[發明專利]一種裝配扇環型凹面葉片的氣液分散攪拌器裝置

有效

• 申請號: 201610269169.6
• 申請日: 2016-04-27
• 公開（公告）號: CN105854664B
• 公開（公告）日: 2017-12-29
• 發明（設計）人: 鄭志永;孫東東;詹曉北;高敏杰
• 申請（專利權）人: 江南大學
• 主分類號: B01F7/00
• 分類號: B01F7/00;B01F7/16;B01F7/26;B01F15/00
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司23211
• 代理人: 耿曉岳

技術領域

本發明涉及一種裝配扇環型凹面葉片的氣液分散攪拌器裝置，屬于生物工程、化學工程和環境工程裝備領域。

背景技術

氣液兩相混合廣泛應用于通風發酵、氧化反應、氫化反應、生物曝氣等過程單元。化工工程師期望能發明一種能實現高效氣液分散的裝置。目前能實現氣液兩相分散的裝置主要有：(1)鼓泡塔反應器；(2)氣升式反應器；(3)帶氣液分散攪拌器的攪拌裝置；(4)基于旋轉噴嘴的混合系統。

徑向流攪拌器是一類特別適合氣液分散功能的攪拌器，包含輪轂、圓盤和多個均勻分布在圓盤上的葉片，它的圓盤能收集到攪拌器下方的氣泡并導入至高剪切的葉片區域，從而產生良好的氣液分散效果。1950年Rushton首先發明了Rushton攪拌器，在青霉素發酵等領域得到創新性的應用，開創了氣液分散型攪拌器的先河。但人們逐漸發現它存在著一些缺點：(1)通氣條件下的攪拌功率比不通氣條件下的功率值下降約50％以上，這意味著較高的能量耗散和較低的氣液傳質效率；(2)在較低通氣強度時就易發生氣泛現象，導致氣液分散能力受到削弱。以上兩個缺點都是由于Rushton攪拌器在運行過程中，其槳葉背后易產生高速、低壓的尾渦，從而導致流體邊界層的分離。在氣液分散過程中，尾渦的低壓核心吸引氣泡聚并并在槳葉背后形成氣穴，而這些氣穴正是導致能量耗散和效率低下的主要原因。

在經典Rushton攪拌器的基礎上，許多工程師對攪拌器葉片的形狀、尺寸和細節結構做了許多調整和優化，開發了箭葉攪拌器、CD-6攪拌器(Smith攪拌器)、凹面攪拌器等，提高了攪拌器的氣液分散效率。以上這些攪拌器的葉片都是上下對稱的，直到1998年Bakker發明了不對稱凹面槳——BT-6攪拌器，其上葉片前緣切向伸展并超出下葉片前緣，這樣葉片就能捕獲更多的氣泡，而其更加深陷的凹面能顯著減少葉片背后的氣穴形成，從而提高氣液分散效率和氣泛點，使攪拌器的氣液分散效率得到顯著提升。

徑向流攪拌器的功率消耗既與攪拌轉速、通氣量、流體物性等條件有關，也與攪拌器的結構和安裝條件有關。由于氣穴現象的提出，使得徑向流攪拌器的設計思路都往更凹陷的曲面發展。但有一個嚴重的問題是，在不增加葉片寬度的條件下采用更凹陷的葉片雖然能降低功耗，但徑向排量性能也會大大降低。增加葉片寬度有利于改善其徑向排量性能，但其外邊緣頂點的直徑遠大于尾點的直徑，使葉片在外邊緣頂點區域產生極大的力矩和功率消耗，而對徑向排量的貢獻卻很小。

發明內容

為解決上述問題，本發明采用了一種特殊的類似于扇環形狀的凹面葉片結構，將槳葉設計在水平面上投影為扇環的形狀。這樣設計的葉片使傳統槳葉寬度的增加變為本發明中槳葉弧長的增加，外邊緣頂點的直徑與尾點的直徑相等，避免了槳葉外圍產生多余的伸出部分，有效的改善了攪拌器的分散和混合性能。本發明采用槳葉的徑向輪廓線是由凹形平面曲線沿圓柱面彎曲而得到的空間曲線，有利于氣液兩相在徑向排出過程中實現高效分散。本發明的攪拌裝置具有較低的功率消耗、較高的氣液分散和混合性能，也極大的減小了氣穴現象的發生，提高了氣泛點，即在相同轉速下可承受更高的通氣量，增強了持氣性能。

本發明提供了一種用于反應器中氣液分散和混合的攪拌器裝置；所述裝置包含了攪拌葉輪、攪拌軸和動力裝置三部分；攪拌葉輪包含若干個徑向伸展的凹面葉片；凹面葉片的上、下部分在水平面上的投影形狀為扇環，葉片的上面部分投影得到的扇環的弧度比下面部分得到的扇環的弧度大。

葉片的徑向內側邊緣與徑向外側邊緣都在以攪拌軸為中心的圓柱面上，兩個圓柱面之間的半徑差值為葉片的長度。以不同半徑的圓柱面切割葉片，都可得到一條空間曲線，這些空間曲線稱為徑向輪廓線。徑向輪廓線可以視為是由平面曲線沿圓柱面彎曲得到的，該平面曲線視為葉片的基本形狀線。因此葉片的徑向輪廓線在以攪拌軸為中心的圓柱面上。

葉片的基本形狀線包括兩個頂點和一個尾點。以圓盤平面為界，尾點和上頂點之間的部分為上部形狀線，尾點和下頂點之間的部分為下部形狀線，尾點在水平面上。這樣就構成了上下分叉的、夾角為銳角的基本形狀線。該基本形狀線被彎曲成輪廓線后，輪廓線中的頂點、尾點等結構特征都是與基本形狀線中的點相對應。

輪廓線上、下部分投影到水平面上得到兩段圓弧。上部分輪廓線投影得到的弧長大于下部分，即上部分輪廓線投影得到的弧度大于下部分得到的弧度。