[发明专利]一种装配扇环型凹面叶片的气液分散搅拌器装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种装配扇环型凹面叶片的气液分散搅拌器装置，属于生物工程、化学工程和环境工程装备领域。

背景技术

气液两相混合广泛应用于通风发酵、氧化反应、氢化反应、生物曝气等过程单元。化工工程师期望能发明一种能实现高效气液分散的装置。目前能实现气液两相分散的装置主要有：(1)鼓泡塔反应器；(2)气升式反应器；(3)带气液分散搅拌器的搅拌装置；(4)基于旋转喷嘴的混合系统。

径向流搅拌器是一类特别适合气液分散功能的搅拌器，包含轮毂、圆盘和多个均匀分布在圆盘上的叶片，它的圆盘能收集到搅拌器下方的气泡并导入至高剪切的叶片区域，从而产生良好的气液分散效果。1950年Rushton首先发明了Rushton搅拌器，在青霉素发酵等领域得到创新性的应用，开创了气液分散型搅拌器的先河。但人们逐渐发现它存在着一些缺点：(1)通气条件下的搅拌功率比不通气条件下的功率值下降约50％以上，这意味着较高的能量耗散和较低的气液传质效率；(2)在较低通气强度时就易发生气泛现象，导致气液分散能力受到削弱。以上两个缺点都是由于Rushton搅拌器在运行过程中，其桨叶背后易产生高速、低压的尾涡，从而导致流体边界层的分离。在气液分散过程中，尾涡的低压核心吸引气泡聚并并在桨叶背后形成气穴，而这些气穴正是导致能量耗散和效率低下的主要原因。

在经典Rushton搅拌器的基础上，许多工程师对搅拌器叶片的形状、尺寸和细节结构做了许多调整和优化，开发了箭叶搅拌器、CD-6搅拌器(Smith搅拌器)、凹面搅拌器等，提高了搅拌器的气液分散效率。以上这些搅拌器的叶片都是上下对称的，直到1998年Bakker发明了不对称凹面桨——BT-6搅拌器，其上叶片前缘切向伸展并超出下叶片前缘，这样叶片就能捕获更多的气泡，而其更加深陷的凹面能显著减少叶片背后的气穴形成，从而提高气液分散效率和气泛点，使搅拌器的气液分散效率得到显著提升。

径向流搅拌器的功率消耗既与搅拌转速、通气量、流体物性等条件有关，也与搅拌器的结构和安装条件有关。由于气穴现象的提出，使得径向流搅拌器的设计思路都往更凹陷的曲面发展。但有一个严重的问题是，在不增加叶片宽度的条件下采用更凹陷的叶片虽然能降低功耗，但径向排量性能也会大大降低。增加叶片宽度有利于改善其径向排量性能，但其外边缘顶点的直径远大于尾点的直径，使叶片在外边缘顶点区域产生极大的力矩和功率消耗，而对径向排量的贡献却很小。

发明内容

为解决上述问题，本发明采用了一种特殊的类似于扇环形状的凹面叶片结构，将桨叶设计在水平面上投影为扇环的形状。这样设计的叶片使传统桨叶宽度的增加变为本发明中桨叶弧长的增加，外边缘顶点的直径与尾点的直径相等，避免了桨叶外围产生多余的伸出部分，有效的改善了搅拌器的分散和混合性能。本发明采用桨叶的径向轮廓线是由凹形平面曲线沿圆柱面弯曲而得到的空间曲线，有利于气液两相在径向排出过程中实现高效分散。本发明的搅拌装置具有较低的功率消耗、较高的气液分散和混合性能，也极大的减小了气穴现象的发生，提高了气泛点，即在相同转速下可承受更高的通气量，增强了持气性能。

本发明提供了一种用于反应器中气液分散和混合的搅拌器装置；所述装置包含了搅拌叶轮、搅拌轴和动力装置三部分；搅拌叶轮包含若干个径向伸展的凹面叶片；凹面叶片的上、下部分在水平面上的投影形状为扇环，叶片的上面部分投影得到的扇环的弧度比下面部分得到的扇环的弧度大。

叶片的径向内侧边缘与径向外侧边缘都在以搅拌轴为中心的圆柱面上，两个圆柱面之间的半径差值为叶片的长度。以不同半径的圆柱面切割叶片，都可得到一条空间曲线，这些空间曲线称为径向轮廓线。径向轮廓线可以视为是由平面曲线沿圆柱面弯曲得到的，该平面曲线视为叶片的基本形状线。因此叶片的径向轮廓线在以搅拌轴为中心的圆柱面上。

叶片的基本形状线包括两个顶点和一个尾点。以圆盘平面为界，尾点和上顶点之间的部分为上部形状线，尾点和下顶点之间的部分为下部形状线，尾点在水平面上。这样就构成了上下分叉的、夹角为锐角的基本形状线。该基本形状线被弯曲成轮廓线后，轮廓线中的顶点、尾点等结构特征都是与基本形状线中的点相对应。

轮廓线上、下部分投影到水平面上得到两段圆弧。上部分轮廓线投影得到的弧长大于下部分，即上部分轮廓线投影得到的弧度大于下部分得到的弧度。