CN1113685C - 垂直搅拌装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种垂直搅拌装置，在一个较深液体搅拌罐、带有半顶角小于60度的锥形底的搅拌罐中或者是前述两种罐的组合型罐中，它能够缩短垂直均匀混合的时间，使垂直方向的流速一致，缩短热传导时间，其中，转轴安装在罐中，以便能够被罐外的驱动装置带动，底部桨形叶片面积较大，安装在转轴的下部，由垂直栅和水平臂组成的栅状叶片安装在底部桨形叶片上方的转轴上，栅状叶片最外侧的垂直叶片的外棱与转轴中心的距离设置成比底部桨形叶片大。

Description

垂直搅拌装置

本发明涉及一种用在罐中搅拌各种流体、半固态流体、粉末等的搅拌装置，更具体地说涉及一种适合用在尖锥底形搅拌罐中的垂直搅拌装置。

在这类搅拌装置中，转轴通常与搅拌叶片相连，并且枢转地连接在搅拌罐中心上，转轴从罐中伸出，由罐外的驱动装置驱动，从而使搅拌叶片在罐中转动以搅动和混合物质，搅拌叶片又在待处理物质(待搅拌物质)中产生涡流和垂直的循环流动。通常已知的搅拌叶片包括透平叶片、浆叶、推进器等的排出型后掠式叶片，以及闸门、螺旋形带状叶片、螺状叶片或锚片等的剪切型搅拌叶片。

参看图7，它是一个剖视图，示出一个应用传统的两级透平叶片的搅拌装置，搅拌罐20的底部分是一个圆锥形底面，其半顶角为α，还有一个可被罐外的驱动装置带动而转动的转轴21，它沿罐的整个长度延伸，在转轴21的中间部分上安装有一个或多个搅拌叶片23。搅拌叶片23通过转轴21的转动将液体排向罐的周边部分，从而形成的排放流使罐中流体循环。可以在罐的内周部分安装线圈24。

(1)在较深的搅拌罐中(L/D＞1.5，其中L是指液体表面到罐底的深度，D是罐的内径)，传统的搅拌叶片无法得到垂直方向上的均匀混合。(2)此外，如图7所示，在半顶角小于60度的尖锥底形搅拌罐中，在转轴21的下部只安装了一对与罐直筒部分的搅拌叶片23相似的横臂形叶片30，因而就不可避免地在圆锥底部的顶端上产生一个液体静滞区27，在该处不产生混合。特别是当在罐内部的周边部分安装线圈时，上述的缺陷(1)和(2)就变得更明显了。

参看图7到图11，下面详细解释上述缺陷。如图8所示，如果上述的排出型搅拌叶片23为单级应用时，搅拌叶片23通常位于TL(罐的圆筒部分和锥形底部分的交接线)附近，由于从罐的底部20a到液体表面25的路径较长，在较深液体处排出液体在移动路径中的流速就变慢(图8中A部分所示)。这样就在图8的B部分出现停滞，无法到达垂直均匀混合。

为了消除这种非均匀状态，可以应用图9中所示的带有两级以上的搅拌叶片的多级构型。然而在叶片23a和叶片23b之间，排出流体相互冲击，使得罐中的流体在罐垂直方向的中部似乎有一堵如标号26所示的分隔壁存在，因而，由于这个分隔壁状的液体相的存在，就更难于达到垂直均匀混合。

如图7、1 0、11所示，在半顶角小于60度的尖锥底形搅拌罐2中，距离锥形底越近，截面积越小，在流体中就易于产生流动阻力。因此，严格地说，流体无法达到锥形底的端部，而是沿着流动阻力较小的方向流动。这样就产生了所谓的流体分离。结果是在锥形底的端部产生流体静滞部分27，流体粘度越大，这种倾向越大。即使在罐底部分采用桨形搅拌叶片30，也无法消除这种静滞。可以注意到图7中的阴影部分展示的就是液体流动较差的部分。

此外，在使用闸闸门、螺旋形带状叶片、螺状叶片或锚片等剪切型搅拌叶片的搅拌罐中，一般说来，叶片转速通常较低，以便刮动并抬升流体促使其混合。然而此时流体流动的雷诺数应当小于Re＝100，从而使剪切叶片能够达到额定性能，也就是说，液体流动必须在层流区。超出了这个区域，产生垂直循环的能力就特别低。也就是说，如果雷诺数超过100，在垂直方向很难进行混合。可以注意到，雷诺数也即Re的数值是由d²nρ/μ表示的，其中d(m)是搅拌叶片的直径，n(l/s)是叶片的转速，ρ(kg/m³)是液体密度，μ(kg/m.s)是液体粘度。

此外，大多数传统搅拌叶片的形状和组合常使得流体靠近罐壁表面向上流动(指图7中标号28、29)，这样这种传统叶片形状无法在罐尖锥底的中部产生上升流动。此外，在深的流体或锥形底中由于流速在途中降低，这样在罐中不只产生一股而且还产生多股侧流28、29(独立于主流之外)，这样，在罐中的整体均匀混合就明显恶化了。

设计本发明是为了克服上述传统缺陷的，因而本发明的第一个目的是提供一种垂直搅拌装置，它能够缩短垂直均匀混合所要求的时间，使得如较深液体的搅拌罐之类的搅拌罐中垂直方向的流速一致，并且能够缩短热传导时间，并防止在半顶角小于60度的锥底形搅拌罐中产生液体静滞。

本发明的第一方面是提供一种垂直搅拌装置，它包括一个带有中心线并且底部呈半顶角小于60度锥形的搅拌罐；一个安装在搅拌罐中心上的搅拌轴，该搅拌轴可由罐外的驱动装置驱动而转动；以及安装在搅拌轴上的搅拌叶片，搅拌叶片带有圆锥底桨形部分，它位于搅拌罐的底部处，其形状与搅拌罐圆锥形底部的半顶角相一致。

本发明的第二个方面提供了一种垂直搅拌装置，它包括一个带有中心线的搅拌罐；一个带有下部的搅拌轴，搅拌轴安装在罐的中心处并由搅拌罐外的驱动装置驱动而转动；还带有圆锥底桨形叶片，安装在转轴的下部，栅状叶片由垂直栅和水平臂组合而成，每个垂直栅都带有一个外棱，水平臂带有一个最外侧面，它安装在圆锥底桨形部分上方的转轴上，栅状叶片最外侧的外棱与转轴中心线的距离大于底部桨形叶片。

通过参看附图并阅读下面的详细说明之后，将能够充分了解本发明的上述特点和优点，以及本发明的其他特点和优点。

附图简介

图1是一个垂直纵剖面简图，示意了本发明一个最佳实施例中的垂直搅拌装置，其中在圆锥底形搅拌罐中采用的搅拌叶片结构有对本发明至关重要的圆锥底桨形部分；

图2是沿图1中线A-A所作的截面图；

图3是本发明另一个实施例中垂直搅拌装置的侧视图；

图4a和4b为平面图，示出一个安装在水平臂上的垂直栅，它相对于水平臂倾斜，并向后掠；

图5a和5b为正视图，示出本发明中垂直栅宽度变化的几个构型例子；

图6为一个侧视图，简明示出图3所示实施例中搅拌罐操作时液体的流动。

图7是采用两级透平叶片的传统型搅拌装置的剖视图；

图8是采用排出型单级叶片的传统型搅拌装置的简图；

图9是采用两级叶片的传统搅拌装置中流体垂直分离的状态；

图10是在传统圆锥底形搅拌罐中底部产生流体静滞部分的状态；

图11是在传统圆锥底形搅拌罐中底部产生流体静滞部分的状态。

最佳实施例

下面，将参照附图对本发明的最佳实施例进行详细说明。参看图1，它是一个垂直截面图，显示出在本发明的第一个实施例中垂直搅拌装置的下部。在本实施例中，搅拌叶片由安装在搅拌轴8(旋转轴)下部的圆锥底桨形部分31组成，它的面积远远大于图7中所示的传统搅拌罐中底部的臂形搅拌叶片30的面积。此外，它的外部形状使得它能紧靠搅拌罐32的圆锥底部分7，它的侧部形状31与圆锥底部分7的半顶角一致。桨形部分31的上棱31b位于搅拌罐32的圆锥底部分7和直筒部分6之间的接合处附近。

此外，在本实施例中，如图2所示，在桨形部分31中四个搅拌叶片以90度角绕着搅拌轴8安装。然而本发明并不限定叶片的数目。这样，也可以采用两个叶片在直径方向成一条直线，或者是三个搅拌叶片安装成相互等夹角。尽管在圆锥底桨形部分31上方的转轴上没有安装叶片，但是在圆锥底桨形部分31上方的转轴上也可以安装适当的叶片。此外圆锥底桨形部分31的结构可以是这样的，即圆锥底桨形部分31是倾斜的，或弯曲的，或后掠的，可以注意到，在圆锥底桨形部分31中的叶片在垂直和水平方向上看都是倾斜的，而弯曲锥底桨形部分从垂直方向上看是弯曲的，而后掠圆锥底桨形部分中的叶片是弯曲的。

在图1所示的实施例中，当搅拌轴8由罐外的驱动装置(图中未显示)带动而转动时，待处理流体被桨形部分垂直地从圆锥形底部31的侧面31a处推出，其方向垂直于罐的底部7的内壁7a，沿着罐的内壁7a的倾斜表面向下流动。然后它沿着搅拌轴8在轴8附近从罐底端部7b处上升，然后从罐32的中间和顶部沿着罐的内壁表面再次向下。因此，待处理流体能够在罐中反复循环，因而就有可能使待处理流体均匀混合，在罐的底部不产生静滞，而在传统类型中是必然有这种静滞的。

参看图3，它示意了本发明另一个实施例中的垂直搅拌装置，为了简明起见，在图中罐壳10的外壳用虚线表示，搅拌罐32带有一个包括直筒部分6和内锥底部分的罐壳10；用于密封直筒部分6顶部的盖1 3；以及一个搅拌轴(旋转轴)8，它从罐的底部伸向罐壳10的中部并穿过盖子13。从盖子13向上伸出的搅拌轴8与安装在盖子顶部的电机9和减速器18的输出轴配合，它可以由通电的电机9带动。热传导线圈11由合适的线圈支撑12安装在罐壳10的内壁附近，从罐壳的直筒部分6的上端延伸到底部7的下端。在所示的实施例中，线圈是双层设置的，然而它也可以是单层设置的或多层设置的。根据需要可以在罐壳10的内壁上安装折流板，在所示实施例中，线圈支撑也可以起折流板的作用。应注意到，安装喷嘴14，以便向线圈11中供入冷却水或热介质。

搅拌轴8枢轴连接在底部7的底板15以及罐顶处的盖子13上，搅拌轴8上还安装有下面将要详细介绍的栅状叶片部分3，栅状叶片部分3沿径向向外伸展，其位置处于直筒部分6中，带有较大水平伸出面积的圆锥底桨形部分31安装在搅拌轴8上，其位置在底部7的位置处。在本实施例中，搅拌叶片的结构包括位于底部7处的圆锥底桨形部分31和位于直筒部分6处的栅状叶片部分3。锥形底桨形部分31的下部31a是尖形的，沿底部7的内锥形伸展，而在上部带有垂直侧部31c，桨形部分31可以是倾斜的、弯曲的、或后掠的，如图1中所示那样。当两个叶片在直径方向呈一条直线时，栅状叶片部分3和圆锥底桨形部分31都可以这样安装，使得栅状叶片部分3的垂直栅1与圆锥底桨形部分31上的叶片周向间隔90度。

在圆锥底桨形部分31附近，栅状叶片部分3安装在圆锥底桨形部分31上方的搅拌轴8上，它包括多个安装在搅拌轴8上的水平臂7，垂直栅1安装在水平臂7的顶端，并且平行于搅拌轴8而伸展。参看图3、4a、4b、5a、5b，在侧壁2外端，垂直栅1的最外棱1a与搅拌轴8的中心之间的距离L大于安装在转轴下部上的大桨形部分31一侧的最大宽度W(参看图3)。此外，每一个垂直栅1都制作成上部宽下部窄。通过这种设计，搅拌叶片就具有这样的构型，在图3所示的单级结构中切割掉下部内侧，而在多级结构中切割内边，从而形成图5a所示的在垂直方向连续变化的梯形，或者切割内边使它从底部到顶部连续变化形成如图5b所示的向底部逐渐变窄的形状。

在搅拌轴8和臂最外端的垂直栅1之间的水平臂2上，安装一个或多个中间垂直栅4。在臂最外侧的垂直栅1，能够安装成相对于流体而倾斜，如图4a所示，或者是后掠的，如图4b所示。应该注意到，图4a和图4b中所有的箭头都显示搅拌轴8的旋转方向。

参看图6，它是一个侧视简图，显示了图3所示的实施例中在搅拌时搅拌罐中液体的流动。如上所述，由于垂直栅1的宽度上部大于下部，所有的液体流16在罐直筒部分6的内壁表面附近垂直向下。较大体积的桨形部分31的侧部31a从接近端部的位置到其底部附近沿着圆锥底部7伸展，这样在该区域就产生了直接朝向罐的底面的液体流17，同时，在桨形部分31的中心就得到从底部供入向上流体的效果(参见标号19)。在直筒部分的侧壁上向下流动16与大桨形部分31的作用相互结合，以便将罐底部7中的流体向上吸，中间没有干扰，产生了所谓的单股流动的循环流动(连续流动而没有支流)，这样就有可能缩短在罐中的均匀混合所需时间，使罐中的流速一致。

而且，在本发明中，因为在栅状叶片部分3的下方处，安装有一个具有较大的突出区域的底部桨形部分31，圆锥底桨形部分处的较大叶片的抽吸作用就能够起作用，使得在罐底端部不产生静滞区，这样即使半顶角小于60度的圆锥底搅拌罐中也能够垂直均匀混合。

此外，即使搅拌罐的底部为半顶角小于60度的圆锥形，并且液体深度较深(从底部到液体表面之间的液体深度L与罐的直径D之间的比值L/D大于1.5)，可以搅动的液体量范围较广，在最大液体量的1/200的液体中也能适应。就是说，只采用一个搅拌罐，本发明的搅拌装置就能够适应液体量变化较大的场合，这样，如果最初体积设为1，在操作中液体体积可以最终增大到200，与之相比，传统型搅拌罐需要一大一小两个罐结合使用。

当搅拌罐带有线圈时，如果根据本发明，在上部栅状叶片中垂直栅的外径值大于内线圈11的缠绕直径dc的0.7倍，这样，垂直栅就安装得靠近线圈11，由于从叶片中的排出流动，在热传导套或线圈附近的流体的流速就明显地高于传统搅拌叶片中的速度，因此，就可能明显提高热传导功能。

尽管上述实施例中进行了示意性的说明，其搅拌部分的底部是一个尖锥形部分，但本发明并不局限于这些实施例。如果采用的栅状叶片部分3没有圆锥底桨形部分，搅拌罐可以只带有直筒部分，此时，在整个罐中，有称为单股流动所带动的流体流动，就有可能缩短罐中垂直均匀混合的时间，使垂直方向流速一致，缩短热传导时间。

如上所述，通过在罐底的转轴下部安装圆锥底桨形部分，并使圆锥底桨形部分与搅拌罐的锥底一致，且带有较大面积，就能够获得满意的搅拌，而不会在罐的底部待处理流体产生静滞。此外，当在圆锥底桨形部分上方安装额外的栅状叶片部分时，栅状叶片部分中的垂直栅的宽度设置成上宽下窄，此外，在最外棱处的垂直栅的直径大于桨形部分。这样沿着罐的直筒部分的内表面产生向下的液体流动，而在底部的液体被在罐的锥底部分的大桨形部分抽吸，因此就产生由单股流所带动的循环，它在罐的壁表面附近向下流动。这样就能够达到以下效果：在半顶角小于60度的锥底搅拌罐中，缩短了垂直均匀混合的时间，使得垂直方向流速一致，缩短了热传导时间。

Claims (5)

1、一种垂直搅拌装置，它包括一个带有中心线的搅拌罐；一个转轴，转轴有下部并位于罐的中心线上，以便由罐外的驱动装置带动；安装在转轴下部的底部桨形叶片；由垂直栅和水平臂组成的栅状叶片，每个垂直栅都有一个外棱，每个水平臂都有一个最外端，一个上部和下部，在水平臂最外端处的垂直栅外棱与转轴中心之间的距离大于底部桨形叶片。

2、如权利要求1所述的垂直搅拌装置，其特征在于，垂直栅的宽度设置成上部宽下部窄。

3、如权利要求1或2所述的垂直搅拌装置，其特征在于，位于栅状叶片最外端的垂直栅在搅拌罐的圆周方向上相对于水平臂倾斜。

4、如权利要求1或2所述的搅拌装置，其特征在于，栅状叶片最外端的垂直栅在搅拌罐的圆周方向上沿着搅拌液体的流动相对于垂直壁弯曲和倾斜。

5、如权利要求1或2所述的搅拌装置，其特征在于，搅拌罐的底部是半顶角小于60度的圆锥形，转轴安装在其下部，带有外形与罐锥形底半顶角一致的圆锥底桨形叶片。

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