 3 and 4, and the radial flow caused by the twisted mixing elements 5 by inducing intense mixing, as shown in Fig. 5 and Fig. 7.

Przykład IIExample II

Mieszalnik jak w przykładzie I, z tym, że ma cztery elementarne moduły mieszające, przy czym dwa dodatkowe moduły usytuowane są nad dwoma pierwszymi elementarnymi modułami mieszającymi w jednej płaszczyźnie.Mixer as in example 1, except that it has four elementary mixing modules, with two additional modules located above the first two elementary mixing modules in one plane.

Przykład IIIExample III

Mieszalnik jak w przykładzie II, z tym, że dwa dodatkowe moduły usytuowane są nad dwoma pierwszymi elementarnymi modułami mieszającymi i są obrócone o kąt 90° w osi wału mieszadła.Mixer as in example 2, except that two additional modules are located above the first two elementary mixing modules and are rotated by 90° in the axis of the stirrer shaft.

Claims

1. A mixer with a mechanical rotary agitator comprising a tank, baffles and a mechanical rotary agitator consisting of a shaft with a hub with blades mounted on it, characterized in that the agitator has at least two elementary mixing modules, each of which consists of an upper blade (3 ), the lower blade (4) parallel to it, between which there are twisted mixing elements (5) in the shape of a quadrangle, permanently attached to the upper blade (3) and the lower blade (4) in at least two points, the upper blade ( 3) and the lower vane (4) have the shape of a pentagon widening towards the hub (2) and are permanently attached to the hub (2).

2. A mixer according to claim 1, characterized in that the elementary mixing modules are rotated in the axis perpendicular to the shaft (1) by an angle of 0-45°.

3. A mixer according to claim 1, characterized in that the axis of rotation of the mixing elements (5) is parallel to the plane of the upper (3) and lower (4) blades.

4. A mixer according to claim 1, characterized in that the elementary mixing modules are arranged every 180°.

5. A mixer according to claim 1, characterized in that the elementary mixing modules are spaced every 120°.

6. A mixer according to claim 1, characterized in that the elementary mixing modules are spaced every 90°.