专利名称：用于将气体引入和分散在液体中的混合系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于将气体引入或喷射入罐内的液体中的混合系统。所述液体是指悬浮液和淤浆。所述气体是指空气，这种系统有时被称作通风系统。本发明所提供的系统有助于大规模的气相转化为液相，以便进行和促进不同的化学和生物反应。
申请人为Weetman
公开日为1989年11月21日的美国专利US4,882,098和申请人为Weetman和Howk
公开日为1990年1月30日的US4,896,971介绍了使用轴流式叶轮将气体传播或喷射进入罐内的液体媒介，其中通过一个喷射管或环，气体被释放到压力下的表面以下。已经提出一种气液混合系统，该种系统使用一种在通风管内的向下泵吸叶轮，所述通风管屏蔽叶轮在空气被叶轮所产生的吸力引入的同时，产生一个用于在涡流中表面气体运移的涡流。参见申请人为Litz等人
公开日为1990年4月24日的美国专利US4,919,849。依靠用于表面气体运移的涡流可以增加在不同的液体深度上气体被引入液体中的数量，但是系统对液体深度的变化很敏感并缺乏在不同的液体深度下保持物质移动的恒定性。这些深度可能包括从与叶轮相交的液面(气液相界面)，即叶轮在表面，到叶轮被完全浸没的深度。在系统操作期间可以遇到的所有液体深度范围内，物质移动的效率应该基本上保持恒定，可以使用物质移动系数KLa测量物质移动效率。
本发明的目的是提供一种混合系统，用于通风或喷射气体进入液体，在该混合系统中，气体引入的相关性和气体的移动效率基本上保持恒定。换句话说，物质移动系数KLa随着液体深度的改变而发生的变化被减少。
作为气体到液体的迁移和混合的背景技术，可以参考下述美国专利，申请人为Kingsley
公开日为1995,9,19的US5,451,349、5,451,348；申请人为Cozma等人
公开日为1995,7,11的US5,431,860；申请人为Middleton等人
公开日为1993,3,30的US5,198,156；申请人为Weise等人
公开日为1991,4,23的US5,009,816；申请人为Litz等人
公开日为1990,2,13的US4,900,480，申请人为Litz
公开日为1987,12,15地RE32562；申请人为Kwak
公开日为1981,9,22的US4,290,885；申请人为Wang
公开日为1981年3月31日，US4,259,267；申请人为Reimann
公开日为1976年4月27日的US3,953,326。
根据本发明已经发现，来自轴流式叶轮的轴向向上的流态确保气体通过表面夹带而被引入，同时没有产生涡流，也确保在邻近叶轮的区域的表面下，通过叶轮所产生的吸力，气体被吸入，所以，在叶轮所产生的环流中，气体被分散。最好通过延长以管的形式出现的管道进行气体的引入，邻近叶轮的末端，所述管具有一个出口，所述管最好靠近在旋转的叶轮后缘。这些管道与叶轮一起转动，并直接延伸到液面之上或通过与叶轮一起转动的的轴上的中空的通道而与液体表面之上的空气相通。已经发现这样构成的混合系统对液体深度的变化不敏感，与仅仅依靠表面夹带的、气体单独被引入的或在向下泵吸叶轮所形成的涡流中通过表面夹带而进行气体引入的系统相比，表面物质移动的效率，例如物质移动系数KLa更恒定。
因此，本发明的主要目的是提供一种改进的用于将气体喷射和散布在液体内的混合系统。
本发明的另一个目的是提供一种改进的用于气液交换的混合系统，所述混合系统具有物质移动系数Kla，其中对液体变化的敏感度被控制，没有降低混合系统的效率。
本发明的另一个目的是提供一种改进的用于将气体喷射和散布在液体内的混合系统，利用转动的叶轮产生的吸力，实现气体被引入液体，叶轮可以更接近表面，因此，需要较少的能量以获得用于产生将气体引入液体的吸力的末端速度，同时通过导致表面膨胀和变成紊流而促进气体在表面进入液体。
简单地说，用于使液体在罐内循环运动的、同时将空气引入液体的混合系统利用一种叶轮，所述叶轮提供一种沿轴向向上的环流，这就是向上泵吸的轴流式叶轮。环流继续向上并在罐内沿着气液界面运动，然后沿着内壁远离界面，到达罐的底部，并重新循环向上进入叶轮。在轴上可以具有多个向上泵吸的轴流式叶轮，叶轮彼此间隔一定距离并顺序地远离罐的底部。这些叶轮可以是倾斜的叶片蜗轮或翼片叶轮。这种叶轮的设计可以与前文所述专利中的叶轮相同或叶轮可以是A340型号，可以在美国纽约14611,Lightnin Mixer of Mt.Read Boulevard购买。液面的高度可以变化，例如由于液体从罐中被放出(排水)或别的原因，所以，液面可以在叶轮处或高于叶轮一个叶轮直径处。一种管道，最好是管与叶轮一起转动，所述管沿着叶轮的吸引侧延伸并具有一个出口，在所述出口的位置，叶轮所产生的吸力最佳(大约在末端并靠近叶轮的后缘)。这些管延伸到高于液面的通气孔，用于将气体引入液体并从管中排出，气体被分散在叶轮所产生的环流中。由于来自叶轮的向上流所产生的涌浪和紊流，特别是在罐的内壁处的紊流，在表面上产生气体夹带。混合系统提供有效的气体引入或喷射，可以通过系统的物质移动系数KLa测量气体引入或喷射。
通过结合附图对本发明所推荐的实施例所进行的详尽的描述，本发明的上述目的和别的目的、特征和优点将变得更加清楚。
图1是一个符合本发明实施例的混合系统的正视图；图2是一个沿图1中的2-2线所作的平面视图；图3是一个类似于图1的符合本发明另一个实施例的正视图；图4是一个曲线图，显示了KLa随着液体深度或随着图1和2中的最上端的叶轮的中线和液体表面之间的距离(作用范围)的变化。
图1和图2显示了一个包含液体的罐10(所述液体是指悬浮液和淤浆，当液体不环流时，液体在罐内到达水平面12(静态液面12))。三个向上泵吸的轴流式叶轮14、16和18使液体环流，通过毂20、22和24，将上述叶轮安装在轴26上，所述轴被电动机和齿轮箱驱动，以便以一定的速度转动叶轮，以在罐内获得所期望的流速(立方英尺/分钟)。
叶轮是对称的，所述叶轮是众所周知的A340型号的三叶片叶轮，可以从纽约的Lightmin Mixers of Rochester购买。叶片由板材制成并被弯曲，以分别形成吸引侧和受压侧。叶片是倾斜的，于是在箭头32所示转动方向上，叶片的前缘34比后缘36更低于或远离表面12。由于叶片角或向前倾斜和转动方向，在向上的方向叶轮产生轴向流，因而是向上泵吸的轴流式叶轮。箭头38显示了液体在罐内的环流。为了环流，叶轮的直径D是罐的直径的0.4～0.65倍。最下端的叶轮18的直径是其上方叶轮直径的3/8～1倍。由于表面或气液相界面12，来自最高端的叶轮14的轴向流变为径向。向上的流动导致一种涌浪40，向上和径向流动导致涡流，如罐10的侧壁处42所示。所述涌浪和涡流增强了在表面上气体分散到液体中的趋势。被分散的气体被液体的环流加速，并围绕罐被混合和分散，以便有效地进行从气相到液相的物质移动。
通过被轴上的开口或孔44而提供的管道，由于抽吸而产生的气体喷射被增强。气体通过通气孔46进入并通过由管48组成的通道。这些管具有进口端，所述进口端延伸穿过轴并进入通道44，所述管位于叶片的吸引侧28，沿着后缘36延伸到靠近末端50的出口。管48的出口端可以被斜切，与管的轴线保持45度角，所以气体可以更加容易地从出口端喷射出，在叶轮向上泵吸产生的液体环流中形成气泡，在此为了物质的传送，在罐内的液相气泡往复循环。
叶轮没有被屏蔽，但是提供足够的环流，以便有效地进行物质移动。
图3所示系统与图1和2所示系统相同，然而，管48沿着毂20和轴26延伸到达高于液面12的位置。通过取消对一个中空轴26的需求，简化了设计。此外，管增强了围绕轴的紊流，促进了气体向液体的物质移动的效率。
图4显示了两条曲线，它们说明了随着液面或叶轮上方的作用范围的变化，物质移动系数KLa的增加和恒定，从叶轮的中部或从最上端或后缘，测量所述作用范围。
根据上述说明，很明显提供了一种改进的混合系统，所述混合系统利用向上泵吸叶轮进行气相向液相的迁移和表面气体的引入。对于本领域普通技术人员来说，在本发明的范围内，能够进行各种变型，因此，上述描述仅是为了说明本发明，并不限制本发明。
权利要求
1．一种用于使液体在罐内环流的混合系统，在液体运动的同时，将气体引入所述液体，所述系统包括一个叶轮，所述叶轮提供一种环流，所述环流向上趋向于所述罐内的气液界面和向下远离所述界面，至少一个管道可与叶轮一起转动并使所述环流中的液体与气体相通。
2．一种根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述界面之上的气体的压力大于所述罐内一个区域的压力，因此所述管道与所述区域的相通以通过引导将气体喷射进所述液体。
3.一种根据权利要求2所述的系统，其特征在于所述叶轮具有多个被安装在轴上用于转动的叶片，所述叶片具有从所述轴径向延伸的相反的边缘，所述边缘的前缘和后缘分别接近和远离所述界面，所述叶轮在液体中的转动提供了邻近所述末端的所述区域。
4.一种根据权利要求2所述的系统，其特征在于所述前缘和后缘在所述叶轮的转动方向上被顺序安置，所述叶片是倾斜的，于是所述前缘比后缘更远离所述界面，在所述叶轮的出流中，导引环流向上趋向于界面。
5.一种根据权利要求3所述的系统，其特征在于所述叶轮是向上泵吸轴流式叶轮。
6.一种根据权利要求3所述的系统，其特征在于在接近所述末端处，所述管道具有一个出口。
7.一种根据权利要求4所述的系统，其特征在于所述管道沿所述叶片的后缘上升到所述末端，在接近所述末端位置，所述管道具有一个敞开的端部，提供一个用于所述空气的出口。
8.一种根据权利要求7所述的系统，其特征在于所述管道沿着所述轴延伸到另一个敞开端，所述敞开端高于所述界面，提供一个空气入口。
9.一种根据权利要求7所述的系统，其特征在于所述轴具有一个轴向延伸的通道，在高于界面的通气孔处，提供一个空气入口，所述轴上的通道是所述管道的一部分，一个管与所述通道相连并延伸到所述末端，在末端处提供一个空气出口。
10.一种根据权利要求8所述的系统，其特征在于所述叶轮具有多个叶片，所述管道包括多个沿所述叶片的后缘延伸到所述叶片末端的管，所述管沿所述轴延伸到高于界面的位置，到达敞开的一端。
11.一种根据权利要求9所述地系统，其特征在于所述轴具有一个从高于界面的通气孔沿所述轴轴向延伸的通道，所述叶轮具有多个叶片，所述管道具有多个管，每个管延伸到低于所述轴的通道的所述叶轮的通道处，并从低于所述叶轮的通道处，沿所述叶片的吸引侧和所述叶片的后缘延伸到相反端，在所述末端附近，所述相反端提供一个空气出口。
12.一种根据权利要求3所述的系统，其特征在于所述叶轮与所述界面之间的距离小于1D,D是叶轮的直径。
13.一种根据权利要求3所述的系统，其特征在于所述叶轮是没有被屏蔽的、向上泵吸的轴流式叶轮，所述叶轮与所述罐之间的空间是敞开的，沿着所述罐的侧壁，至少到达任何导流板的边缘。
14.一种根据权利要求3所述的系统，其特征在于所述叶轮是多个被安装在轴上的向上泵吸的轴流式叶轮中的一个，所述多个叶轮顺序地远离界面。
15.一种根据权利要求13所述的系统，其特征在于所述叶轮是在轴上的多个向上泵吸的轴流式叶轮中的一个。
16.一种根据权利要求15所述的系统，其特征在于所述多个叶轮是至少三个间距彼此相同的叶轮。
全文摘要
一种利用向上泵吸的轴流式叶轮(13,16,18)的混合系统,通过将空气抽入表面之下的引导,所述叶轮将空气引入液体在表面(12)和在低于表面的地方,在此处,空气分散进入叶轮(14,16,18)所产生的环流中。管(48)被安置在叶轮叶片(14,16,18)的吸引侧,在靠近叶片(14,16,18)的末端(50)的位置,提供一个空气出口。管(48)可以沿着轴延伸到高于表面的位置或进入到具有一个通风口(46)的中空的轴,所述通风口(46)高于表面。叶轮(14,16,18)的转动在管的出口产生吸力,将空气吸入液体,同时向上的环流产生用于空气夹带的表面紊流。
文档编号B01F7/00GK1321109SQ9981172
公开日2001年11月7日 申请日期1999年9月22日 优先权日1998年9月23日
发明者贝恩德·吉加斯 申请人:通用信号公司