一种气液分散搅拌装置的制作方法

本发明涉及一种气液分散搅拌装置，属于流体混合技术领域。

背景技术：

气液分散广泛应用于通风发酵、生物曝气、气液反应和气液固反应等过程中。工程师们总是期望设计出一种既能将气体充分分散于液体中，又能节省功耗的搅拌器装置，而这种想法随着Rushton的设计而得以实现。

20世纪50年代，伴随着青霉素的大规模生产，由美国人Rushton设计的平直叶圆盘涡轮桨(又称Rushton搅拌器)获得广泛应用。这种搅拌器由一个轮毂将圆盘与搅拌轴相连，圆盘周围均布数片与圆盘垂直的平面叶片。该搅拌器的特点是剪切作用强、气液分散效果好。

Rushton搅拌器因其制作简易、分散效果好而广受欢迎。随着20世纪70年代Smith和Van’t提出“气穴理论”并设计出半圆管形叶片后，径向流涡轮搅拌器就朝着更深陷的凹面叶片发展。与此同时的有美国Chemineer公司的CD-6型桨。

至1998年，Bakker等设计出了非对称抛物线形桨(简称BT-6)并申请了专利。该叶片所采用抛物线在顶点附近的曲率半径更小，使叶片背后的“气穴”显著减少，同时其上下不对称的结构也更有利于捕获气泡，使气泛现象更不易于发生，从而大大增强了气液分散性能，并在工业上得到了广泛的应用。

尽管BT-6桨较Rushton搅拌器有了很大的进步，但其整体混合性能及分散效率仍未达到人们的要求，为此有必要设计一种功耗更低、效率更高的搅拌器。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明开发了一种高效的、低能耗的气液分散搅拌装置，包括搅拌器(圆盘、轮毂、叶片)、搅拌轴和动力装置，所述的搅拌器具有较低的功率准数、较好的混合性能及持气传质性能，应用于气液分散体系或气液固分散体系中。发明人通过实验发现，维持凹面叶片的轴向截面积不变可以维持其排液量基本不变。在此基础上，本发明将叶片从径向内侧往外侧逐渐伸展的过程中压缩其轴向高度，可以使其功耗明显减小，从而大大增大其排液效率及气液分散效率。

本发明的搅拌装置可应用于反应器中气液分散和混合过程，该装置包含搅拌轴、圆盘、轮毂和若干个径向压缩伸展的叶片。它具有分散效率高、能耗低的特点，叶片背后的气穴更小，气体分散更充分，且泛点也比目前工业应用的搅拌器更高。

所述的搅拌装置采用了上下不对称的凹形搅拌叶片。其主要特点是，叶片上部分在水平面上的投影面积比下部分大，即叶片的上部分要比下部分的切向更宽，从而产生一块突出部分，有利于捕获上升的气泡；与以往桨搅拌器都不同的是，叶片径向内侧剖面线上部分比下部分宽的多，而径向外侧上部与下部的宽度差逐渐减小，最终相等或趋于相等(上部与下部的宽度比为1.1:1～1:1.1)。非常重要的一点是，在这种变化的过程中，叶片轴向剖面的开口高度即迎液面高度逐渐减小，而剖面面积不变，从而保证了搅拌器的排量不发生明显变化。

因为叶片径向外侧对于捕获气泡的要求较低，但力矩较大，导致其功耗较大。所以本发明将传统的径向等高延伸变为了高度逐渐减小的延伸，但保持了叶片轴向剖面面积的恒定，从而在不影响其排量的情况下减小了功耗。不影响排量从而保证了其持气、分散和混合的效果，从而增加了单位功耗的搅拌效率。

通过优化得到，该搅拌器包含有一个水平的圆盘并且围绕圆周等距安装了多个径向压缩伸展的叶片。每个叶片都包括不对称的上下两部分，这两部分在圆盘所在的平面连接。对叶片迎液面轴向剖切得到的轮廓线为抛物线，上下两部分的抛物线可以是同一抛物线方程确定的，也可以是由不同抛物线方程确定的。在靠近搅拌轴部分的叶片上下部分宽度差最大，迎液面轴向高度最高；在远离搅拌轴径向伸展的过程中，迎液面高度逐渐缩小，同时上下部分的切向宽度同时增加，下部分增加的幅度比上部分快，最终达到上下部分的宽度相等或趋于相等，构成了靠近搅拌轴部分迎液面高度高、上下部分宽度差大，远离搅拌轴部分迎液面高度低、上下部分宽度差小的叶片形状。

另外，通过优化得到，在叶片任一径向位置的轴向剖面的轮廓线中，下部某一点到圆盘中心所在平面的距离与下部对应点到圆盘中心所在平面的距离相等，从而保证了叶片上下伸展的统一，以使搅拌过程中的流场相对稳定。

本发明的搅拌装置，包括搅拌器、搅拌轴；其中搅拌器包括圆盘、轮毂、多个相对于搅拌轴径向伸展的叶片；所述叶片的迎液面轴向剖切得到的轮廓线称为剖面线，剖面线以圆盘所在水平面为界分为上下两部分；在叶片径向最内侧的剖面线的上部分的切向宽度比下部分的切向宽度大，在径向延伸过程中，剖面线上、下部分的切向宽度同时增加且下部比上部增加的幅度大，轴向高度逐渐缩小，同时剖面面积保持不变，叶片径向最外侧的剖面线的上、下部分的切向宽度相等或趋于相等(即上部与下部的宽度比为1.1:1～1:1.1)且轴向高度比内侧小。

在一种实施方式中，所述叶片的轴向剖面为V字形，V字形的内部轮廓线称为剖面线，其形状可以是抛物线、双曲线、椭圆弧线和圆弧线等，以抛物线为佳。

所述径向伸展的叶片安装在圆盘上，叶片的尾边固定于圆盘。

本发明中，搅拌轴所在方位成为轴向，靠近搅拌轴的区域称为叶片的径向内侧，远离搅拌轴的区域称为叶片径向外侧。切向宽度，是指在圆盘所在水平面上的投影的长度。

本发明中，剖面面积是指剖面线的两个端点连接成的直线与剖面线所围成的平面区域的面积。

在一种实施方式中，所述叶片的形状特征是径向内侧上部沿切向突出，但在径向外侧则为齐平，径向内侧迎液面高度大，径向外侧迎液面高度小。

在一种实施方式中，所述叶片在径向延伸过程中，其轴向剖面的面积维持不变。

在一种实施方式中，叶片轴向剖面线的上部分与下部分相交于水平面上一点，上部分和下部分成一定角度。叶片轴向剖面线上部分与下部分之间的夹角在径向往外延伸的过程中逐渐减小。

在一种实施方式中，所述叶片的轴向剖面的剖面线都分为上、下两部分，在不同径向位置处的剖面线都是不同的；叶片径向最内侧的剖面线的下部宽度与上部宽度之比为0.5～0.85；叶片径向最外侧的剖面线的上部与下部宽度相等。

在一种实施方式中，所述叶片径向最外侧的剖面线的轴向高度与叶片径向最内侧的剖面线的轴向高度之比为0.4～0.9。

在一种实施方式中，叶片具有一定厚度，其形状依据迎液面形状而定，是由迎液面向后增加一定的厚度得到的。

在一种实施方式中，所述叶片的数量为4～10个，均布于圆盘周围。

在一种实施方式中，所述圆盘的直径与搅拌器的直径比为0.5～0.8，搅拌器的直径是指两个距离最远的尾点之间的距离。

在一种实施方式中，叶片径向最内侧的剖面线的高度与搅拌器直径之比为0.1～0.35；搅拌器的直径是指两个距离最远的尾点之间的距离。

在一种实施方式中，叶片径向长度与搅拌器直径之比为0.15～0.4。

在一种实施方式中，所述剖面线的下部一点到圆盘所在水平面的距离d’与上部对应点到圆盘所在水平面的距离d都相等。

在一种实施方式中，所述搅拌装置还包括动力装置。

在一种实施方式中，所述的搅拌装置的搅拌轴用于连接搅拌叶轮(固定有叶片的圆盘)和动力装置，带动搅拌叶轮旋转以捕获上升的气泡并将其分散。搅拌叶轮通过轮毂加固与搅拌轴的连接。

在一种实施方式中，所述的搅拌叶轮可以是整体式的，可以是对开易拆式的。

在一种实施方式中，所述搅拌装置一般用不锈钢制造，也可用碳钢、高强度塑料等其他材料制造。

在一种实施方式中，所述搅拌器装可装配在反应器内的中心轴线上，也可以偏心安装。

在一种实施方式中，所述的搅拌器下方需安装气体分布器，气体分布器的通气方向可以是向上也可以是向下。

本发明还提供一种反应器，该反应器含有所述的搅拌装置。

在一种实施方式中，一个搅拌轴上可连接一个或者多个所述的搅拌器。

在一种实施方式中，所述的搅拌器安装在反应器内部，可单独使用，也可与其他搅拌器结合使用。

在一种实施方式中，所述的搅拌器下方需安装气体分布器。

在一种实施方式中，所述气体分布器的通气方向可以是向上也可以是向下。

本发明的有益效果：

(1)本发明的搅拌装置的叶片是由径向伸展且高度收缩的凹面组成，凹面内缘曲线的上半部分与下半部分不对称，上半部分延伸长度大于下半部分，而凹面外缘曲线的上下部分呈对称，凹面内缘的垂直高度大于外缘的垂直高度，但凹面外缘的切向伸出长度比内缘的切向伸出长度更多。叶片内侧有利于捕捉上升的气泡并使之分散到液相中，增强了持气性能；叶片向外侧延伸过程中，其轴向高度逐渐收缩，有利于节省能量消耗。

(2)本发明的搅拌装置具有较高的气液分散和混合性能、较优的功耗特性，能显著减少气穴现象的发生，提高搅拌操作时的气泛点。可应用于通风搅拌发酵、氢化反应、氧化反应和生物曝气等反应过程中。

附图说明

图1：搅拌装置的立体图；其中，16迎液面、17背液面、18叶片、19圆盘、20轮毂、21搅拌器、22搅拌轴；

图2：搅拌装置在容器中的示意图；其中，23动力装置、24气体分布器、25挡板、26液面、27气泡、28流体、29反应器、30搅拌器装置；

图3：叶片剖面线立体图；其中，1叶片的径向最内侧的轴向剖面线、2叶片的径向最外侧的轴向剖面线、3上导边、4下导边、5尾边、6内侧轴向剖面线的上部、7内侧轴向剖面线的下部、8外侧轴向剖面线的上部、9外侧轴向剖面线的下部、10内侧上端点、11内侧下端点、12内侧尾点、13外侧上端点、14外侧下端点、15外侧尾点；

图4：叶片内侧(左)与外侧(右)剖面线及尺寸示意图；

图5：叶片的径向正视图；

图6：搅拌装置的仰视图。

具体实施方式

实施例1：搅拌装置

如图1、图2及图6所示，本发明所涉及的搅拌装置(30)包括一个搅拌器(21)、一根搅拌轴(22)和一套动力装置(23)，其中搅拌器(21)包括一个圆盘(19)、一个轮毂(20)和几个径向伸展的叶片(18)。

叶片(18)是由迎液面(16)向后增加一定的厚度得到的，加厚后得到叶片(18)，并得到背液面(17)。

叶片(18)的轴向剖面为V字形，V字形的内部轮廓线称为剖面线，其形状可以是抛物线、双曲线、椭圆弧线和圆弧线等，以抛物线为佳。

如图3和图4所示，以圆盘中心所在水平面为界，可将剖面线分为上、下两部分。上、下两部分在圆盘中心所在水平面的交点为尾点，尾点径向延伸得到的边为叶片的尾边。剖面线上、下部分另外的两个端点径向延伸得到的边为叶片的导边。由内侧上端点(10)延伸到外侧上端点(13)得到上导边(3)，由内侧下端点(11)延12伸到外侧下端点(14)得到下导边(4)。由内侧尾点(12)延伸到外侧尾点(15)得到尾边(5)。

剖面线在径向伸展的过程中并不是一成不变的，而是随着径向延伸距离的变化而等比例变化，同时改变上、下部分端点的位置，以使剖面高度减小而剖面面积不变。具体为在靠近搅拌轴一侧，即叶片的径向最内侧的轴向剖面线(1)的上部(6)宽度较大，下部(7)宽度较小，在径向延伸过程中，上部宽度逐渐减小，下部宽度逐渐增大，高度逐渐减小，最终上部宽度与下部宽度相等，高度被压缩到一定程度，也即叶片在远离搅拌轴的一侧，其叶片的径向最外侧的轴向剖面线(2)的上部(8)宽度、下部(9)宽度相等。

如图4所示，无论是在径向最内侧的剖面线还是径向最外侧的剖面线中，其下部一点到水平面的距离d’与上部对应点到水平面的距离d都相等，同样，在径向延伸的任一位置处都遵循这一规则。

叶片(18)的径向正视图如图5所示，更加直观的展现了上述叶片的形状特征。

叶片(18)轴向剖面线的上部宽度(用B表示)与下部宽度(用C表示)关系如下：在靠近搅拌轴区域，即叶片的径向最内侧，其轴向剖面线(1)上部宽度B₀比下部宽度C₀大，上部比下部突出的部分有利于捕获上升的气泡(27)以加强分散，最优设计是下部宽度C0与上部宽度B0的比值为0.5～8.5，0.75更佳；在远离搅拌轴区域，即叶片的径向最外侧，其剖面线(2)的上部宽度B_n与下部宽度C_n相等，因为最外侧对捕获气泡的需求降低；叶片中间部分，其剖面线的上部宽度在径向往外伸展过程中逐渐变小，范围为B₀～B_n，下部宽度逐渐变大，范围为C₀～C_n。

叶片轴向剖面线的高度(用D表示)，即延伸为导边的两个端点的轴向距离，在靠近搅拌轴区域，叶片径向最内侧的轴向剖面线(1)的高度D₀的范围为0.1～0.35倍搅拌器直径，0.25倍更佳；远离搅拌轴区域，剖面线的高度D_n与D₀的比值为0.4～0.9，0.6更佳；叶片中间部分的高度范围为D_n～D₀。

如图1和图2所示，搅拌器(21)有六个叶片(18)安装在圆盘(19)上。叶片的数量可以是4～10个，6个更好。叶片(18)被均布于圆盘周围，尾边(5)与圆盘(19)固定在一起，即叶片被部分嵌入圆盘中以保证其机械强度。圆盘(19)的直径与搅拌器(21)的直径比最好在0.5～0.8之间，0.68更佳。搅拌器(21)的直径是指两个距离最远的尾点(15)之间的距离。

圆盘(19)可以是其他形状，如中间镂空的条带状等。圆盘(19)的厚度要小于其半径。

靠近搅拌轴区域叶片轴向剖面线(1)的上部宽度B₀与搅拌器直径的比值最好在0.1～0.35之间，0.2更佳。

远离搅拌轴区域叶片轴向剖面线的上部宽度C₀与搅拌器直径的比值最好在0.1～0.4之间，0.25更佳。

叶片(18)的径向长度即尾边(5)的长度与搅拌器直径的比值最好在0.15～0.4之间，0.25更佳。

搅拌器(21)通过轮毂(20)与搅拌轴(22)连接，并且轮毂(20)可以使搅拌器(21)与搅拌轴(22)连接的非常牢固。

动力装置(23)包括电机和减速机(未详细画出)，动力装置(23)使搅拌器获得旋转的动力。搅拌器(21)最好在水平方向上旋转，以保持其平衡。

如图2所示，搅拌器(21)被用于装有一定量流体(28)的反应器(29)中，流体(28)可以是一种液体、几种液体的混合物或颗粒悬浮物等，反应器(29)的形状可以是长方体、圆柱体等，以带有椭圆封头的圆柱体为佳。反应器(29)中一般加入挡板(25)，以防止或减小旋转时漩涡的发生。

搅拌器(21)直径与反应器(29)的直径比最好在0.3～0.5之间，0.33更佳。

搅拌器(21)最好安装在反应器(29)的底部附近，可以单独使用，也可以与其他径向流或轴向流搅拌器组成搅拌系统混合使用。使用时反应器(29)内的流体(28)需浸没搅拌器，即液面(26)高于搅拌器(21)。

搅拌器(21)的下面需安装气体分布器(24)，气体分布器(24)的作用是向流体(28)中通入气泡(27)。气体分布器(24)可以是一根或者几根通气管(未详细画出)、通气环或其他类型，气体分布器(24)的通气方向可以是向上也可以是向下。

搅拌装置的材料为不锈钢，也可以是其他强度高且耐腐蚀的材料，如碳钢。

搅拌装置(30)的具体操作如下，气体分布器(24)向反应器(29)内流体中鼓入气泡(27)，气泡(27)因其密度低而上升，动力装置(23)提供动力使搅拌轴(22)和搅拌器(21)以一定转速在水平方向上旋转，旋转的叶片(18)捕获上升的气泡(27)，使其与周围的流体(28)一起径向运动，在运动过程中通过剪切作用使气泡(27)发生破碎和聚并从而分散在流体(28)中。在搅拌器(21)的上面和下面形成两个循环流型，通过气体分布器(24)中气泡(27)的释放和搅拌器(21)的旋转达到气液分散和混合的目的。

实施例2：搅拌装置的应用

将本发明实施例1的最佳的搅拌装置与传统BT-6型搅拌器比较，比较在带有标准椭圆封头的搅拌槽内进行，搅拌槽直径为175mm，筒体高度415mm，装液体积34L，搅拌器直径均为60mm，搅拌转速为300r/min。结果表明，本发明搅拌装置的径向排量为BT-6型搅拌器的92％，而功率消耗为BT-6型搅拌器的75％，排液效率为BT-6型搅拌器的1.22倍。

上述装置形式为本发明优选实例，但本发明的形式并不仅限于此，允许在一定范围内做出修改。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。