[发明专利]一种气液分散搅拌装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种气液分散搅拌装置，属于流体混合技术领域。

背景技术

气液分散广泛应用于通风发酵、生物曝气、气液反应和气液固反应等过程中。工程师们总是期望设计出一种既能将气体充分分散于液体中，又能节省功耗的搅拌器装置，而这种想法随着Rushton的设计而得以实现。

20世纪50年代，伴随着青霉素的大规模生产，由美国人Rushton设计的平直叶圆盘涡轮桨(又称Rushton搅拌器)获得广泛应用。这种搅拌器由一个轮毂将圆盘与搅拌轴相连，圆盘周围均布数片与圆盘垂直的平面叶片。该搅拌器的特点是剪切作用强、气液分散效果好。

Rushton搅拌器因其制作简易、分散效果好而广受欢迎。随着20世纪70年代Smith和Van’t提出“气穴理论”并设计出半圆管形叶片后，径向流涡轮搅拌器就朝着更深陷的凹面叶片发展。与此同时的有美国Chemineer公司的CD-6型桨。

至1998年，Bakker等设计出了非对称抛物线形桨(简称BT-6)并申请了专利。该叶片所采用抛物线在顶点附近的曲率半径更小，使叶片背后的“气穴”显著减少，同时其上下不对称的结构也更有利于捕获气泡，使气泛现象更不易于发生，从而大大增强了气液分散性能，并在工业上得到了广泛的应用。

尽管BT-6桨较Rushton搅拌器有了很大的进步，但其整体混合性能及分散效率仍未达到人们的要求，为此有必要设计一种功耗更低、效率更高的搅拌器。

发明内容

为了解决上述问题，本发明开发了一种高效的、低能耗的气液分散搅拌装置，包括搅拌器(圆盘、轮毂、叶片)、搅拌轴和动力装置，所述的搅拌器具有较低的功率准数、较好的混合性能及持气传质性能，应用于气液分散体系或气液固分散体系中。发明人通过实验发现，维持凹面叶片的轴向截面积不变可以维持其排液量基本不变。在此基础上，本发明将叶片从径向内侧往外侧逐渐伸展的过程中压缩其轴向高度，可以使其功耗明显减小，从而大大增大其排液效率及气液分散效率。

本发明的搅拌装置可应用于反应器中气液分散和混合过程，该装置包含搅拌轴、圆盘、轮毂和若干个径向压缩伸展的叶片。它具有分散效率高、能耗低的特点，叶片背后的气穴更小，气体分散更充分，且泛点也比目前工业应用的搅拌器更高。

所述的搅拌装置采用了上下不对称的凹形搅拌叶片。其主要特点是，叶片上部分在水平面上的投影面积比下部分大，即叶片的上部分要比下部分的切向更宽，从而产生一块突出部分，有利于捕获上升的气泡；与以往桨搅拌器都不同的是，叶片径向内侧剖面线上部分比下部分宽的多，而径向外侧上部与下部的宽度差逐渐减小，最终相等或趋于相等(上部与下部的宽度比为1.1:1～1:1.1)。非常重要的一点是，在这种变化的过程中，叶片轴向剖面的开口高度即迎液面高度逐渐减小，而剖面面积不变，从而保证了搅拌器的排量不发生明显变化。

因为叶片径向外侧对于捕获气泡的要求较低，但力矩较大，导致其功耗较大。所以本发明将传统的径向等高延伸变为了高度逐渐减小的延伸，但保持了叶片轴向剖面面积的恒定，从而在不影响其排量的情况下减小了功耗。不影响排量从而保证了其持气、分散和混合的效果，从而增加了单位功耗的搅拌效率。

通过优化得到，该搅拌器包含有一个水平的圆盘并且围绕圆周等距安装了多个径向压缩伸展的叶片。每个叶片都包括不对称的上下两部分，这两部分在圆盘所在的平面连接。对叶片迎液面轴向剖切得到的轮廓线为抛物线，上下两部分的抛物线可以是同一抛物线方程确定的，也可以是由不同抛物线方程确定的。在靠近搅拌轴部分的叶片上下部分宽度差最大，迎液面轴向高度最高；在远离搅拌轴径向伸展的过程中，迎液面高度逐渐缩小，同时上下部分的切向宽度同时增加，下部分增加的幅度比上部分快，最终达到上下部分的宽度相等或趋于相等，构成了靠近搅拌轴部分迎液面高度高、上下部分宽度差大，远离搅拌轴部分迎液面高度低、上下部分宽度差小的叶片形状。

另外，通过优化得到，在叶片任一径向位置的轴向剖面的轮廓线中，下部某一点到圆盘中心所在平面的距离与下部对应点到圆盘中心所在平面的距离相等，从而保证了叶片上下伸展的统一，以使搅拌过程中的流场相对稳定。