一种提高流体混合效果的喷气式射流搅拌桨

摘要

本发明公开了一种提高流体混合效果的喷气式射流搅拌桨。本发明的喷气式射流搅拌桨固定于搅拌轴下方；在桨叶的背水面及远离中心的位置分别布置有气体喷嘴。侧面气体喷嘴射流随搅拌轴旋转对流体主要起剪切作用，能有效破坏流场的混合隔离区；背面气体喷嘴射流方向与旋转方向一致，使得气相射流与液体流场激烈混合增强液体湍动程度，结合六斜叶涡轮搅拌桨轴流特征，能显著提升流体主体循环。与现有技术相比，此种气体射流方式能大大提升流体的扰动混乱，增强流场结构的不对称性从而破坏流场的混合隔离区，增大流体的混沌混合程度。

说明书

技术领域

本发明涉及搅拌桨领域，具体是一种提高流体混合效果的喷气式射流搅拌桨。

背景技术

机械搅拌反应器广泛应用于化工、石化、轻工、医药、冶金、水处理等行业中，其工作原理是通过搅拌桨的旋转向搅拌槽内混合体系输入机械能，强化反应过程的传热和传质，提高生产效率。

搅拌桨作为搅拌反应器的重要核心部件之一，它能够向流体给予所需的适宜能量，从而促使流场多尺度结构的演化、形成、位移及多尺度流场结构间能量和物质的传递，但搅拌反应器通过搅拌桨向流场输入的总机械量真正用于流体内部混合的不到5％，经常需要通过增大搅拌转速来达到所需的混合状态。因此，现有的搅拌桨需要改进。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高流体混合效果的喷气式射流搅拌桨。值得说明的是，传统刚性搅拌桨在流场中易形成混沌混合区与混合隔离区，且混沌混合区与混合隔离区之间存在着较为稳定的流场结构界面，流场结构之间没有充分混合，导致搅拌反应器内的流体混合效率较低。经过研究，射流搅拌时气泡群在液体内上升过程中所造成的液体湍动可促进液体的对流循环，使多尺度流场结构不稳定性增强，流场不对称性增强。射流搅拌可破坏流场中混合隔离区内外的结构界面，强化流体混沌混合行为，提高流体混合效果。因此，本发明的搅拌桨主要包括搅拌轴和若干涡轮桨叶。

所述搅拌轴为中空的柱体，其内部具有导气管道。所述搅拌轴上端连接动力装置和高压气体发生装置、下端具有桨叶安装盘。所述桨叶安装盘为中空圆盘，其上端连接搅拌轴，其内腔与搅拌轴的内腔连通，其下端密封其四周具有气孔。

若干所述涡轮桨叶连接在安装盘的四周。所述涡轮桨叶内部具有通气管道。所述通气管道的进气口与安装盘上的气孔对接。

所述涡轮桨叶的表面具有气体喷嘴I和气体喷嘴II。所述气体喷嘴I和气体喷嘴II均与涡轮桨叶内部的通气管道连通，是通气管道的喷气口。所述气体喷嘴I位于涡轮桨叶远离安装盘的端面。所述气体喷嘴II位于涡轮桨叶冲下的下表面。

进一步，所述涡轮桨叶是安装盘周围的斜叶。所述安装盘和涡轮桨叶组成斜叶涡轮搅拌桨。进一步，所述安装盘和涡轮桨叶组成六斜叶涡轮搅拌桨

进一步，所述涡轮桨叶是扁平的长方体状叶片，其中，长方体的两个面积最大面是涡轮桨叶冲下和冲上的表面，这个两个面与水平面的夹角为45°。

进一步，所述气体喷嘴I和气体喷嘴II的直径d＝2～5mm。

进一步，所述涡轮桨叶的长度为Q，d＝1/5～2/5×Q。

进一步，所述涡轮桨叶的厚度为D，d＝1/2×D。

进一步，所述桨叶安装盘直径为Φ，Φ＝5×Q。

值得说明的是，本发明技术在已有技术的基础上，进一步对搅拌桨的结构进行优化，提出喷气式射流搅拌桨，在搅拌轴及桨叶内部布置导气通道，在搅拌过程中利用气体喷嘴射出的气流强化流体混合。

与现有技术相比，本发明的喷气式射流搅拌桨中在桨叶远心处侧面及背面中心位置分别布置气体喷嘴。侧面气体喷嘴射流随搅拌轴旋转对流体主要起剪切作用，能有效破坏流场的混合隔离区。背面气体喷嘴射流方向与旋转方向一致，使得气相射流与液体流场激烈混合增强液体湍动程度，同时六斜叶涡轮桨为轴流桨，能提升流体主体循环，增大流体的混沌混合程度。

本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明具有以下优点：

本发明中的桨在旋转过程中，桨叶背面及侧面气体喷嘴的射流会提高流体的湍动程度，增强流场结构的不对称性达到破坏流场的混合隔离区，增大流体的混沌混合程度的目的。

附图说明

图1为本发明的喷气式射流搅拌桨的搅拌装置示意图；

图2为本发明的喷气式射流搅拌桨结构示意图；

图3作为对比的搅拌桨的结构示意图。

图4.搅拌桨附近气相分布示意图。a：六斜叶涡轮顺射流桨b：六斜叶涡轮逆射流桨

图5.XZ面速度云图。a：六斜叶涡轮顺射流桨b：六斜叶涡轮逆射流桨c：六斜叶涡轮桨。

图6.XY面速度云图。a：六斜叶涡轮顺射流桨b：六斜叶涡轮逆射流桨c：六斜叶涡轮桨。

图7.流场线图。a：六斜叶涡轮顺射流桨b：六斜叶涡轮逆射流桨c：六斜叶涡轮桨。

图中：电机(1)、搅拌轴(2)、桨叶安装盘(20)、搅拌槽(3)、涡轮桨叶(4)、气体喷嘴I(5)、气体喷嘴II(50)。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

参见图1，一种提高流体混合效果的喷气式射流搅拌桨(六斜叶涡轮逆射流桨)，其特征在于:主要包括搅拌轴2和六个涡轮桨叶4。

所述搅拌轴2为中空的柱体，其内部具有导气管道。所述搅拌轴2上端连接动力装置和高压气体发生装置、下端具有桨叶安装盘20。所述桨叶安装盘20为中空圆盘，其上端连接搅拌轴2，其内腔与搅拌轴2的内腔连通，其下端密封其四周具有气孔。

六个所述涡轮桨叶4连接在安装盘20的四周(可以采用焊接的方式)。所述涡轮桨叶4内部具有通气管道。所述通气管道的进气口与安装盘20上的气孔对接。高压气体发生装置(高压泵)向导气管道鼓入高压气体后，高压气体进入中空圆盘内部。所述安装盘20除了气孔外，其余部分均具有气密性。

所述涡轮桨叶4的表面具有气体喷嘴I5和气体喷嘴II50。所述气体喷嘴I5和气体喷嘴II50均与涡轮桨叶4内部的通气管道连通，气体喷嘴I5和气体喷嘴II50是通气管道的喷气口。所述气体喷嘴I5位于涡轮桨叶4远离安装盘20的端面。所述气体喷嘴II50位于涡轮桨叶4冲下的下表面(背水面)，即为六斜叶涡轮逆射流桨。

工作时，搅拌轴2下端进入盛有待搅拌物料的容器中，上端连接电机的转轴，由电机带动旋转。同时，导气管道接入高压气体，使得气体喷嘴I5和气体喷嘴II50喷气。

本实施例中在传统六斜叶涡轮搅拌桨的基础之上，分别在各桨叶远心处侧面及背面中心位置布置气体喷嘴，侧面气体喷嘴射流随搅拌轴旋转对流体主要起剪切作用，能有效破坏流场的混合隔离区。背面气体喷嘴射流方向与旋转方向一致，使得气相射流与液体流场激烈混合增强液体湍动程度，结合六斜叶涡轮桨轴流特征，能显著提升流体主体循环。与现有技术相比，此种气体射流方式能大大提高流体的湍动程度，增强流场结构的不对称性从而破坏流场的混合隔离区，增大流体的混沌混合程度。

实施例2：

本实施例主要结构同实施例1，进一步，所述涡轮桨叶4是安装盘20周围的斜叶。所述安装盘20和涡轮桨叶4组成斜叶涡轮搅拌桨。

所述涡轮桨叶4是扁平的长方体状叶片，其中，长方体的两个面积最大面是涡轮桨叶4冲下和冲上的表面，这个两个面与水平面的夹角为45°。桨叶旋转时，冲上的表面为迎水面，冲下的表面为背水面。当所述六斜叶涡轮搅拌桨4的桨叶倾斜角度过小，对流体剪切效果减弱，流体主体循环程度减小，混合效果变差；当所述六斜叶涡轮搅拌桨4的桨叶倾斜角度过大，对流体剪切效果过强，且射流与流体撞击剧烈，搅拌功耗显著增加。所述六斜叶涡轮搅拌桨4的桨叶倾斜角度为45°时能达到最佳混合效果及功耗水平。

所述气体喷嘴I5和气体喷嘴II50的直径d＝2～5mm。值得说明的是，当所述气体喷嘴5的直径过大，射流压力减小，流体湍动程度过大，搅拌功耗增大；当所述气体喷嘴5的直径过小，射流流量过小，流体湍动程度提升不大，混合效果不佳。当所述气体喷嘴5的直径d＝2～5mm，体系的混合效果较好。

所述涡轮桨叶4的长度为Q，d＝1/5～2/5×Q。当桨叶长度过长，气体喷嘴离搅拌桨圆盘涡轮过远，导致搅拌轴附近流体混合程度低，易形成混合隔离区；当桨叶长度过短，桨叶扰动流体能力减弱，导致流体湍动程度减小，对流场稳定结构破坏效果不佳，混合效果不好。当所述六斜叶涡轮搅拌桨4的桨叶长度为Q，d＝(1/5～2/5)×Q时，体系的混合效果较好。

所述涡轮桨叶4的厚度为D，d＝1/2×D。

所述桨叶安装盘20直径为Φ，Φ＝5×Q。

实施例3：

本实施例采用实施例2的六斜叶涡轮顺射流桨作为被试对象。所述被试对象为六斜叶涡轮逆射流桨，其中，气体喷嘴I5和气体喷嘴II50的直径d＝2mm，桨叶长度为Q＝10mm，桨叶厚度为D＝4mm，安装盘直径为Φ＝50mm。

作为对比，制作一个六斜叶涡轮顺射流桨。该搅拌桨与被试对象具有相同尺寸，但所述气体喷嘴II50不位于涡轮桨叶4冲下的下表面(背水面)，而是位于涡轮桨叶4冲上的上表面(迎水面)。

作为对比，制作一个如图3所示的六斜叶涡轮桨。该搅拌桨与被试对象具有相同尺寸，但不设置任何气体喷嘴。

所述搅拌轴2由电机1驱动，并伸入搅拌槽3中旋转。

所述搅拌槽3为一端敞口一端闭合的中空圆柱体槽；所述搅拌槽3的直径为0.19m，槽高为0.30m；

所述搅拌槽3内的溶液为清水，液体高度0.18m；

所述搅拌转速300rpm；

通过计算流体力学方法模拟，分别从气相分布、速度云图和流场线等角度表征不同搅拌桨对流体混合程度的提升性能。实验结果如图4、5、6、7所示。

从图4中可以看出，实施例2中的搅拌桨(逆射流桨)相比于顺射流桨而言搅拌桨下方气相分布更为均匀并未呈现分离的状态，且流体速度整体更大，这是由于实施例1中的搅拌桨桨叶面空气喷嘴位于叶面背后，搅拌桨顺时针旋转时气相与液相激烈混合使得气相分散更为均匀从而提升流体湍动效果更好。

由图5、6不同位置速度云图中可以看出，气相射流强化搅拌体系相比于传统的搅拌体系而言对流体整体速度提升更大。同时，实施例1中的搅拌桨相比于顺射流桨而言强化效果明显更优。背面气体射流与侧面气体射流起正向耦合效果，能起到改变流场结构，增大流体湍动程度的作用。

同时，通过图7的流场线图也可证实实施例2中的搅拌桨可促进流场不对称结构的产生，这有助于混合隔离区的消除。