CN110869112B

CN110869112B - 混合设备和操作方法

Info

Publication number: CN110869112B
Application number: CN201880045686.2A
Authority: CN
Inventors: 吴杰; 本·阮; 迪安·哈里斯; 拉克兰·格雷厄姆
Original assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Current assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Priority date: 2017-07-17
Filing date: 2018-07-17
Publication date: 2021-11-26
Anticipated expiration: 2038-07-17
Also published as: WO2019014709A1; US20200230559A1; BR112020001148A2; AU2018303332B2; US12053749B2; AU2018303332A1; CN110869112A

Abstract

一种用于混合含有颗粒(106、108)的液体(160)的设备(100)，该设备包括：容器(102)，其用于容纳液体(160)，该容器包括侧壁(120)和底部(124)；以及叶轮(300)，其围绕大体上竖直的轴线(X‑X)旋转，所述叶轮(104)：适于以约为液体高度(129)的十分之一至二分之一的距离沉浸在液面(162)下方；并且包括环形地间隔开的至少两个叶片(310)，叶片从竖直轴线(X‑X)径向向外延伸，叶片(310)包括大体平行于竖直轴线(X‑X)倾斜的后掠叶片，每个叶片(310)的长度的至少50％包括延伸经过20度至60度弦角的成角度区段(312)；以产生(a)沿着所述竖直轴线(X‑X)定位的内部的向上流动区域(164)，(b)围绕叶轮(300)定位的过渡流动区域(166)，在过渡流动区域中，液体朝向容器侧壁(120)径向向外运动，以及(c)沿着侧壁(120)定位的外部的向下流动区域(168)。

Description

混合设备和操作方法

交叉引用

本申请要求于2017年7月17日提交的第2017902787号澳大利亚临时专利申请的优先权，其内容应理解为通过引用并入本说明书中。

技术领域

本发明总体上涉及用于混合液体或将液体与颗粒混合以形成浆料和类似物的设备以及该设备的操作方法。本发明的设备适用于将一种液体与另一种液体混合或者将液体与颗粒混合，以形成均匀悬浮液以及并非所有颗粒都完全悬浮的混合物二者。本发明旨在用于在混合期间不期望并且避免从液面夹带气体的应用。

发明背景

以下讨论的关于本发明的背景旨在促进对本发明的理解。然而，应当理解，该讨论不是认可或承认提到的任意材料在本申请的优先权日被公布、已知或是公知常识的一部分。

应当理解，本发明的用于混合的设备在各种各样的工业过程中具有多种应用。一种这样的应用是用于从过饱和溶液中沉淀晶体的搅拌沉淀器。这种类型的沉淀器在许多工业过程中使用。下文将参照该应用具体地描述本发明，但容易理解的是，本发明的范围不限于该特定应用。

工作容积在1000m³至5000m³范围内的大型罐在矿物加工业中使用，以提供进料储存和各种连续的湿法冶金单元操作，例如浸出(浸提)、沉淀、吸附、氧化、尾矿洗涤和中和。通常，具有单个或多个叶轮的长轴在具有竖直挡板的罐中使用，以提供固体的悬浮和混合。在一些应用中，使用导流管搅拌器(draft tube agitators)或空气提升管。

通常，导流管机械混合器通过在管的内部具有到达混合容器的深处的泵送叶轮来提供悬浮固体颗粒的竖直循环。容器通常配备有挡板(baffles)，以防止在容器的壁上结垢。然而，这些挡板可以抑制或阻止容器内部的液体的旋转。即使在容器壁的内部上有挡板，沉淀物也可能最终在挡板和容器壁上积聚。这种积聚可能需要容器被定期地关停，以用于清除沉淀沉积物。

还可以使用具有长叶轮轴的混合器，这些长叶轮轴使叶轮叶片远低于液面沉浸。这些混合器通常引入具有小径向速度分量的主导的旋流流动(swirling flow)，从而降低在容器壁处结垢的倾向。然而，由于容器中心的低湍流，晶体可能沉淀在缓慢旋转的叶轮轴和叶轮叶片上。这种积聚可能需要容器被定期地关停，以去除叶轮组件上的沉淀沉积物。

在这两种类型的容器中，由于固体沉降在罐底部导致的沉积积累可以导致搅拌器停止运转。结垢的形成经常导致沉积积聚的增加，因为固体通过沉淀物被“粘接”在一起形成大块；罐壁附近的沉积物和缓慢移动的固体导致结垢体积极大地增加。清除沉积物和结垢块需要相当多的罐关停时间和费用。

第6,467,947号美国专利描述了另一种混合液体和固体的方法(作为“旋流流动”混合器已知)。这种混合设备包含短的叶轮轴和径向的叶轮叶片，其中叶轮叶片邻近液面定位。叶轮叶片的旋转运动在容器中引起旋流运动，从而允许固体颗粒悬浮。

第20090238033A1号美国专利公开教导了对US6,467,947的改进，其中使用了改进的轴向的叶轮设计，该轴向的叶轮设计具有叶轮叶片，这些叶轮叶片与垂直于叶轮组件旋转轴线的平面成约30度至75度的角度倾斜(pitch)，以在轴向方向和径向方向上使流体和气体移动。叶轮还具有(朝向叶轮组件的旋转轴线旋转的)30度至75度的倾角。叶片设计有助于在液体中产生旋流流动模式。

申请人已经发现，US6,467,947和US20090238033A1中描述的旋流流动混合设备的操作可能是困难的，尤其是在启动时。在旋流流动搅拌器启动期间，叶轮在液体中经受非常高的阻力，以在液体中形成必要的旋流流动的运动。这导致非常高的启动扭矩。因此，US6,467,947和US20090238033A1中教导的叶轮设计需要高初始功耗。当用于大型罐时，对于这些类型的旋流流动混合设备来说，如此高的启动功耗有时是不经济的，原因在于针对系统的启动要求，马达和电气系统需要被过度设计2到3倍。

因此，希望提供一种改进的混合设备和/或操作所述混合设备的方法，其降低旋流流动型搅拌器的启动功率的要求。

发明概述

本发明使用以下至少一种：新型叶轮设计；液体性质控制；或液位控制来减小旋流流动型混合设备的叶轮的启动扭矩。减小启动扭矩的目的是允许旋流流动型混合器/搅拌器使用正常大小的马达容量启动，以驱动该混合设备的叶轮。

本发明的第一方面提供了一种用于混合含有颗粒的液体的设备，该设备包括：

容器，该容器用于容纳液体，该容器包括侧壁和底部；和

叶轮，该叶轮围绕大体上竖直的轴线旋转，所述叶轮：

·适于以约为液体高度的十分之一至二分之一的距离沉浸在液面的下方；以及

·包括环形地间隔开的至少两个叶片，这些叶片从竖直轴线径向向外延伸，这些叶片包括大体平行于竖直轴线倾斜的后掠叶片(back-swept blade)，每个叶片的长度的至少50％包括延伸经过20度至60度弦角的成角度区段；

以产生(a)沿着所述竖直轴线定位的内部的向上流动区域，(b)围绕叶轮定位的过渡流动区域，在该过渡流动区域中，液体朝向容器的侧壁径向向外运动，以及(c)沿着侧壁定位的外部的向下流动区域。

本发明提供了一种设计解决方案，以允许旋流流动混合技术在大型罐中操作，例如矿物加工罐。本发明的该第一方面提供了一种新型的旋流流动叶轮构型，该旋流流动叶轮构型被设计成减小旋流流动型混合设备的叶轮的启动扭矩。

当搅拌器简单地从零开启到设计速度时，叶片上的成角度区段被设计成在启动期间的初始时刻减小对叶片的流动冲击角。每个叶片的长度的至少50％包括成角度区段。因此，成角度区段可以包括叶片的长度的50％至100％。在实施方式中，成角度区段包括叶片的长度的至少60％，优选至少70％，更优选至少80％。在一些实施方式中，成角度区段包括叶片的长度的70％至100％，优选75％至100％。

应该理解的是，弦角是从竖直轴线延伸穿过叶片的靠近竖直轴线的起始点的径向线与从竖直轴线延伸到叶片的远端点的另一个径向线之间的角度。弦角定义了叶片围绕以叶片的起始点为中心的圆从该起始点到叶片的端点经过的角度。

成角度区段可以具有多种构型。在实施方式中，叶片的成角度区段沿着以下项中的至少一项延伸：

20度至60度弦角的弦弧上的曲线；或者

延伸经过20度至60度弦角的线性平面。

在成角度区段是线性平面的实施方式中，成角度区段包括延伸经过弦角的线性的长形主体，例如板、片、杆、条、辐条或棒。

在成角度区段是弯曲的实施方式中，该曲线是具有20度至60度弦角的弦弧。在一些实施方式中，叶轮的叶片优选在30度弦角的弦弧上弯曲。在其他实施方式中，叶轮的叶片优选在60度弦角的弦弧上弯曲。然而，应当理解，20度至60度内的其他弦角是可行的。应注意，在一些实施方式中，叶轮的叶片优选在弦弧上弯曲，其中理想的曲率半径在叶轮的直径的0.25至0.4，优选0.30至0.35的范围内。因此，叶片的高度以与容器的竖直轴线平行的方式对齐。还优选的是，叶轮的弯曲叶片具有通过所述叶片被附接到所述基盘的大体上恒定的高度和大体上恒定的厚度。此外，叶轮的每个叶片优选具有相同的长度和构型。

叶片包括后掠叶片，这些后掠叶片大体上平行于竖直轴线倾斜。应当理解，“大体上平行”是指叶片的倾斜可能与平行于中心竖直轴线X-X具有一些微小的变化，例如+或-约5度，而不存在对叶轮的功能的任何显著的改变。

叶片围绕竖直轴线环形地间隔开，并且优选地围绕竖直轴线相等地间隔开。叶轮包括环形地间隔开的至少两个叶片。叶轮的实施方式包括2、3、4、5或6个叶片。优选的实施方式包括4个相等地隔开的叶片。

叶片适于以约为液体高度的十分之一至二分之一的距离沉浸在液面的下方。在优选的实施方式中，叶片适于以约为液体高度的四分之一至二分之一的距离沉浸在液面的下方。应当理解，叶轮被沉浸在液位下方一小段距离，例如在一些实施方式中为叶轮直径的二分之一(例如，对于直径为3m的转子而言，沉浸深度为1m至1.5m)。对于一些应用而言有利的是，利用更长的轴将转子安装在罐液体高度的中间。例如，对于30m的液位，叶轮被安装在15m的沉浸深度处。与更短长度的轴相比，这种更深的设计将具有更高的成本，但是这种更深的设计可以在更低的功率下提供更好的离底的固体悬浮。

优选地，叶片被构造成在靠近竖直轴线的安装点与叶轮外直径(outer impellerdiameter)之间延伸，叶轮外直径为容器的侧壁的直径的1/4至3/4。优选地，叶轮适于以约为液体高度的三分之一的距离沉浸在液面的下方。

在一些实施方式中，叶片进一步包括径向延伸部，该径向延伸部从竖直轴线径向向外延伸至成角度区段，径向延伸部占叶片的长度小于50％。优选地，径向延伸部从靠近竖直轴线的安装点延伸至成角度区段。随后，成角度区段从径向延伸部的端部延伸至叶轮外直径。优选地，径向延伸部沿着从竖直轴线径向向外延伸的线性平面延伸。径向延伸部可以包括长形的线性主体，该长形的线性主体包括但不限于板、片、杆、棒、带、辐条。

径向延伸部占叶片的长度小于50％。在一些实施方式中，径向延伸部占叶片的长度小于40％，优选地占叶片的长度小于30％，并且更优选地占叶片的长度小于20％。在特定的实施方式中，径向延伸部占叶片的长度的5％至50％，优选地叶片的长度的10％至40％。在一些实施方式中，叶片不包括径向延伸部。

优选地，叶轮仅在容器的中心区域中运行。在实施方式中，叶轮的叶片从围绕中心轴线旋转的中心轮毂延伸。优选地，中心轮毂包括与用于旋转叶轮的轴连接的连接件。优选地。至少两个叶片还被连接到中心轮毂并且从中心轮毂向外延伸。中心轮毂可以具有任意期望的构型。在一个形式中，中心轮毂是圆柱形的。

可以选择用于引导流动的叶轮的旋转速度，以获得期望的流动速度。在实施方式中，外部流动(并且更优选地，邻近容纳壁(边界层外部)的液体流动)的液体速度在约0.3m/s和1m/s之间。最优选地，该速度大于0.5m/s。优选地，内部流动中的最大液体流动切向速度为外部流动的液体流动速度的约3倍。

同样，使用本发明的叶轮设计减少了设备启动时叶轮或转子的功耗。在实施方式中，叶轮的输入功率小于被公开用于旋流流动的产生的现有叶轮设计(特别是US6,467,947和US20090238033A1中教导的)所经受的启动功率的50％。

容器可以包括任何合适的流体容纳储器或罐。在实施方式中，容器包括罐。可以使用各种罐构型。在实施方式中，罐包括圆柱形的罐。在实施方式中，罐可以具有5m至20m的直径，优选地在直径方面为10m至15m。同样优选地，罐在高度方面为10m至40m，更优选在高度方面为20m至30m。每个罐的容积通常为2000m³至5000m³。在容器中的停留时间被选择成确保液体和固体的良好混合。在实施方式中，进料的停留时间在5小时与48小时之间。在一些实施方式中，侧壁的范围(即，罐高度)优选为罐直径的1至4倍，更优选为罐直径的1至3倍。然而，应该理解，在其他实施方式中，对于特定的应用，容器侧壁的高度与容器直径的比可以大于3。应当理解，液体高度可以非常接近侧壁(罐)的高度。

在实施方式中，容器包括上部端部和下部端部并且包括在上部端部和下部端部之间延伸的大致圆柱形的容纳侧壁。

应当理解，在容器的液体中产生的旋流流动包括通过容器的稳定的旋流流动，其特征在于：(i)适中旋转流动的外部环形区域，该适中旋转流动邻近容纳壁围绕所述竖直轴线从上部端部朝向下部端部运动(即，向下流动区域)，以便在容纳侧壁上保持连续流动的液体，(ii)围绕叶轮定位的过渡流动区域，在该过渡流动区域中，液体朝向容器的侧壁径向向外运动，以及(iii)快速旋转流动的内芯区域，该快速旋转流动围绕所述轴线围绕容器的中心区域从下部端部朝向上部端部运动(即，向上流动区域)，并且该内芯区域从大体上邻近容器的下部端部延伸至叶轮。

在特定的实施方式中，本发明应用于容器的高度等于或大于容器的直径的容器。已经发现，本发明在高度为直径1至4倍的容器中提供令人满意的混合。在一些实施方式中，容器侧壁的高度与容器直径的比至少为3。许多现有技术的混合装置不能在这些构型中提供令人满意的混合。

优选地，容器具有圆形的横截面。在本发明的一个形式中，容器包括大致圆锥形的底部。这种圆锥形的基部区段朝向容器的下部端部连结容纳壁。在特定的实施方式中，容器的底部是圆锥形的并且具有至少45度的斜面。在另一个形式中，容器包括大大致平坦的基部。

本发明的实施方式可以进一步包括气体分配器，以用于在启动过程期间将气体(优选地空气)引入到液体中。气体分配器可以具有各种形式。在一些实施方式中，气体分配器包括被定位在容器的基部处的气体喷枪。在实施方式中，例如对于浆料，容器可以进一步包括一个或更多个空气喷射装置。

在实施方式中，叶轮的旋转可以由软启动器或变速驱动器驱动。软启动器或变速驱动器的使用能够在启动时控制叶轮的旋转，使得叶轮(以及由此导致的旋流流动)能够以低速启动，并且随后在一段时间内(例如1分钟至10分钟)斜坡式上升至设计速度。在一些实施方式中，叶轮是变速的，使得流动能够夹带在液体中具有直至约每分钟30cm的沉降速度的固体颗粒，并且叶轮的速度被选择成使得具有期望的沉降速度的颗粒能够沉降到容器的底部。

一些实施方式可以包括用于向驱动叶轮旋转的马达供电的附加电源。在这些实施方式中，可以使用容量是电力容量的2至4倍的大型移动电力(例如，柴油)发电机，以避免启动功率限制。这既可以被安装为永久性的改装，还可以作为临时性的安装，其中存在电气连接机构，使得罐在启动时可以由该单元临时地供电。在通过有目的地改型的电连接器的一些切换动作之后，可以关闭移动单元并且开启“正常的”马达。

使用多个并行运行的容器(罐)可以允许连续运行。

在一个具体应用中，本发明提供了一种包括本发明的第一方面的设备的沉淀器。优选地，沉淀器的输入功率小于20W/m³。低至7W/m³或8W/m³的功率输入可以保持悬浮和混合性能。

本发明的第二方面提供一种混合液体的方法，该方法包括以下步骤：

在容器中提供液体，该容器具有上部端部、下部端部以及在上部端部与下部端部之间延伸的大体圆柱形的容纳壁；

提供围绕大体上竖直的轴线旋转的叶轮，所述叶轮包括环形地间隔开的至少两个叶片，叶片从竖直轴线径向向外延伸，叶片包括大体平行于竖直轴线倾斜的后掠叶片，每个叶片的长度的至少50％包括成角度区段，该成角度区段延伸经过20度至60度的弦角；叶片被沉浸在所述液体中，以达到位于从所述上部端部到所述下部端部的距离的约为十分之一至二分之一的位置；以及

利用叶轮在液体中产生流动，所述流动包括(a)沿着所述竖直轴线从下部端部朝向上部端部运动的内部流动，(b)从叶轮朝向容纳壁的向外流动，以及(c)沿着容纳壁从上部端部朝向下部端部运动的外部流动。

根据本发明的第二方面的混合液体的方法可以使用根据本发明的第一方面的设备。因此，应该理解，本发明的第一方面的上述公开等同地适用于本发明的该第二方面。

本发明的第三方面提供了一种启动根据本发明的第一方面的设备的方法，所述启动方法包括：

以低于浸没叶轮的液位向容器中提供液体；

向容器中提供液体以浸没叶轮；以及

启动叶轮围绕大体上竖直的轴线的旋转；

其中在叶轮启动时，通过以下项中的至少一项减小叶轮周围的液体的密度：

a)在启动叶轮旋转期间，将气体流引入液体持续一段时间；

b)在启动叶轮旋转之前，以低于浸没叶轮的液位向容器中提供液体；并且随后接着向容器中提供进一步的液体，以逐渐地浸没叶轮，从而在液体中形成旋流流动；或者

c)在启动叶轮旋转之前，将粘度改性添加剂引入到液体中，以增加液体的粘度，

从而在液体中形成旋流流动，该旋流流动包括(a)沿着所述竖直轴线定位的内部的向上流动区域，(b)围绕叶轮定位的过渡流动区域，在该过渡流动区域中，液体朝向容器的侧壁径向向外移动，以及(c)沿着侧壁定位的外部的向下流动区域。

在本发明的该第三方面中，叶轮经受(即，被浸没在其中)的液体的性质被改性以用于启动，例如通过降低液位，或者通过引入气泡或粘度改性剂，以便减小叶轮上的扭矩负载，并且因此辅助混合设备的启动。

在容器中的液位被设置成低于叶轮的实施方式中，在充分形成旋流流动之后，容器中的液位优选逐渐增加回到容器中所期望的液位。液体的逐渐引入可以在特定的时间框架内缓慢地或逐步地发生。例如，在一些实施方式中，容器被逐渐地填充液体持续可以为10分钟至10小时，优选20分钟至5小时，更优选1小时至4小时的范围内的持续时间。液体的粘度还可以通过用不含固体的液体来填充容器被改性，以用于启动。

在引入气体流的实施方式中，优选地使用气体分配器引入气体流。该气体分配器可以具有任何合适的形式。在一些实施方式中，气体分配器包括被定位在容器的基部处或靠近该基部的空气喷枪。在其他实施方式中，气体分配器包括空气喷射装置。优选地，气体流在启动叶轮旋转之前被引入到液体中。

在向液体中加入粘度改性剂的实施方式中，粘度改性添加剂优选以50ppm至100ppm的浓度加入。根据被引入到容器中的液体的成分可以加入各种粘度改性添加剂。在实施方式中，粘度改性添加剂包括聚羧乙烯聚合物(Carpobol polymer)或羧甲基纤维素(CMC)、活性凝胶(来自活性矿物质)。然而，应该理解，可以使用其他粘度改性添加剂。应当理解，一旦充分形成旋流流动，则在旋流流动后将生产液体供给到容器中。

本发明的第四方面提供了一种启动根据本发明的第一方面的设备的方法，所述启动方法包括：

以低于浸没叶轮的液位向容器中提供液体；

启动叶轮围绕大体上竖直的轴线的旋转；

向容器中提供进一步的液体，以逐渐地浸没叶轮，从而在液体中形成旋流流动，该旋流流动包括(a)沿着所述竖直轴线定位的内部的向上流动区域，(b)围绕叶轮定位的过渡流动区域，在该过渡流动区域中，液体朝向容器的侧壁径向向外运动，以及(c)沿着侧壁定位的外部的向下流动区域。

在本发明的该第四方面中，当容器中的液位低于容器中的叶轮高度时，搅拌器马达被启动。液位被逐渐地增加以浸没叶轮并且随后在充分形成旋流流动后位于叶轮的上方。

在充分形成旋流流动之后，容器中的液位优选地逐渐增加回到容器中所期望的液位。液体的逐渐引入可以在特定的时间框架内缓慢地或逐步地发生。例如，在一些实施方式中，容器被逐渐地填充液体持续可以为10分钟至10小时，优选20分钟至5小时，更优选1小时至4小时的持续时间。

液体的粘度还可以通过用不含固体的液体填充容器进行改性，以用于启动。合适的不含固体的液体的实例包括用于氧化铝精炼装置中的罐清洗操作的热苛性液体(hotcaustic liquid)或液化酸。一旦建立旋流流动(在马达处具有稳定的电流读数)，工作生产用浆料流(含固体)就可以被供给到罐中。

如果需要，在启动叶轮旋转期间，可以将气体流(优选地空气)引入液体持续一段时间。类似地，如果需要，可以在启动叶轮旋转之前向液体中加入粘度改性添加剂，以增加液体的粘度。这两个附加步骤均有助于对叶轮所经受的液体的性质进行改性，以用于启动。

在向液体中加入粘度改性剂的实施方式中，粘度改性添加剂优选以50ppm至100ppm的浓度加入。根据被引入到容器中的液体的成分可以添加各种粘度改性添加剂。在实施方式中，粘度改性添加剂包括聚羧乙烯聚合物或羧甲基纤维素(CMC)、活性凝胶(来自活性矿物质)。然而，应该理解，可以使用其他粘度改性添加剂。应当理解，一旦充分形成旋流流动，则在旋流流动后将生产液体供给到容器中。

应当理解，在充分形成旋流流动之后，例如一旦旋流流动处于稳态运动，则生产液体被供给到容器中。添加剂效应将在一定的时间后消失，不会对加工罐车中的生产产生任何长期的影响。

本发明的第五方面提供了一种启动根据本发明的第一方面的设备的方法，所述启动方法包括：

向容器中提供液体以浸没叶轮；

启动叶轮围绕大体上竖直的轴线的旋转；

在启动叶轮旋转期间，将气体流引入液体持续一段时间，以在液体中形成旋流流动，该旋流流动包括(a)沿着所述竖直轴线定位的内部的向上流动区域，(b)围绕叶轮定位的过渡流动区域，在该过渡流动区域中，液体朝向容器的侧壁径向向外运动，以及(c)沿着侧壁定位的外部的向下流动区域。

在本发明的该第五方面中，可以使用气体分配器，以在启动时期期间将气体流(例如，空气、氮气等)引入到液体中。气体被注入到液体中，直到在液体中充分形成旋流流动。

优选地，气体流使用气体分配器被引入。该气体分配器可以具有任何合适的形式。在一些实施方式中，气体分配器包括被定位在容器的基部处或靠近该基部的空气喷枪。在其他实施方式中，气体分配器包括空气喷射装置。优选地，气体流在启动叶轮旋转之前被引入到液体中。

本发明的第六方面提供了一种启动根据本发明的第一方面的设备的方法，所述启动方法包括：

向容器中提供液体以浸没叶轮；

向液体中引入粘度改性添加剂以增加液体的粘度；

启动叶轮围绕大体上竖直的轴线的旋转；

从而在液体中形成旋流流动，该旋流流动包括(a)沿着所述竖直轴线定位的内部的向上流动区域，(b)围绕叶轮定位的过渡流动区域，在该过渡流动区域中，液体朝向容器的侧壁径向向外运动，以及(c)沿着侧壁定位的外部的向下流动区域。

在本发明的该第六方面，粘度改性添加剂的引入导致粘度的增加，从而在大多数应用中产生流动温和的层流(与湍流相反)。少的、最佳的量将减小叶轮上的初始扭矩负载。

应当理解，粘度改性添加剂的最佳剂量取决于容器中的液体或浆料的成分。尽管如此，在一些实施方式中，粘度改性添加剂优选以50ppm至100ppm的浓度加入。根据被引入到容器中的液体的成分，可以加入各种粘度改性添加剂。在实施方式中，粘度改性添加剂包括聚羧乙烯聚合物或羧甲基纤维素(CMC)、活性凝胶(来自活性矿物质)。同样地，应该理解，可以使用其他粘度改性添加剂。

本发明的第七方面提供了一种叶轮，该叶轮用于改装到用于容纳和混合含有颗粒的液体的容器中，该容器包括侧壁和底部；叶轮包括环形地间隔开的至少两个叶片，叶片从竖直轴线径向向外延伸，叶片包括大体平行于竖直轴线倾斜的后掠叶片，每个叶片的长度的至少50％包括延伸经过20度至60度弦角的成角度区段；

其中叶轮被改装到容器中以：

·围绕大体上竖直的轴线旋转；

·以约为液体高度的十分之一至二分之一的距离被沉浸在液面的下方；并且

·以产生(a)沿着所述竖直轴线定位的内部的向上流动区域，(b)围绕叶轮定位的过渡流动区域，在该过渡流动区域中，液体朝向容器的侧壁径向向外运动，以及(c)沿着侧壁定位的外部的向下流动区域。

应当理解，本发明的该第七方面的叶轮可以被改装到容器中，以形成本发明的第一方面中所描述的设备。应当理解，针对本发明的第一方面所描述的特征等同地适用于本发明的第七方面。

应当理解，旋流流动混合/搅拌器技术为通常在采矿和矿物加工中使用的大型罐中的沉积物/结垢物积聚的问题提供了节能的解决方案。与传统的搅拌器系统相比，该技术允许更低成本改装和未开发的搅拌器系统的新型设计。

还应当理解，旋流流动技术，包括本发明的旋流流动型混合设备，为以下问题提供了解决方案：

·减少罐的运行时间的存量或结垢物/沉积物的积聚或搅拌器的过早失效。旋流流动模式通过在侧壁上具有更高的流动速度来减少并且优选地防止结垢物和沉积物在罐中的积聚。

·断电或由于快速沉降/胶结的材料与搅拌器相互作用的停止运转事件后重新启动的问题。旋流流动搅拌器通常被定位在罐的上部部分(上半部)中，从而避免这样的沉降材料。关闭后沉降在容器的底部处的固体材料利用由旋流流动搅拌器产生的流动模式更容易重新悬浮。

·提取率较低，或由于混合不良导致的化学物质的过度消耗。与传统搅拌器相比，旋流流动搅拌器提供了一种混合良好的液体，具有良好的颗粒悬浮性和更好的固体分散性。

·叶轮叶片上的磨损。由于最大尖端速度更低，因此旋流流动搅拌器与传统搅拌器相比具有较少的腐蚀。

·气体喷射操作中常见的长悬臂轴失效。与传统的气体喷射器相比，旋流流动搅拌器具有更短的搅拌器轴，这可以减小弯曲应力，从而避免机械失效。

·更换损坏的搅拌器系统的高资本成本。旋流流动系统通常是传统系统的成本的1/3。

·由于在传统搅拌器系统中使用的挡板的运动(由于腐蚀损坏)而导致的罐衬里材料的损坏。旋流流动搅拌器不包括大数量的挡板。

本发明的方法和设备与现有技术混合器之间的显著区别在于有意地产生旋流流动或旋转流动。在现有技术的装置中，这种流动被认为是不希望的，并且已经使用挡板来防止这种流动的建立。另外，根据本发明，叶轮被沉浸在液体中(即，低于液面)。这防止了从液面中不期望的气体夹带。沉浸式机械旋转还防止在液面上的波浪或“晃动(sloshing)”。

附图简述

现在将参考附图中的图描述本发明，附图示出了本发明的具体优选的实施方式，其中：

图1是用于混合的设备的示意图，示出了液体流动区域的取向。

图2是图1的设备的另一个示意图，示出了液体流动区域内的颗粒运动。

图3提供了在本发明的实施方式中使用的叶轮的(a)透视图；(b)俯视图；和(c)侧视图。

图3A示出了两个替代的叶轮实施方式300A和300B。

图4提供了使用现有技术叶轮的旋流流动混合设备和使用图3所示叶轮的旋流流动混合设备的扭矩(Nm)对时间的比较图。

图5提供了便携式发电机装置的示意图，该便携式发电机装置可以被联接到旋流流动搅拌器，以提供用于启动的额外功率需要。

详细描述

本发明提供了一种新型叶轮设计和相关的操作方法，以减小旋流流动型混合设备的叶轮的启动扭矩。减小启动扭矩的目的是允许旋流流动型混合器/搅拌器使用正常大小的马达容量来启动，以驱动该混合设备的叶轮。

旋流流动混合和沉淀背后的概念是，除了固体悬浮液的竖直速度分量之外，旋流流动还使用大的水平速度来增加容器壁上的总速度。这导致结垢抑制能力的提高。在旋流流动型混合设备中，容器的顶部附近的径向流动叶轮沿容器的竖直轴线吸入浆料，并且以大的切向速度分量径向向外排放浆料，同时还赋予大的旋流速度(见图1和图2)。当浆料到达容器壁时，浆料改变方向并且沿着容器壁螺旋下降。在到达容器底部时，浆料朝向容器的轴线螺旋式运动。在这样做时，旋流速度由于角动量守恒(角动量守恒要求切向速度和半径的乘积保持恒定)而增加。随后，快速旋流的浆料沿着容器轴线上升并且进入搅拌器。应注意，没有使用导向叶或流动矫直器(flow straighteners)。沿着容器壁产生的高的浆料速度导致结垢速率降低，这通过其对容器体积和操作因素的影响来提高性能。

旋流流动沉淀通过增加操作因素和容器体积来提高产量，并且低的转换成本使得其相比更换损坏的导流管是优选的选项。搅拌器具有卓越的再悬浮能力，这允许容易地从电源中断中恢复。必须小心优化循环持续时间。

矿物加工业中使用的具有旋流流动叶轮设施的浆料罐通常具有5m至20m的罐直径以及10m至40m的罐高度。这种罐中的浆料质量非常大，通常每个罐中有500万至1000万吨。为了有效地混合固体(通常在5μm至5mm的范围内，矿石或产物的颗粒具有在约1-8的范围内的比重(SG)，但通常SG在约2-5内)并且使这些固体悬浮，浆料混合物在旋流流动叶轮的作用下缓慢地旋流。应当理解，在该上下文中的比重定义了与在4℃和1atm下等体积水的密度相比液体或固体的密度。在正常的工厂条件下，这种旋流流动搅拌罐可以不中断地连续运行6个月至2年，其中在典型的加工罐车中，浆料产物流从第一罐朝向最后一个罐流动。

旋流流动容器/罐中的叶轮的运动可能出于多种原因而停止，例如由于电源故障、或装置失效(例如，齿轮箱损坏)或下游装置停止(例如，分类器)和其他事件。对于除垢或沉积清除的例行关闭，也需要停止。

在这些更大的罐中，从静止的浆料/液体(有时为固体沉降)中重新启动旋流流动叶轮可能是困难的。在现有技术的旋流流动罐中发现，马达处的功耗通常超过极限，这可能导致电源(例如额定200安培至300安培)的跳闸，并且因此具有高的电气损坏风险。

虽然不希望受到任何一种理论的限制，但发明人惊奇地发现，这种初始的高功耗与旋流流动容器的启动过程期间在叶轮的叶片上的液体流动冲击角有关。这导致搅拌器轴系统的非常高的初始扭矩负载(有时是稳态扭矩负载的2倍至3倍)，从而导致高功耗。

如图4中扭矩对时间的测量所示，对于现有技术装置(与第6,467,947号美国专利中教导的旋流流动容器构造相关)和根据本发明的实施方式的旋流流动容器，当浆料混合物在达到设计稳态之后完全处于旋流流动的运动时，高的初始扭矩逐渐消失，原因在于对叶片的相对流动冲击角被显著地减小。最终稳态功率可以小到初始峰值扭矩的1/3(同样如图4所示)。

发明人发现，该高的启动扭矩问题可以通过两种途径得以解决：

1)当搅拌器简单地从零开启到设计速度时，在启动期间的初始时刻减小对叶片的流动冲击角；和/或

2)降低叶轮在启动时经受的浆料密度，例如通过降低液位或引入气泡。

对于减小冲击角的第一种途径，已经为发明了一种新型的用于旋流流动搅拌器的叶轮设计，该旋流搅拌器包含后掠叶片。

在图3中示出了这种新型的叶轮设计的一个实施方式。参考图3，叶轮300包括四个环形地且相等地间隔开的叶片310，这些叶片310从围绕中心竖直轴线X-X旋转的中心轮毂315(相对于中心竖直轴线X-X)径向向外延伸。虽然在所示实施方式中示出了四个叶片310，但是应当理解，叶轮300可以具有围绕中心竖直轴线X-X相等地间隔开的不同数量的叶片310，例如两个、三个，五个或六个叶片310。每个叶片310包括径向弯曲的后掠元件，该后掠元件在相对于中心竖直轴线X-X的20度至60度的弦角α的弦弧上弯曲(该后掠元件形成该叶片310的成角度区段313)。在图示的实施方式中，弦弧具有30度的弦角α。然而，应当理解，对于每个叶片310的弦弧，其他弦角α也是可行的。如图3所示，弦角α是从中心竖直轴线X-X延伸穿过叶片310的附接点(起始点)317的径向线(半径e)与从中心竖直轴线X-X延伸至叶片310的远端点318的另一个径向线(半径f)之间的角度。弦角α定义了弧围绕以起始点317为中心的圆从弧的起始点317到端点318所经过的角度。

当以旋转参照系观察时(即，从叶片看)，叶轮叶片310的曲率被优化以允许当浆料从中心流向叶片尖端时浆料的冲击角被最小化。理想的曲率半径R在叶轮300的直径D的0.30至0.35的范围内。叶片310倾斜成大体上平行于中心竖直轴线X-X。因此，叶片310的高度大体上以平行的方式与容器102的中心竖直轴线X-X对齐，并且叶片310具有通过所述叶片310被附接到所述基盘的大体上恒定的高度和大体上恒定的厚度。应注意，叶片的倾斜可能与平行于中心竖直轴线X-X具有一些微小的变化，即+或-约5度，而不存在对叶轮的功能的任何显著的影响。

叶轮300可以包含任何数量的叶片310，叶片310可以是任何材料，包括不锈钢或相关领域技术人员已知的任何其他材料。在示出的实施方式中，存在四个叶轮叶片310。本发明设想任意数量的叶轮叶片以及任意长度和构型的叶轮叶片。图3所示的叶轮叶片310的长度可以根据容器102的尺寸、悬浮颗粒106的期望尺寸、期望的操作速度以及其它过程和尺寸参数而放大或缩小。

中心轮毂315包括围绕叶片310中的每个叶片封闭的大致圆柱形的主体。在示出的实施方式中，叶片310插入并且穿过中心轮毂315并且被连接在叶轮300的旋转中心处。中心轮毂315还包括顶部轮毂板320，该顶部轮毂板包括一系列孔，从而允许该板320被连接到驱动轴(如图1和图2所示)。四个叶片310围绕中心轮毂315环形地间隔开，其中每个叶片310关于中心轮毂315与另一个叶片310大致相对地安装。在一些实施方式中，中心轮毂315上的相对的叶片安装点可以略微偏移。在其他实施方式中，每个叶片310的安装点被布置成与围绕中心轮毂315的另一个叶片310的安装点直接相对(180度)。

当与现有的(例如在第6,467,947号美国专利中教导的)旋流流动叶轮设计相比时，这种设计允许显著更低的启动扭矩。进行了实验室测试以将该设计与传统设计进行比较。直径1m、高2m至3m的测试罐由透明的丙烯酸材料制成，该测试罐被安装在外部玻璃方形罐中，以用于目视观察。叶轮300被安装在配备有Ono Sokki SS101扭矩和速度探测器的测试罐的中心轴上。速度、扭矩和液位使用配备有国家仪器数据采集板的个人计算机被记录。实验中使用(通常尺寸在0.05mm至0.3mm范围内的)沙子或玻璃颗粒和自来水。参见图4中的实验室测试记录，其中扭矩数据相对于时间绘制；时间零点是旋流搅拌器启动的时间。(根据US6,467,947的)传统旋流流动设计的约为40N.m的初始扭矩被减小到针对图3所示的本发明的叶轮设计的约25N.m。该叶轮设计的其他优点：与使用US6,467,947中公开的叶轮设计相比，对于给定的功率输入，在罐的底部处产生少了10％至50％的沉积深度。

图3A示出了两个替代的叶轮实施方式300A和300B。除了叶片310A和310B的构型之外，这些实施方式具有与图3所示叶轮相似的构型。因此，应当理解，这些实施方式的中心轮毂315是如同上文针对叶轮实施方式300所描述的。在图3A的实施方式中，后掠叶片310A和310B具有两个部分的构型，这些构型包括径向延伸部312A、312B和成角度部分313A、313B。同样地，虽然在示出的实施方式中示出了四个叶片310A和310B，但是应当理解，叶轮实施方式300A和300B可以具有围绕中心竖直轴线X-X相等地间隔开的不同数量的叶片310A和310B，例如两个、三个、五个或六个叶片310A和310B。

图3A(a)中所示的叶轮300A包括两区段式叶片，该叶片具有径向延伸部312A，该径向延伸部312A从中心竖直轴线X-X径向向外延伸至成角度区段313A。在该实施方式中，成角度区段313A包括长形的平面的板，该板沿着延伸经过20度至60度的弦角α的线性平面延伸。在示出的实施方式中，弦角α是30度。

图3A(b)中所示的叶轮300B包括两区段式叶片，该叶片具有径向延伸部312B，该径向延伸部312B从中心竖直轴线X-X径向向外延伸至成角度区段313B。在该实施方式中，成角度区段313B包括弯曲板，该弯曲板沿着20度至60度弦角的弦弧上的曲线延伸。在示出的实施方式中，弦角α是30度。

在叶轮实施方式300A和300B中的每个实施方式中，径向延伸部312A和312B从靠近中心竖直轴线X-X的安装点317A、317B延伸至成角度区段313A、313B。随后，成角度区段313A、313B从径向延伸部312A和312B的端部延伸到叶轮外直径318A、318B。叶片310A和310B的径向延伸部312A和312B占叶片310A和310B的长度小于50％。径向延伸部可以包括任何合适的长形的线性主体，例如板、片、棒、杆、带、辐条。

发明人认识到后掠叶片，并且特别是弯曲的叶轮通常在混合和流体流动工业中使用。然而，后掠叶片或弯曲的叶轮叶片以前没有在无挡板的开放式罐中用于旋流流动的产生，目的是降低启动扭矩。在旋流流动搅拌设计中为此目的使用这种构型不是明显的或不是常规的。在这方面，使用前掠叶片或直叶片是增加壁表面清洁效果的“常识”叶轮构型。然而，发明人已经出人意料地发现，当应用于无挡板的旋流流动环境时，直叶片设计或前掠弯曲的叶轮实际上存在针对启动的问题。应注意，在挡板被安装在罐中的传统搅拌器设计中，启动扭矩大致与稳态扭矩相同。

在图1和图2中示出了包括图3所示叶轮300的典型的混合设备。

图1和图2示出了根据本发明的一个实施方式的混合设备100。所示混合设备100包括容器102和叶轮组件104。容器102包括容器侧壁120和容器底部124，并且限定容器高度128和容器直径130。容器侧壁120包括容器侧壁内表面122。容器底部124包括斜面126。叶轮组件104包括搅拌器，该搅拌器包括叶轮轴142、(通常被连接到搅拌器马达(未示出)的)机械驱动器144、以及叶轮300，该叶轮具有叶轮叶片310和轮毂315(如图3中更好地示出的)。

应当理解，类似的设置也可以应用于平底容器。然而，在这种罐中，可能需要底部叶(vane)或基部叶来辅助去除任何沉降的粗固体，其中叶将任何沉降的或收集的固体引导朝向通常位于容器的基部或底部的一侧处的排放点。

如在图1中最佳所示的，容器102内的液体160包括液面162、向上流动区域164、过渡流动区域166和向下流动区域168。颗粒(如果存在于容器102内)包括悬浮颗粒106和沉淀颗粒108。如图2中最佳所示的，颗粒限定颗粒向上移动区域200、过渡颗粒运动区域202、颗粒向下移动区域204和大颗粒收集区域206。

如本文和权利要求书中所使用的，术语“沉降速度”是指具有大于周围液体或溶液的密度的悬浮颗粒(因此该悬浮颗粒足够大以从液体或溶液沉淀出来)朝向混合容器的底部运动的速度的竖直轴线分量。通常，在给定的液体中，更大的颗粒可以预期比相同密度的更小的颗粒具有更高的沉降速度。因此，通常来说，悬浮在具有更低密度或粘度的液体中的给定尺寸的颗粒可以预期比悬浮在具有更高密度或粘度的液体中的颗粒具有更高的沉降速度。因此，大于悬浮颗粒的颗粒(即，沉淀颗粒108)朝向容器底部124掉落并且可以是可获得的以用于去除。考虑到本公开内容和期望的应用(包括液体性质和颗粒性质)，容器102的尺寸和几何形状以及叶轮组件104的尺寸、速度和构型可以根据传统的尺寸标准来选择。因此，可以选择混合系统的部件，并且一旦选择，可以进行操作，以实现所需颗粒尺寸的沉淀。然而，应理解，本发明包括任何大的或小的颗粒尺寸或具有任何低的或高的沉降速度的颗粒的提升和悬浮。

所示的容器102在形状上是圆柱形的(具有圆形的横截面)，并且该容器可以具有任意容器高度128和任意容器直径130。优选地，容器高度128是容器直径130的值的至少三(3)倍。根据众所周知的设计原理，可以根据(多种)液体、颗粒的参数以及所需应用的目的来选择具体的尺寸。容器侧壁120和容器底部124可以由任意材料制成，包括但不限于不锈钢。容器侧壁120和容器底部124还可以由相关领域中已知的任意其他材料制成。容器侧壁120可以以任意方式，包括但不限于焊接、铆接或相关领域中已知的任何其他方法，被附接到容器底部124。

在图1和图2所示的实施方式中，容器侧壁内表面122和容器102的所有其他部分不具有挡板。没有挡板可以有助于防止结垢在容器侧壁内表面122上积聚。当然，本发明不限于没有挡板的容器。

容器102可以具有适合作为用于悬浮颗粒106的沉淀器使用的任意体积。容器102的体积通常在2000m³到5000m³之间。在一个示例性实施方式中，用于氧化铝的沉淀器被设计成具有体积为约64L、76L、2000L、120000L、230000L和530000L的容器102。在另一个实施方式中，煤浆料混合器被设计成具有体积为约19L、380L和2280万L的容器102。

容器底部可以具有任意形状。在附图所示的优选的实施方式中，容器底部124在形状上是圆锥形的并且具有至少四十五(45)度的容器底部斜面126。在容器底部是圆锥形的实施方式中，容器底部斜面126可以是任意角度，包括零度(平坦的)、零度与四十五度之间、或大于四十五度。

叶轮组件104包括如上所述的叶轮300。应当理解，叶轮还可以包括图3A中所示的叶轮实施方式300A和300B。

叶轮300具有其中液体160可以朝向叶轮叶片310被向上拉动并且通过叶轮叶片310的叶轮设计。当然，一些液体160可以被径向地推动通过。叶轮叶片310被连接到叶轮轴142的下部端部，并且围绕叶轮轴142近似以等距径向位置环形地间隔开。叶轮叶片310可以被包含在一个组件中，以用于附接到叶轮轴142的下部端部，或者这些叶轮叶片可以被单独地附接到叶轮轴142的下部端部。

在所示实施方式中，由机械驱动器144传递到叶轮轴142的扭矩从轴传递到轮毂板320和轮毂315(图3)。轮毂板320可以被焊接到叶轮轴142，或者该轮毂板可以包含键槽或定位螺钉，以防止轮毂板320相对于叶轮轴142的旋转。在另一个示例性的实施方式中，轮毂315包含焊接的或铸造的凸耳，以用于将叶轮叶片310附接到轮毂板320。在其他实施方式中，叶轮叶片310被焊接或被螺栓连接到轮毂板320。叶轮轴142的下部端部可以突出到叶轮叶片310的下方，从而在液体160中达到比叶片更低的深度。

机械驱动器144可以是相关领域中已知的任意机械驱动器，该机械驱动器可以适于使叶轮轴142和叶轮叶片310旋转到所期望的速度，该机械驱动器例如为齿轮箱、皮带驱动器、液压驱动器等。机械驱动器144被联接到叶轮轴142的上部端部。

轴向泵送叶轮组件104的使用可以使对于尺寸直至约100微米的颗粒或具有直至约每分钟30cm的沉降速度的颗粒的悬浮颗粒106悬浮成为可能。通过改变叶轮组件104的旋转速度，用于固体悬浮颗粒106的升力可以改变。通过调节这些升力，这可以允许所需尺寸或仅具有所需沉降速度的悬浮颗粒106悬浮。这可以允许混合设备被用于对颗粒尺寸或沉降速度进行分类。

根据实行本发明的具体过程，液体160可以是用于悬浮颗粒106的任意载体介质。液面162是液体160在容器102中达到的最高点。在一个优选的实施方式中，叶轮叶片310被沉浸于从液面162到容器底部124的距离(液体高度129)的三分之一(1/3)处。在其他实施方式中，叶轮叶片310被沉浸到从液面162到容器底部124的距离(液体高度129)的十分之一(1/10)至二分之一(1/2)之间的距离。根据容器102中的液体160的期望的流动特性，叶轮叶片310还可以被沉浸到其他深度。

液体160包括向上流动区域164、过渡流动区域166和向下流动区域168。向上流动区域164可以具有关于其运动的轴向的(大体沿着叶轮轴142的轴线向上)速度分量和切向的(大体围绕叶轮轴142的轴线旋转)速度分量。液体160穿过向上流动区域164朝向叶轮叶片310移动。在一个优选的实施方式中，向上流动区域164的中心的速度在速度的轴向分量和切向分量两者上都高于向上流动区域164的外边缘。向上流动区域164的不同部分的速度之间的关系可以根据容器102和叶轮组件104的尺寸以及叶轮叶片310的旋转速度发生变化。

过渡流动区域166可以具有轴向的、切向的和径向(从容器102的中心朝向容器侧壁120移动)的速度分量。如在图1中可以看到，液体160可以具有以弧的形式的速度分量，从而向上朝向液面162、向外朝向容器侧壁120和/或向下朝向基部124移动。

向下流动区域168可以具有关于其运动的轴向的、切向的和径向的速度分量。在一个优选的实施方式中，向下流动区域168的中心的速度在速度的轴向分量和切向分量两者上均高于向下流动区域168的外边缘。向下流动区域168的不同部分的速度之间的关系可以根据容器102和叶轮组件104的尺寸以及叶轮叶片310的旋转速度发生变化。整个向下流动区域168可以以快速的切向运动进行运动，从而围绕叶轮轴轴线移动，同时向下移动。向下流动区域168中的这种快速的切向和轴向运动可以有助于减少或消除容器侧壁120处的结垢。

在一个示例性的实施方式中，提供了方法和设备，以用于在高的圆柱形容器中，使用轴向向上泵送的叶轮来悬浮和分类尺寸直至约100微米或具有直至约每分钟30cm的沉降速度的固体颗粒，并且被配备有圆锥形的容器底部。

在该示例性的实施方式中，叶轮叶片310在容器102(其中容器高度128与容器直径130的比大于三(3))中被沉浸在液体160中并且被定位在液体160的上半部的中心。

在该示例性实施方式中，叶轮组件104的旋转可以在流体160中产生三个流动速度分量：轴向、径向和切向。径向流动速度分量由叶轮旋转引起，并且该流动可以使流体160穿过过渡流动区域166朝向容器侧壁120移动。轴向流动速度分量可以有助于使流体160从容器底部124穿过向上流动区域164朝向叶轮叶片310运动。切向流动速度分量导致容器102中的流体160的整个主体围绕中心竖直轴线旋转，该中心竖直轴线大体与叶轮轴142的旋转轴线(中心竖直轴线)X-X重合。

流体160的运动可以达到稳态条件，在该稳态条件下，由叶轮组件104引起的切向流动运动在向上流动区域164中产生向上的龙卷风状的效果。在该实施方式中，向上流动区域164中的流体160的切向角速度可以大于向下流动区域168中容器侧壁120处的切向角速度。而且，向上流动区域164中的流体可以具有超过向下流动区域168中的轴向速度分量的轴向速度分量。这种现象使固体悬浮颗粒106从容器底部124朝向过渡流动区域166和液面162提升成为可能。

悬浮颗粒106在悬浮在液体160中的同时被携带贯穿向上流动区域164、过渡流动区域166和向下流动区域168。通常，悬浮颗粒106遵循与悬浮颗粒106悬浮在其中的液体160的部分相同的速度矢量。悬浮颗粒106通过液体160的运动在颗粒向上移动区域200中沿大体轴向的方向朝向叶轮叶片310被向上携带。在经过叶轮叶片310上方之后，悬浮颗粒106在过渡颗粒运动区域202中朝向容器侧壁120被携带。一旦悬浮颗粒106到达向下流动区域168，它们在颗粒向下移动区域204中被携带，直到它们到达容器底部124。如果悬浮颗粒106已经发展为可以允许它们从液体160中沉淀出来的尺寸，则这些悬浮颗粒可以成为沉淀颗粒108，沉淀颗粒108在容器底部124处在大颗粒收集区域206中收集。一旦沉淀颗粒108沉降在大颗粒收集区域206中，这些颗粒可以优选地通过常规方式从混合设备100中去除，以用于其他工业目的。

在一个示例性的实施方式中，悬浮颗粒106开始靠近容器侧壁内表面122在颗粒向下移动区域204中向下沉降。这些沉淀颗粒108收集在容器底部124中，该容器底部优选具有圆锥形的形状。如果沉淀颗粒108小于所期望的尺寸，则颗粒在颗粒向上移动区域200中再次被提升并且成为悬浮颗粒106。该提升和沉淀过程可以重复，直到沉淀颗粒108是至少所期望的尺寸，并且沉淀颗粒108保留靠近在容器底部124的大颗粒收集区域206中。

在结晶器的一个示例性的实施方式中，其中混合过程导致悬浮颗粒106的尺寸在混合期间增加，较大的沉淀颗粒108仅在靠近容器底部124的大颗粒收集区域206中振荡。可用于将沉淀颗粒108提升到颗粒向上移动区域200中的提升力取决于叶轮组件104的旋转速度。因此，改变叶轮组件104的旋转速度使得从混合设备100中仅排出至少所期望的尺寸的沉淀颗粒108成为可能。

在一个示例性的实施方式中，液体160、悬浮颗粒106和沉淀颗粒108的流动是连续的。连续的流动牵涉液体160、悬浮颗粒106和沉淀颗粒108周期性地、规则地或不间断地加入容器102和从该容器中去除。在其他实施方式中，液体160、悬浮颗粒106和沉淀颗粒108的流动不是连续的。

在废弃物消化器的一个示例性实施方式中，在液体160的流动期间可以产生甲烷或其他气泡，并且这些气泡可以被收集在液面162处和/或液面的上方。液体160的流动特性允许气泡在向上流动区域164中凝聚(condense)到液体160的中心。随后，这些凝聚的气泡被释放到液面162，在液面处这些气泡可以被收集。气泡的这种凝聚防止泡沫在液面162处的形成，这允许更容易地收集气体。

在废水处理的示例性的实施方式中，本发明可以被用于混合含有直至约百分之三(3％)的悬浮污泥(按重量计)的液体和气体。

启动操作

叶轮组件104和叶轮300所经受的启动扭矩的进一步减小可以通过降低浆料密度的方法来实现。提出了几种用于降低浆料密度的方法：

首先，在启动叶轮300的旋转之前，可以以低于会浸没叶轮300的液位将液体提供在容器中；并且随后接着向容器102中提供进一步的液体，以逐渐地浸没叶轮300，从而在液体中形成旋流流动。在该方法中，当容器102中的液位129刚好处于低于叶轮300的位置时，启动搅拌器马达。在容器102中充分形成旋流流动后，液位129随后逐步地增加回到正常操作液位。这是一种适用于改装成具有固定的轴速度的装置的马达系统(在矿业中是常见的)的方法。

第二(附加地和/或替代地)，在启动叶轮300的旋转期间，可以将气体流引入液体持续一段时间。在实施方式中，空气喷枪350(图2)可以被安装在容器102中，该空气喷枪被定位在容器102的基部或底部124处。在该方法中，可以将空气流注入到容器102中的液体中。随后，开启空气喷枪350(搅拌器)并且保持运行，直到充分形成旋流流动。在容器102中充分形成旋流流动后，来自空气喷枪350的空气流被关闭(图2)。

第三(附加地和/或替代地)，在启动叶轮300的旋转之前，可以将粘度改性添加剂引入到容器中的液体中，以增加液体的粘度。在该方法中，从靠近驱动轴、在液面上方或液面下方的容器的顶部引入合适的粘度改性添加剂。粘度改性添加剂的剂量通常是小剂量，例如50ppm至100ppm。在大多数应用中，这种添加会导致粘度增加，从而产生流动温和的层流。少的、最佳的量将减小叶轮上的初始扭矩负载。一旦旋流流动在容器中处于稳态运动，就可以引入生产流入液体。添加剂效应会及时消失，不会对加工罐车中的生产造成任何长期的影响。对于给定的浆料性质需要研发最佳剂量，以避免粘度的过度增加，这可能导致启动扭矩的增加。

下面提供了遵循上述方法的可行的启动步骤：

1.在已经安装有旋流流动搅拌器的空容器102中，填充液体至刚好在叶轮300下方的液位129；

2.开启搅拌器马达至设计速度；

3.当搅拌器的叶轮300以恒定的设计速度旋转时，继续填充液位以缓慢地将叶轮300沉浸到设计液位。对于具有5m至20m范围内的直径、容器高度在约10m至40m的容器102，填充速度通常在10分钟至10小时范围内的持续时间进行调节。

4.优选地，不含固体的液体(例如用于氧化铝精炼装置中的容器清洁操作的热苛性液体，或液态酸)被用于启动。一旦旋流建立(在马达处具有稳定的电流读数)，则工作生产用浆料流(具有固体)可以被供给到容器102中。

5.如果在填充容器102中必须使用具有正常固体的浆料，则在填充完成后应允许额外的时间(例如5小时至10小时)以用于固体的再悬浮，这些固体可能最初在填充过程期间已经沉降到容器底部。

6.一旦生产用浆料流连续地流入和流出容器102，则启动完成，其中固体处于良好的悬浮中并且马达电流处于稳定读数。

7.对于具有浆料的容器102，将液位降低至搅拌器的下方，然后从(2)开始。

叶轮300(叶轮组件104/搅拌器)经受的启动扭矩的进一步减小可以通过对混合设备进行改型来进一步减小。

在一些实施方式中，搅拌器可以由软启动器或变速驱动器(VSD)驱动。在该方法中，旋流流动叶轮/搅拌器以低速启动，并且随后在1分钟至10分钟内加速(斜坡式上升)至设计速度。发明人认为，该方法对于具有适中的马达功率容量额定值(例如<50kW)的相对小的容器(罐)来说可以是经济的。

在其他实施方式中，容量是现有电源的电容量的2至4倍的大型的移动电力(例如，柴油)发电机420(图5)用以避免任何启动功率限制。这可以作为持久改装或临时设施400(图5)被安装，其中存在电气连接机构，使得罐410可以在启动时由该单元临时供电。在通过有目的性地改型的电连接器430的一些切换动作之后，可以关闭移动单元400，并且开启“正常的”马达。当旋流流动罐长时间运行而不停止(例如两年)时，这种途径对于现场而言可以是经济的，并且这种涉及移动式电力发电机的临时运用可以是实用的。应当理解，这种途径还可以被用于不具有现存电力容量装置的罐。临时设施400还可以包括便携式的旋流驱动叶轮/搅拌器435。

本领域技术人员应理解，在本文中描述的本发明容许不同于具体描述的变型或修改的变型或修改。应理解，本发明包括落入本发明的精神和范围内的所有这样的变型和修改。

在术语“包括(comprise)”、“含有(comprises)”、“包含(comprised)”或“具有(comprising)”在本说明书(包括权利要求书)中使用的情况下，它们应被解释为指定所陈述的特征、整数、步骤或部件的存在，但不排除一个或更多个其他的特征、整数、步骤、部件或其组的存在。

Claims

1.一种用于混合含有颗粒的液体的设备，所述设备包括：

容器，所述容器用于容纳所述液体，所述容器包括侧壁和底部；和

叶轮，所述叶轮围绕大体上竖直轴线旋转，所述叶轮：

·适于以液体高度的十分之一至二分之一的距离沉浸在液面的下方；并且

·包括环形地间隔开的至少两个叶片，所述叶片从所述竖直轴线径向向外延伸，所述叶片包括大体上平行于所述竖直轴线倾斜的后掠叶片，每个叶片的长度的至少50％包括延伸经过20度至60度的弦角的成角度区段；

以产生(a)沿着所述竖直轴线定位的内部的向上流动区域，(b)围绕所述叶轮定位的过渡流动区域，在所述过渡流动区域中，液体朝向所述容器的所述侧壁径向向外移动，以及(c)沿着所述侧壁定位的外部的向下流动区域。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述叶片的成角度区段沿着以下项中的至少一项延伸：

20度至60度弦角的弦弧上的曲线；或者

延伸经过20度至60度的弦角的线性平面。

3.根据权利要求2所述的设备，其中所述叶轮的叶片在30度弦角的弦弧上弯曲。

4.根据权利要求2或3所述的设备，其中所述叶轮的叶片具有在叶轮直径的0.25至0.4的范围内的曲率半径。

5.根据权利要求4所述的设备，其中所述叶轮的叶片具有在叶轮直径的0.30至0.35的范围内的曲率半径。

6.根据权利要求1-3和5中任一项所述的设备，其中所述叶片进一步包括径向延伸部，所述径向延伸部从所述竖直轴线径向向外延伸至所述成角度区段，所述径向延伸部占所述叶片的长度小于50％。

7.根据权利要求6所述的设备，其中所述径向延伸部沿着从所述竖直轴线径向向外延伸的线性平面延伸。

8.根据权利要求1-3、5和7中任一项所述的设备，其中所述叶片在叶轮外直径和靠近所述竖直轴线的安装点之间延伸，所述叶轮外直径为所述容器的所述侧壁的直径的1/4至3/4。

9.根据权利要求1-3、5和7中任一项所述的设备，其中所述叶轮包括中心轮毂，所述中心轮毂包括与用于旋转所述叶轮的轴连接的连接件，所述至少两个叶片被连接到所述中心轮毂并且从所述中心轮毂向外延伸。

10.根据权利要求1-3、5和7中任一项所述的设备，其中所述叶轮的弯曲叶片具有通过所述叶片被附接到基盘的一定高度和一定厚度。

11.根据权利要求1-3、5和7中任一项所述的设备，其中每个叶片具有相同的长度和构型。

12.根据权利要求1-3、5和7中任一项所述的设备，其中所述叶轮使得旋转流动致使内部流动中的最大液体流动切向速度是外部流动的液体流动速度的3倍。

13.根据权利要求1-3、5和7中任一项所述的设备，其中所述叶轮使得旋转流动致使外部流动的液体流动速度在0.3m/s与0.1m/s之间。

14.根据权利要求1-3、5和7中任一项所述的设备，其中所述容器包括上部端部和下部端部，并且包括在所述上部端部与所述下部端部之间延伸的大致圆柱形的容纳侧壁。

15.根据权利要求1-3、5和7中任一项所述的设备，其中所述容器的侧壁高度与所述容器的直径的比至少为3。

16.根据权利要求1-3、5和7中任一项所述的设备，其中所述容器的底部是圆锥形的并且具有至少45度的斜面。

17.根据权利要求1-3、5和7中任一项所述的设备，其中所述叶轮适于以所述液体高度的三分之一的距离沉浸在所述液面的下方。

18.根据权利要求1-3、5和7中任一项所述的设备，所述设备进一步包括气体分配器，以用于在启动过程期间将气体引入到所述液体中。

19.根据权利要求18所述的设备，其中所述气体是空气。

20.根据权利要求19所述的设备，其中所述气体分配器包括被定位在所述容器的基部处的气体喷枪。

21.根据权利要求1-3、5、7和19-20中任一项所述的设备，其中所述叶轮的旋转由软启动器或变速驱动器驱动。

22.根据权利要求1-3、5、7和19-20中任一项所述的设备，进一步包括附加动力源，所述附加动力源用于为驱动所述叶轮旋转的马达供电。

23.一种混合液体的方法，所述混合液体的方法包括以下步骤：

在容器中提供液体，所述容器具有上部端部、下部端部和在所述上部端部和所述下部端部之间延伸的大体圆柱形的容纳壁；

提供围绕大体上竖直轴线旋转的叶轮，所述叶轮包括环形地间隔开的至少两个叶片，所述叶片从所述竖直轴线径向向外延伸，所述叶片包括大体平行于所述竖直轴线倾斜的后掠叶片，每个叶片的长度的至少50％包括延伸经过20度至60度的弦角的成角度区段，所述叶片被沉浸在所述液体中，以达到位于从所述上部端部至所述下部端部的距离的十分之一至二分之一的位置；以及

使用所述叶轮在所述液体中产生流动，所述流动包括(a)沿着所述竖直轴线从所述下部端部朝向所述上部端部移动的内部流动，(b)从所述叶轮朝向所述容纳壁的向外流动，以及(c)沿着所述容纳壁从所述上部端部朝向所述下部端部运动的外部流动。

24.根据权利要求23所述的混合液体的方法，所述混合液体的方法使用根据权利要求1至22中任一项所述的设备。

25.一种启动权利要求1至22中任一项所述的设备的方法，所述方法包括：

以低于浸没所述叶轮的液位向所述容器中提供液体；

向所述容器中提供液体以浸没所述叶轮；以及

启动所述叶轮围绕大体上竖直轴线的旋转；

其中在所述叶轮启动时，通过以下项中的至少一项减小所述叶轮周围的液体的密度：

(a)在启动所述叶轮的旋转期间，将气体流引入所述液体持续一段时间；

(b)在启动所述叶轮的旋转之前，以低于浸没所述叶轮的液位向所述容器中提供液体；并且随后接着向所述容器中提供进一步的液体，以逐渐地浸没所述叶轮，从而在所述液体中形成旋流流动；或者

(c)在启动所述叶轮的旋转之前，将粘度改性添加剂引入到所述液体中，以增加所述液体的粘度，

从而在所述液体中形成旋流流动，所述旋流流动包括(a)沿着所述竖直轴线定位的内部的向上流动区域，(b)围绕所述叶轮定位的过渡流动区域，在所述过渡流动区域中，液体朝向所述容器的所述侧壁径向向外移动，以及(c)沿着所述侧壁定位的外部的向下流动区域。

26.根据权利要求25所述的方法，其中在充分形成旋流流动之后，所述容器中的液位逐渐地增加回到所述容器中所期望的液位。

27.根据权利要求25或26所述的方法，其中所述容器在10分钟至10小时的持续时间内被逐渐地填充液体。

28.根据权利要求25或26所述的方法，其中所述容器被填充不含固体的液体以用于启动。

29.根据权利要求25或26所述的方法，其中所述气体流使用气体分配器被引入。

30.根据权利要求29所述的方法，其中所述气体流使用定位在所述容器的基部处或靠近所述容器的基部的空气喷枪被引入。

31.根据权利要求25、26或30所述的方法，其中所述气体流在启动所述叶轮的旋转之前被引入到所述液体中。

32.根据权利要求25、26或30所述的方法，其中所述粘度改性添加剂以50ppm至100ppm的浓度被加入。

33.根据权利要求25、26或30所述的方法，其中所述粘度改性添加剂包括聚羧乙烯聚合物、羧甲基纤维素(CMC)、或活性凝胶中的至少一种。

34.根据权利要求25、26或30所述的方法，其中在充分形成旋流流动之后，生产液体被供给到所述容器中。

35.一种启动权利要求1至22中任一项所述的设备的方法，所述方法包括：

以低于浸没所述叶轮的液位向所述容器中提供液体；

启动所述叶轮围绕大体上竖直轴线的旋转；

向所述容器中提供进一步的液体，以逐渐地浸没所述叶轮，从而在所述液体中形成旋流流动，所述旋流流动包括(a)沿着所述竖直轴线定位的内部的向上流动区域，(b)围绕所述叶轮定位的过渡流动区域，在所述过渡流动区域中，液体朝向所述容器的所述侧壁径向向外移动，以及(c)沿着所述侧壁定位的外部的向下流动区域。

36.根据权利要求35所述的方法，其中在充分形成旋流流动之后，所述容器中的液位逐渐地增加回到所述容器中所期望的液位。

37.根据权利要求35或36所述的方法，其中所述容器在10分钟至10小时的持续时间被逐渐地填充液体。

38.根据权利要求35或36所述的方法，其中所述容器被填充不含固体的液体以用于启动。

39.根据权利要求35或36所述的方法，其中在启动所述叶轮的旋转期间，气体流被引入所述液体持续一段时间。

40.根据权利要求39所述的方法，其中所述气体流是空气。

41.根据权利要求40所述的方法，其中所述气体流使用气体分配器被引入。

42.根据权利要求41所述的方法，其中所述气体流使用定位在所述容器的基部处或靠近所述容器的基部的空气喷枪被引入。

43.根据权利要求40-42中任一项所述的方法，其中所述气体流在启动所述叶轮的旋转之前被引入到所述液体中。

44.根据权利要求35、36和40-42中任一项所述的方法，进一步包括：在启动所述叶轮的旋转之前，将粘度改性添加剂引入到所述液体中，以增加所述液体的粘度。

45.根据权利要求44所述的方法，其中所述粘度改性添加剂以50ppm至100ppm的浓度被加入。

46.根据权利要求45所述的方法，其中所述粘度改性添加剂包括聚羧乙烯聚合物、羧甲基纤维素(CMC)、或活性凝胶中的至少一种。

47.一种叶轮，所述叶轮用于改装到用于容纳和混合含有颗粒的液体的容器中，所述容器包括侧壁和底部；所述叶轮包括环形地间隔开的至少两个叶片，所述叶片从竖直轴线径向向外延伸，所述叶片包括大体平行于所述竖直轴线倾斜的后掠叶片，每个叶片的长度的至少50％包括延伸经过20度至60度的弦角的成角度区段；

其中所述叶轮被改装到所述容器中以：

·围绕所述竖直轴线旋转；

·以液体高度的十分之一至二分之一的距离沉浸在液面的下方；以及

·以产生(a)沿着所述竖直轴线定位的内部的向上流动区域，(b)围绕所述叶轮定位的过渡流动区域，在所述过渡流动区域中，液体朝向所述容器的所述侧壁径向向外移动，以及(c)沿着所述侧壁定位的外部的向下流动区域。

48.根据权利要求47所述的叶轮，所述叶轮被改装到容器中以形成根据权利要求1至22中任一项所述的设备。