搅拌器的制作方法

专利名称：搅拌器的制作方法
技术领域：
本发明涉及在液体中分散流体的搅拌器。
发明特别与我们的在先专利EP-A-234768中公开的用于在液体中分散流体的同种搅拌器组件有关，该组件包括带有几个勺咀面对转子转动方向的勺型浆叶构成的转子，这种配置是为了将液体分流为径向流和/或轴向流。浆叶的形状使在其后沿侧形成的流体空穴减至最小(流体空穴是由于在浆叶后沿侧处于低压区而出现的(如产生旋涡)较轻相积聚)。
在一些情况下，要求浆叶设置一定的冲角，以至在浆叶的运动方向上，浆叶的一端领先于另一个端部。EP-A-234768涉及以一定冲角设置的浆叶，其冲角值应小于可促使旋窝形成的值。
根据本发明，用于在液体中分散流体的搅拌器组件包括一个为绕轴转动而装配的转子，在予定方向转动转子的装置和一组装配在轴上的浆叶，每个浆叶是凹形的并带有可使液体通过而进入浆叶内的咀，每个浆叶是这样定向的，浆叶的咀位于浆叶的导向侧，在上述的转动方向上，浆叶的一端领先于另一个端部，在使用中，液体通过浆叶的咀进入每个浆叶，再通过浆叶一个端部排出。至少每个浆叶的一端平行于浆叶的转动方向。
虽然，发明适用的搅拌器中的浆叶定向可用来将液体主要分流为径向流以排出液体。最好每个浆叶定向也可将液体主要分流为轴向流以排出液体，浆叶二端通常横切转动轴线。
在实际中，转子安装在装有液体的贮槽中，浆叶完全浸入，贮槽中配有用来搅动流体进入液体的装置，流体搅动装置以及转子结构和布置，使得在使用中转子浆叶(插入液体中)和/或它们造成的液体流可以分散搅动流体。
在本发明中采用的每种浆叶通常具有的形状是确定浆叶咀的导向边向后弯，浆叶不是外凹面，它位于包括浆叶主轴线和浆叶后沿末端的“浆叶面”内。然而浆叶面最好在浆叶主轴线的方向上延伸并且切线斜交浆叶的主轴线，以便浆叶的一端超过另一个浆叶端。然而，在实施例中，将液体主要分流为轴向流，浆叶平面仍然可以在同样具有一些径向分量的方向上延伸，以便将轴向排泄流分流出径向分量。
通常，全部浆叶都是相同定向的。
在普通的盘状透平搅拌器中，例如带有普通的几个轴向对中的浆叶用来在液体中分散带有小泡的喷射气体，我们发现将产生涡流(它是气体效应，气穴的潜在源，从而降低气体的分散和混合)，在此处流体沿着浆叶表面流动不是流线型的，而成为分离的，如在凸出边处(即普通轴向对中浆叶的轴向边)，在后沿的外表面是凹的或是没有急剧变化的后沿边，如带有园形的、椭园形的，方形的或长方形的断面的浆叶。本发明的浆叶避免了这些不利特征。
每个浆叶可具有对称的截面并且可以是部分园形，抛物线形或者部分椭园截面。在邻近它的后沿末端，浆叶可是连续向外突出的曲面或是楔形的(即尖劈形)。最好，浆叶形状是对称类翼形截面。
凹形浆叶使得它的凹部和咀最好由浆叶导向边确定的狭缝形成;但咀也可以是一个孔或多个孔的形状。
每个浆叶一端至少是部分敞开的以便浆叶通过泵送汲取液体通过浆叶端，而提供一分散，混合的汲取作用。通常，两端均是敞开的。
为了增强透平作用，在透平内切向吸入浆叶转变为轴向输出，最好，浆叶主轴与旋转轴线斜交，其角度在15-75°范围内，最好在30-60°，有关平面垂直于旋转轴线。
虽然每个浆叶后沿末端内部通常是线性的并且与浆叶的主轴平行，在某些情况下，可以是沿着浆叶末端凹曲形的，如凹弓形的，以便通过浆叶的流动方向平稳地从切线吸入改变为主要为轴向排出。
在旋转期间，每个浆叶面描述成一假想园柱，或截头园锥，对园柱或截头园锥而言，浆叶面通常形成切线。常常浆叶将安装在转子部件上，为了假想形状是园柱，也就是浆叶相对于旋转轴线向内或向外可视作没有角度。
在使用中，如在气体搅动贮槽物料的混合中，在每个旋转透平浆叶后面，没有真正的涡流低压区形成，在工业中，伴随着常采用的气体流速，气体渡过整个浆叶的外表面，在所有情况下，都是在浆叶的轴向区域内分散，在该处，浆叶定向主要产生轴向排出流。
如果用来混合多相反应物系统，该设备更为有利，它可促进好的相间物质传递，从而常可在高产量下改进反应收率和反应的选择性。
浆叶一般用常用于透平搅拌器叶片的金属或塑料制成。
该透平转子的浆叶在同一旋转排或任意数量平行旋转排中可布置成环形的和/或径向的。最好，在任何一或多排中，浆叶排列是有规律的，以便旋转平衡最佳。
最好，它们沿着轴布置，根据一般工程实际就任意其它一排或多排中的每个浆叶而论，以能实现扭转平衡最佳为好。
例如，在多排的每排中可排列相等数量的旋转浆叶，在轴向上不同排的对应的浆叶应对齐或所有的排应对正，彼此之间有规律地旋转倾斜。
转子可有两个以上浆叶，透平的混合效率将随着以任意一排的浆叶数增加而提高，直到浆叶的横向尺寸接近于连接起来，以致于在使用中任何一个浆叶的作用同随后浆叶作用相干扰为止。
同样，由于邻近排列之间的相互干扰限制了浆叶排列的有效数，这将会降低分散和混合效率并可形成涡流和气穴。
远离单个轴向搅动源增设几排浆叶同样不能提高分散效率。然而，它可能有助于在容器中的液体混合和/或液流分散。
按照前述的在一排中适宜的浆叶数是2-24个浆叶，一般4-12个，最多设5排，通常1或2排。
一般，转子尺寸由容器尺寸确定，通常将是容器横向尺寸的1/3-1/2。
流体搅动设备可是单个孔或是多个孔如成行排列孔，格栅，喷雾器或环状排列。虽然搅动液体，特别是密度比容器内液体低的液体，也不会被排除，但搅动流体常常是气体。
转子和流体搅动设备可位于任意的方向，相互位置应能保证流体或能在转子叶片扫过的容积传递，或能在转子叶片冲击产生任意液体流动邻近区域的任意方向上传递，(在两种情况下的“分散区域”)。
转子可以任意方位安装，虽然与在容器内在转子以上或以下安装的搅动设备相垂直，即与其轴向间隔一段距离安装转子常是容易的。这样，流体(气体或比容器内的液体密度小的液体从下方，密度大的液体从上方)在重力作用下通过液体传递到分散区域。其次，搅动设备可以是与转子共轴的适宜的孔，喷雾器或环。
实现前述本发明浆叶的标准是每个浆叶都具有对称性断面;然而，也不排除非对称形浆叶。
很明显，搅动设备的轴向孔，喷雾器或环的直径比整个转子直径小，不会在容器内重叠扫过的容积，也不会传递流体到分散区域而没有挡板。因此，浆叶可方便地安装在从盘状转子的边缘延伸端，盘子作用象一块挡板。
流体可以传递到由浆叶扫过的容积外侧轴向延伸的区域，并由浆叶泵送液体进入该区域。
另外，转子可以同在容器内在转子之上或之下安装的搅动设备，并与它轴向间隔一段距离交叉安装。再则，这种布置很宜在策略下实现传递。
搅动设备可是轴向对正的排孔，横向直排式的或弓形排列或平面格栅或曲面格栅，这要取决于转子的结构。
在另一种情况下，搅动设备可安装在转子上，如在每个浆叶前面或与某一个浆叶平面或任一浆叶平面轴向间隔一段距离设置一个小孔或多个小孔。
转子方位适于或与搅动设备和浆叶的布置相一致，对专业技术人员来说是显而易见的。特别是，当转子安装与搅动设备共轴，转子位于搅动设备以上或以下时，浆叶可以显而易见的方式布置使得液体从转子内输出与搅动流体并流或逆流。
虽然，在所有的要求二相流体分散的应用中都有效，但本发明的部件特别适用于气-液传质过程。同样对低剪应力充分混合特别有效，如敏感基质如活性细胞悬浮液或聚合物胶乳或有关的待降解或絮凝的分散液。
本发明通过实例并结合附图进行描述，其中

图1是根据本发明的装配有搅拌器的混合容器的示意图;
图2是图1中沿着2-2方向的平面视图;
图3是根据本发明的浆叶的侧视图;
图4和5是类似图3经过改进的浆叶视图;
图6-10是图2-4所示的浆叶沿着A-A方向的不同断面的剖面图;
图11是浆叶改进型的局部视图;
图12是类似于图1的而带有弯曲后沿末端的搅拌器视图;和图13是类似于图2所示的并带有两组浆叶的转子平面视图，一组向下和另一组向上泵送液体。
参考图1和2，用于在液体中分散气体的设备包括一个装有液体的园筒形容器10，搅拌器部件12和气体搅动装置14。搅拌器部件包括一围绕轴线竖直配置安装在没有表示的装置上的轴18，如图2中所示，轴18经由轮毂24凸出的径向延伸的臂22装配一组勺型浆叶20，浆叶完全浸入液体中。轴18通过未表示的马达驱动，如图2所示是以顺时针方向转动的。
为了将液体分流为轴向流，每个浆叶设置一冲角，它的主轴线26(见图1)相对于轴18的纵轴线倾斜沿伸，并位于与浆叶转向相切的一个平面内，每个勺形浆叶20的敞开咀21是在浆叶的导向侧。如在后描述的，每个浆叶的精确形状可以变化，但通常浆叶是这样定向的，以使它们在轴旋转时从液体中扫过并由它们敞开的咀汲取液体以及相对于轴的轴线主轴方向排出液体，至少每个浆叶的一端至少部分地开放以容许这种排泄。在图1和图2的实施例中，浆叶用作在向下方向上轴向泵送液体，即朝向容器10的底部，至少每个浆叶的下端是敞开的以允许向下排出。一般每个浆叶的两端都是敞开的。
气体搅拌设备14可以采取多种型式，如图，包括一水平安装的环28，在它的上侧有一组环形隔开的出口29，气体可以任意适当方式如用输入管27，供到环28。浆叶组20的安装位置是位于环28的上方，虽然这并不是重要的。使用时，气体被鼓泡进入液体，通过浆叶使液体流夹带着气体，从而使气体被分散进入液体。
按照我们的在先专利EP-A-234768所指出的，在垂直于它的主轴线26的平面内的每个浆叶通常具有类似翼形的断面以降低或消除在它的后沿表面气穴的形成。虽然这种浆叶的断面形状将被考虑用来降低浆叶的后沿面所不希望有的气穴形成，与EP-A-234678所指出的相反，根据本发明，每个浆叶都具有一明显冲角，这样就使得设计的浆叶可能在它的端部不会促进涡流形成，因此也不会有含有气穴的气体。
参见图3，在本发明的该实施例中，安装每个浆叶的冲角或倾角Y相对于垂直轴18的旋转轴线的平面大约45°，容许采用的这种冲角不会产生任何气穴。浆叶端30横向于轴的旋转轴线，这样，从侧面来看，以平行四边形浆叶代替了EP-A-234678中揭示的矩形浆叶。这样，每个浆叶端的导向和后沿末端32、34都沿着基本一样的旋转表面而使浆叶从液体中扫过。
在图3的实施例中，浆叶端部30是直线性的。然而，为了获得改进的性能，浆叶端部最好制成曲线的，以至少能进行流型的调整。图4所示是接近理想的情况，在该情况下，由于形成的浆叶端部有两个分离的半径R1和R2，其中R1是比R2小的半径，且两段曲线非常连贯地接在一起，因而实现了层流。然而，在图4中，每个浆叶端部的导向和后沿末端32、34位于垂直于旋转轴线的平面上，通过能造成层流的曲线边连接浆叶的端部。
图5所示，从制造观点来看，是一较简单方案，在该设计中通过单个半径R3确定曲线边得到非常近似的层流。每个浆叶端的导向和后沿末端32、34位于垂直旋转轴线的同一平面上。如图，Y约为45°，尺寸H基本上与测得的从导向末端32到后沿末端34的连线尺寸d一样。R3的适宜值可这样获得，在一端末端32和34之间的中点垂直向下，找到与另一端二末端连线的相交点C，然后用C点作为曲线的中心。
一般，对于如上描述的每个实施例，垂直距离d在D/4-D/6之间，其中D是在轴旋转时浆叶扫过的环形外径。通常角Y在15-75°范围内，最好在30-60°。
本发明的一个重要特征是勺形浆叶(因为可有效的对液体产生分流泵送作用而不是仅产生湍流)以及与之一起的浆叶的适宜方向，它可非常有效的实现所希望方向的排出流。假如适当考虑需要实现有效的层流以有效地降低在浆叶整个后沿面流体空穴的形成，浆叶的具体断面形状如在以上描述的实施例中A-A方向看到的可以变化。因此，A-A剖面如在图6所示可是部分园形的，V形的(图7)，抛物线形的或部分椭园形的(图8)或类翼形的(图9)。图9的翼形包括在截面导向侧处的收缩的唇40;在图6-8中所示的纵断面上也可设置类似的唇。应注意的是在一些实施例中，浆叶后沿侧是由轮廓分明的后沿边或脊形成的，换句话说，图7和9的实施例;这些边用来在浆叶后沿末端消除任何气穴，它不是主要的并且如在图6和8中所示的，浆叶的后沿表面可是平滑的形状而没有任意不连续的形成的边或脊。
在图6-9中，尺寸d和w以及以此的纵横比d/w可以变化。在图6的情况下，在给定纵横比大约是0.5时，d和w分别为D/8和D/4。在图7-9的情况下，在给定纵横比是1时，d和w二者一般是D/4。通常，功率数和流型特性取决于纵横比。因此，较低浆叶的纵横比将趋向于提高搅拌器的功率数并导至较差的流型，也将趋向于降低充气对未充气功率的比。同样，提高纵横比将降低搅拌器的功率数并导至改进流型，也将会提高充气对未充气功率的比。因而，根据要求，通过选择适宜的纵横比，可以改变搅拌器的特性。
在如图8和9形状的情况下，从水力学观点来看，浆叶径向外表面是最重要的，因为传递的功率与浆叶扫过直径的五次幂成正比。因此，这种设计最好是按照层流设计的，事实上径向的内侧表面在流体动力学方面是不太重要的，这意味着，这些表面可以是简单的非流线形状，如图10所表示的。
理论上，浆叶形状应当这样，它的后沿末端(无论如图7和9轮廓分明的，或者如图6和8中的假想线)应是弯曲的，以便当浆叶围绕着轴线转动时，形成与旋转轴线同心旋转的园柱形表面。这种浆叶的形状如图11所示，图示的旋转浆叶的弯曲形状很清楚。这种浆叶的优点是可以在邻近浆叶的后沿末端和在浆叶径向内表面消除气体空穴的形成。如上所述，从水力学的观点来看，由于径向内表面是不太重要的，因而在实际中，采用这样的浆叶形状通常不是必须的。
虽然如图2所示，浆叶安装在径向臂上，在一些应用中，它们也可以安装在盘上或等效的结构上。可以理解图1和2布置的搅拌器可有效地向下泵送液体，并且相对于由喷射设备引入的气体逆向流动，它可很容易地用来轴向向上泵送液体，如通过反装搅拌器，泵送液体与气体并流。一般每个浆叶两端都是敞开的;然而，在实际中，液体仅通过一端排出，而另一端可以封闭。如图1所示，轴线垂直地安装搅拌器，但我们不排除搅拌器安装采用其它方位的可能性，例如它的轴线配置是水平的，所带有的浆叶布置可以有效地相对于搅拌器的旋转轴线在轴向上泵送液体。
在图12的实施例中，搅拌器的设计是在轴线向上方向泵送液体，每个浆叶20后沿末端34不像图1到10的实施例那样是直线性的，代替它的是至少在邻近浆叶低端区域是曲线的(根据要求其端部可以敞开或封闭)，以便迫使通过浆叶的咀在切线方向进入每个浆叶勺形内的液体沿着平滑变向的路径在轴线方向通过浆叶上部敞开的端部排出。
在某些应用中，浆叶的组成至少为2组是有利的，浆叶中至少一组浆叶在另一组浆叶相反的方向上轴向的泵送液体。图13示出这样的装置，在该装置内，轴18经由臂22安装第一组定向浆叶30a，以便在一个方向上轴向泵送液体(按图，进入纸内)，第二组定向浆叶30b在相反方向(按图由纸向外)泵送液体。在每组浆叶中每个浆叶的具体形状和尺寸可以按照上述实施例的任意一种。因为作用在两组浆叶上的向心力不同，外边浆叶30b可以是较小尺寸。两组浆叶不一定按照图13所示的安装在共同的安装臂22上，例如，在轴上可以安装反向泵送浆叶，一组浆叶轴向的与另一组浆叶间隔一定距离。
权利要求
1.一种用于在液体中分散流体的搅拌器组件，包括一个为围绕轴线旋转而装配的转子，在预定方向旋转转子的装置和一组安装在轴上的浆叶，每个浆叶是凹形的并带有一个咀，液体通过咀可进入浆叶内部，每个浆叶是这样定向的，浆叶咀在浆叶的导向侧，浆叶的一端在上述旋转方向领先于另一端，在使用中，液体通过咀进入每个浆叶，通过浆叶的一端排出液体，至少每个浆叶一端平行于浆叶的运动方向。
2.按照权利要求1的搅拌器组件，其中每个定向浆叶将排出的液体主要分流为轴向流，浆叶两端通常横向于旋转轴线。
3.按照权利要求1或2的搅拌器组件，其中浆叶端部位于一假想平面上。
4.按照权利要求1或2的搅拌器组件，其中浆叶端位于一假想的曲面上。
5.按照权利要求1或2的搅拌器组件，其中浆叶端位于一流线型轮廓的假想面上。
6.一种用于在液体中分散流体的搅拌器组件，包括一为围绕轴旋转而装配的转子，按照予定方向旋转转子的装置和一组安装在轴上的浆叶，每个浆叶是凹形的并带有确定咀的浆叶边，每个浆叶是这样定向的，浆叶咀位于浆叶的导向侧，浆叶的一端在上述旋转方向领先于另一端，使用时，将液体主要分流成轴向流，每个浆叶端部与上述浆叶边相交，浆叶后沿末端基本位于垂直旋转轴线的平面内。
7.按照权利要求5或6的搅拌器组件，其中浆叶端部在上述相交点之间线性延伸。
8.按照权利要求5或6的搅拌器组件，其中浆叶端部在上述相交点之间带有流线型轮廓。
9.按照权利要求1-8的任一权利要求的搅拌器组件，其中每个浆叶的导向端是至少部分封闭的且后沿端是敞开的。
10.按照权利要求2或6或其任一个附属权利要求的搅拌器组件，其中每个浆叶后沿末端基本上是线性的。
11.按照权利要求2或6或其任一附属权利要求的搅拌器组件，其中每个浆叶的后沿末端是曲线形的，与转子旋转轴线同心的假想园柱面一致。
12.按照在前任一权利要求的搅拌器组件，其中垂直于浆叶后沿末端平面内的每个浆叶的断面形状是连续弯曲的。
13.按照权利要求12的搅拌器组件，其中在上述垂直平面内的浆叶断面形状通常是抛物线或椭园形的。
14.按照在前任一权利要求的搅拌器组件，其中在垂直于浆叶后沿末端平面内每个浆叶断面形状是V形的。
15.按照在前任一权利要求的搅拌器部件，其中在垂直于后沿末端平面内的每个浆叶断面形状包括两个曲面部分，在形成浆叶后沿末端的脊内连接。
16.按照权利要求2或6或其附属权利要求的搅拌器组件，其中每个浆叶后沿末端在切向于浆叶的旋转方向的平面内是曲线的，使液体切向吸入浆叶，通过浆叶后沿末端的弯曲内表面将液体偏转为轴向流。
17.按照在前的任一权利要求的搅拌器组件，其中有至少两组成形浆叶并按上述那样布置，至少一组浆叶布置产生的液体排泄流与另一组或几组浆叶产生的液体排泄流的方向相反。
全文摘要
一种用于在液体中有效地分散流体如气体的搅拌器组件，包括有一旋转驱动轴18的定子装有一组在由旋转方向上由勺形嘴21定位的勺形桨叶20，每个桨叶以一定冲角安装，使桨叶一端在旋转方向上领先于另一端。为了限制气穴形成，每个桨叶的截面是流线型的，其端部30平行于桨叶的运动方向。
文档编号B01F7/18GK1054546SQ9110124
公开日1991年9月18日 申请日期1991年2月5日 优先权日1990年2月5日
发明者迈克尔·库克, 约翰·C·米德尔顿 申请人:帝国化学工业公司