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新型筒式搅拌器性能参数的实验研究 摘要 本文根据已有的搅拌器结构和使用方法，提出了一种新型的搅拌器筒式 搅拌器，并利用德国生产的“欧洲之星一系列的i k ae u r o s t a rp o w e r c o n t r o l 实验装置对筒式搅拌器的搅拌功率、混合反应时间和混合效率等性能 参数进行了大量的实验研究。通过实验优选出筒式搅拌器所适合的直径比范围、 适用的转速范围和介质粘度范围等应用条件，并与推进式和涡轮式搅拌器进行了 相应的比较。通过观察实验现象和处理数据得出：搅拌过程中，简式搅拌器能够 形成比传统搅拌器较好的径向流和轴向流；筒式搅拌器径向流的作用使其在大直 径的容器中也能有较好的搅拌效果；在同等条件下，筒式搅拌器的搅拌功率比推 进式和涡轮式搅拌器略小，但搅拌时间与推进式和涡轮式搅拌器相比，缩短了一 半左右，搅拌效率提高一倍。本文的研究结果是在大量的实验基础上获得的，通 过对小直径筒式搅拌器性能参数的测量与研究，为今后工业实验和应用提供了参 考。本文的研究对于搅拌器的性能参数研究具有重要的参考价值。 关键词：搅拌器推进式涡轮式筒式性能参数 t h en e wt y p ec y lin d e rim p e l l e rp e r f o r m a n c e p a r a m e t e re x p e rim e n tr e s e a r c h a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r ea n da p p l i c a t i o no ft h ee x i s t i n gi m p e l l e r s ， t h i sp a p e rp r o p o s e san e wt y p eo fi m p e l l e rb e i n gn a m e dc y l i n d e ri m p e l l e r w i t ha ni k ae u r o s t a rp o w e rc o n t r o le x p e r i m e n te q u i p m e n tt h a ti sm a d ei n g e r m a n yb ye u r o p e a ns t a r ，t h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h ec y l i n d e r i m p e l l e r ，s u c ha ss t i r r i n gp o w e r ，m i x i n gt i m ea n dm i x i n ge f f i c i e n c y ，t h e f i t t i n gd i a m e t e re x t e n s i o n ，s t i r r i n gs p e e de x t e n s i o na n dm e d i u mv i s c o s i t y e x t e n s i o no ft h ec y l i n d e ri m p e l l e ra r eg a i n e da f t e re x p e r i m e n t i ta l s o m a k e sac o m p a r i s o nw i t hap r o p e l l e ra n dat u r b i n ei m p e l l e r b yo b s e r v i n g t h ee x p e r i m e n tp h e n o m e n aa n dd e a li n gw i t ht h ed a t a ，t h ec o n c l u s i o n sa r e ： i nt h ep r o c e s so fs t i r r i n g ，c y l i n d e ri m p e l l e rc a np r o d u c eb e t t e rr a d i a l a n da x i sf l o w st h a n t r a d i t i o n a li m p e l l e r s ，w h i c hc a nt a k eg o o d p e r f o r m a n c e i nb i gv e s s e l s i nt h es a m ec o n d i t i o n ，t h es t i r r i n gp o w e ro ft h ec y l i n d e r i m p e l l e ra r el e s st h a np r o p e l l e ra n dt u r b i n ei m p e l l e r ，b u tt h em i x i n gt i m e i sah a l fo rs oa n dt h es t i r r i n ge f f i c i e n c yi st w i c eo ft h e nt h er e s e a r c h o ft h ep a p e ri sb a s e do nl o t so fe x p e r i m e n t s b ym e a s u r i n ga n dr e s e a r c h i n g t h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fas h o r t d i a m e t e r c y li n d e ri m p e ll e r ，i t p r o v i d e ss o m ee x p e r i e n c e sf o ri n d u s t r ye x p e r i m e n ta n da p p li a n c e i n a d d i t i o n ，t h i sp a p e rw i l lp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h er e s e a r c ho ft h e p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fa ni m p e ll e r k e yw o r d s ：i m p e l l e r p r o p e l l e r t u r b i n e c y l i n d e r p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r 青岛科技大学研究生学位论文 目录 符号说明i 1 绪论l 1 1 搅拌过程l 1 2 搅拌设备2 1 3 搅拌器的分类和使用条件6 1 4 搅拌器选型1 2 1 5 新型搅拌器及其应用1 4 1 6 搅拌器的结构优化与发展趋势2 0 i 6 1 结构优化与组合2 0 1 6 2 搅拌器的发展趋势2 l 1 7 本文研究的主要内容2 2 2 筒式搅拌器的结构设计与分析2 3 2 1 筒式搅拌器的结构与工作原理2 3 2 1 1 筒式搅拌器的制作与结构2 3 2 1 2 筒式搅拌器的工作原理2 5 2 2 搅拌器的受力分析2 5 2 3 搅拌器的流体力学分析2 7 2 3 1 液体质点的运动分析2 7 2 3 2 筒式搅拌器在流体中的基本方程式2 9 3 搅拌器性能参数的实验测量3 2 3 1 实验设备与器材3 2 3 2 实验装置与软件简介3 2 3 2 1 搅拌实验装置3 2 3 2 2 软件介绍3 4 3 3 搅拌器的性能参数3 9 3 3 1 搅拌功率和搅拌作业功率3 9 3 3 2 搅拌功率的影响因素与计算4 0 3 3 3 混合速率和混合效率4 l 新型筒式搅拌器性能参数的 3 3 4 提高混合效率的措旖 3 4 实验主要内容与方法 3 4 1 实验主要内容 3 4 2 实验方法 3 5 实验流程的制定 3 6 实验过程与数据的采集4 5 3 6 1 清水中扭矩的测量4 5 3 6 2 不同c 值下扭矩的测量4 5 3 6 3 不同秒值下筒式搅拌器扭矩的测量4 5 3 6 4 甘油中扭矩的测量4 6 3 6 5 混合时间的测量4 6 4 数据处理与分析4 7 4 1o r i g i n 软件及其功能简介4 7 4 2 数据制图与分析4 7 4 2 1 清水中搅拌器扭矩与转速的关系曲线4 7 4 2 2 清水中搅拌器的功率曲线4 9 4 2 3 不同c 值下扭矩与转速的关系曲线5 1 4 2 4 不同秒值下筒式搅拌器扭矩与转速的关系曲线5 6 4 2 5 甘油中搅拌器扭矩与转速的关系曲线5 6 4 2 6 甘油中搅拌器的功率曲线5 6 4 2 7 混合时间的曲线6 0 4 2 8 搅拌器的p 一足关系曲线6 1 4 3 搅拌器性能参数的比较6 2 4 3 1 搅拌功率的比较6 2 4 3 2 混合速率的比较6 4 4 3 3 混合效率的比较6 4 4 3 4 搅拌流体流动状态与流型的比较6 5 4 4 实验中出现的若干现象的分析6 7 4 4 1 搅拌器转速达到一定值而产生漩涡和大量气泡现象的分析嘲6 7 4 4 2 筒式搅拌器在搅拌过程中产生摆动现象的分析6 8 4 4 3 搅拌过程中“混合死区的分析6 8 i i 青岛科技大学研究生学位论文 i h 加 记 孵 鳄 m 啪 文 明 j p 1 4 一 一 论 一 说 的 的 1 ， b r _ = i lt 交 一 淑 ，1 i 口z 上多 一掣j 发 授 tij 一j re 恕p e 悯 ， 佣 efl口hle isi， 一j 一 一 期 明 使 嫦 靴 舻 敝 论 考 录 谢 读 创 于 结 参 附 致 攻 独 关 童璺型垫奎堂堕茎生兰焦堡兰 一 一。一一 符号说明 6 搅拌叶轮宽度，脚聊 c 搅拌叶轮离搅拌容器高度，搠朋 d 搅拌叶轮直径，彤m d 揽拌容器直径，删 e 弗劳德数 e 搅拌叶轮所受的径向力，n g 重力加速度，s 2 日液深，朋m k 无量纲方程式系数 m 力偶矩 脚搅拌桨质量，l 【g 一转速，r r a i n 挡板数 单个搅拌叶轮上的叶片数 p 搅拌功率准数 排出流量数 尸搅拌功率，矿 恐雷诺数 ，旋转半径，m ，搅拌桨旋转线速度，m s 挡板宽度，肭 x ，y 方程式系数 新型筒式搅拌器性能参数的实验研究 p 搅拌液体密度，k g l m 3 青岛科技大学研究生学位论文 1绪论 日益扩大，化学工艺更加多样化和复杂化。在这当中， 作之一的搅拌操作尤为重要，同时对搅拌操作的技术内 而它的复杂性在于它的原理要涉及流体力学、传热、传 。从本质上讲，搅拌过程就是在流动场中进行单一的动 热量、质量传递以及化学反应的过程，而搅拌器就是通 流动场而向其输入机械能量的装置。因此，流场和搅拌 究的主要课题。不同操作目的的搅拌过程和各种型式的 搅拌器能提供什么样的流场、供给多大的能量，这些相互关联的问题并没有完全 解决。根据目前的研究状况及生产实践的成果，围绕这个问题进行讨论是十分必 要的。在这方面国内外许多研究者已做了大量实验，积累了丰富的研究资料i l 】。 随着能源的日益缺乏，全球工业向节能方向发展。在这种趋势下，降低能耗 成为世界各国的研究者开发新型搅拌器的重要目标之一。自1 9 8 0 年以来，国外 开发出了很多新型搅拌器，然而搅拌器的设计参数很少发表。如美国l i g h t n i n 公司开发的h 3 1 0 叶轮、德国e k a t o 公司开发的轴向流叶轮和法国r o b i n 公司开 发的h p m 叶轮等高效轴向流叶轮，凹叶圆盘涡轮式径向流叶轮以及各种轴向流与 径向流叶轮组合的搅拌器。这些搅拌器不仅在结构上有所创新，而且在使用范围、 搅拌效率和降低能耗方面也有很大突破1 2 j 。 1 1 搅拌过程 搅拌可以使两种或多种不同的物质在彼此之中互相分散，从而达到均匀混 合；也可以加速传热和传质过程。例如在化验室里制各某种盐类的水溶液时，为 了加速溶解，常见用玻璃棒将烧杯中的液体进行搅拌。又如制备某种悬浮液时， 用玻璃棒不断地搅动容器中的液体，可使固体颗粒在液体中保持悬浮状态。在工 业生产中，搅拌操作分为机械搅拌和气流搅拌。气流搅拌是利用气体鼓泡通过液 体层，对液体产生搅拌作用，或使气泡群以密集状态上升借所谓气升作用促进液 体产生对流循环。与机械搅拌相比，仅气泡的作用对液体所进行的搅拌是比较弱 的，高粘度液体难于适用。但气流搅拌无运动部件，所以在处理腐蚀性液体，高 温高压条件下的反应液体很便利 2 1 。在工业生产中，大多数的搅拌操作均为机械 搅拌，以中、低压立式钢制容器的搅拌设备为主。 搅拌既可以是一种独立的流体力学范畴的单元操作，如进行液液混合、固 新型筒式搅拌器性能参数的实验研究 液悬浮、气液或液液分散等，又往往是完成其它单元操作如传热、吸收、萃取、 溶解、结晶等化学反应过程的必要手段。搅拌过程可使液体的各部分接近于均质 状态，增大分散相的有效接触面积，降低分散相周围的液膜阻力，增大相对速度 提高传热速率等。搅拌过程的影响因素复杂繁多，但是考察其特点，不外乎是使 用搅拌器或其它手段使设备内的流体产生适当的流动状态，在流动状态中达到各 种操作目的。因此，认识搅拌过程，就要知道设备内的流体流动状态和各种搅拌 目的，也就是要考察流体的流动状态和传热、传质、微粒细化分散等过程有什么 关联。基于这个观点，最方便的就是以搅拌介质的相态将搅拌过程加以分类。这 样可将搅拌过程分为均相系和非均相系两大类。前者为互溶液体的搅拌，后者包 括不互溶液体的搅拌、气液相的搅拌以及固液相的搅拌。当搅拌介质的粘度相 当高时，它的流动状态又有特殊性，所以一般又单独分类为高粘度液的搅拌 2 1 。 搅拌过程的研究需要多种先进的精密的测试仪器，近来能够测试的参数逐渐 增多，仍有很多问题需要解决。目前搅拌器设计还多是根据一些个别条件下的实 验资料，要达到最佳目的的设计还很难。国内外学者都期待着搅拌过程的理论研 究能与实际技术密切结合，使搅拌器的设计更有效，使搅拌过程的进行更合理。 1 2 搅拌设备嘲 搅拌设备主要由搅拌装置、轴封和搅拌罐三大部分组成。搅拌装置包括传动 装置、搅拌轴和叶轮，其中搅拌轴和叶轮在一起组合成搅拌器p j ，如图1 1 所示。 搅拌设备在工业生产中应用范围很广，尤其是化学工业中，很多的化工生产 都或多或少的应用搅拌操作。化学工艺过程中的化学变化是以参加反应物质的充 分混合为前提的。对于加热、冷却和液体萃取以及气体吸收等物理变化过程，也 往往要采用搅拌操作才能得到好的效果。搅拌设备在许多场合是作为反应器来应 用的。例如在三大合成材料的生产中，搅拌设备作为反应器约占反应器总数的 9 0 0 , 6 。燃料、医药、农药、油漆等其它行业中，搅拌设备的使用也很广泛。有色 冶金部门对全国有色冶金行业中的搅拌设备做了调查及功率测定，结果是许多湿 法车间的动力消耗5 0 以上是用在搅拌作业上。搅拌设备的应用范围之所以这样 广泛，还因搅拌设备浓度、温度、停留时间等操作条件的可控范围较广，又能适 应多样化的生产。 2 青岛科技大学研究生学位论文 图l - 1 典型的搅拌设备结构图 r i g 1 lt h ec o n f i g u r a t i o nf t - d m eo f t h et y p i c a lc h u r nu pe q u i p m e n t 1 一马达币口减速器组成的驱动装置2 一支架3 一带密封圈的轴支承4 一视孔 5 一容器6 一加热或冷却夹套7 一搅拌轴8 一搅拌叶轮9 一放液口1 0 一进料口 搅拌设备的作用如下：( 1 ) 使物料混合均匀；( 2 ) 使气体在液相中很好地分散； ( 3 ) 使固体粒子( 如催化剂) 在液相中均匀地悬浮；( 4 ) 使不相溶的另一液相均匀 悬浮或充分乳化；( 5 ) 强化相间的传质( 如吸收等) ；( 6 ) 强化传热。对于均相反 应，主要是( 1 ) 、( 6 ) 两点。混合的快慢、均匀程度和传热情况好坏，都会影响反应 结果。至于非均相系统，则还影响到相界面的大小和相间的传质速度，情况就更 复杂。所以搅拌情况的改变，常很敏感地影响到产品的质量和产量。在溶液聚合 和本体聚合的液相聚合反应装置中，搅拌的主要作用是：促进釜内物料流动，使 反应器内物料均匀分布，增大传质和传热系数。在聚合反应过程中，往往随着转 化率的增加，聚合液的粘度也增加。如果搅拌情况不好，就会造成传热系数下降 或局部过热，物料和催化剂分散不均匀，影响聚合产品的质量，也容易导致聚合 物粘壁，使聚合反应操作不能很好的进行下去。 在互不相溶的液体之间或液体和固体相互作用时，搅拌在加速反应的进行方 面起着非常重要的作用。因为增加一物相混入另一物相的速度，接触面就会增大， 物质就以较大速度相互作用。在某些情况下，搅拌是在反应过程中创造良好条件 的一个重要因素。例如，使传热作用加强，减少局部过热，以及避免加热过程中 物质焦化等。如高压聚乙烯生产中，由于搅拌器的作用，使物料在反应器内有一 3 新型筒式搅拌器性能参数的实验研究 定的停留时间，更重要的是使催化剂在器内分布均匀，以防止局部猛烈的聚合 用而造成爆炸。因此搅拌设备在工业生产中起着非常重要的作用。 搅拌设备用于物料混合、溶解、传热、制备悬浮液、聚合反应、制备催化 等石油化工生产中。例如石油行业中，异种原油的混合调整和精制，汽油中添 四乙基铅等添加物而进行混合使原料液或产品均匀化。制造苯乙烯、乙烯、高 聚乙烯、聚丙烯、合成橡胶、苯胺染料和油漆颜料等工艺过程，都装备有各种 式的搅拌设备。 因为石油工业中大量应用催化剂、添加剂，所以对搅拌设备的需要量很大 由于物料操作条件的复杂性、多样性，对搅拌设备的要求也复杂化了。如炼油 的硅铝反应器、打浆罐、钡化反应釜、硫磷化反应釜、烃化反应釜、自土混合 等都是装有各种不同形式搅拌器的搅拌设备。大型原油贮罐中，由于原油里含有 多种不同的组分，各组分重度不同，因此油罐中会出现各处组成不一的现象，为 使油罐中上下组成均一，就必须将原油不断地进行搅拌。 搅拌设备在化学纤维生产中，如聚酯、尼龙等生产装置中就有很多种类。功 率从0 0 9 至3 7 k w ，转速从6 5 至1 5 0 0 r m i n ，种类繁多，桨叶的形式也多种多样。 如催化剂活化设备，是将雷尼镍催化剂在进入加氢反应器前在该设备中活化。活 化设备的本体分两大部分，上部是活化部分，下部是增稠部分，搅拌器安装在罐 项，功率为5 5 k w ，转速为2 0 r m i n 。在同一轴上分别装有三种搅拌器。在设备 的活化部分，有特殊锚式搅拌器，可加速并充分完成活化过程。设备中间的螺带 式搅拌器是为了促进增稠作用，因为热工艺水由罐底进入后，便向上逆流洗涤活 化液，将较轻的铝酸钠和过量的氢氧化钠向上冲洗，直至由增稠部分顶部的废水 出口排出。设备底部的锚式搅拌器是为了防止较重的镍长期沉积在罐底。 在新型农药胺菊酯的工业化试验中，是在液相中以铜粉为催化剂的反应， 成功地使用了行星搅拌器。这种搅拌器主要由一对圆锥齿轮和一根带曲柄的锚式 搅拌器组成。当传动轴通过曲柄带动搅拌器转动时，搅拌器上端的小圆锥齿轮绕 着大圆锥齿轮滚动，从而获得了两种方式的运动。一种是以搅拌器本身为轴心的 转动，称为“自转一，另一种是旋转的搅拌器以反应釜中心线为轴心的转动，称 为“公转一。这两种运动互相迭合，使流体在釜内既有垂直方向的运动，又有水 平方向的运动。强烈的对流遍及反应釜内每一个角落，从而使密度相差悬殊的固、 液两相混合，解决了因铜粉易沉淀，不易混合均匀的问题。 生产高压聚乙烯的反应器是超高压反应能够设备。乙烯气与催化剂、调节剂 进入反应器后在2 0 0 m p a 的超高压、2 5 0 1 2 的高温下进行聚合。反应器内有一搅拌 器进行搅拌。根据产品种类不同，可在搅拌轴上安装区间挡板，组成单区操作或 同压异温的双区操作。由于采用带槽和开有孔的搅拌轴，在保证刚性的条件下， 4 青岛科技大学研究生学位论文 大大地减轻了轴的重量，而且增加了反应空间，改善了搅拌性能。在轴的两端带 有平衡块，以满足调整轴的动平衡精度的要求。桨叶为弓形，用螺钉与轴连接。 搅拌轴上桨叶与筒体内壁的问隙较大，为5 5 r a m ，区间挡板与筒体内壁的间隙为 1 6 n r a 。搅拌转速为1 0 0 0 r m i n 或1 5 0 0 r m i n 。搅拌的传动装置电机等亦装载反应 器内，这样避免了超高压条件下的动密封问题。 电影胶片厂使用的高速搅拌器，转速达8 0 0 0 - - - 1 0 0 0 0 r m i n 。在搅拌头内，装 有与搅拌轴直联的高速回转透平转子，它以微小的间隙安装在不动的定子内。操 作时，由于轴的高速回转，带动着透平转子高速回转，这样，便在搅拌头的上下 部位形成压力差，被搅拌的液体便沿着搅拌头底部的吸入孔不断地吸入，吸入的 液体经定子与转子之间的缝隙流至上部，并以极大的动能冲至上部折流板，液体 再被折流板折回，并沿搅拌器边壁流至搅拌器底部。由于液体不断受到反复的强 制循环，同时在搅拌头内又承受着高速旋转的转子与定子产生的强烈剪切、撞击、 粉碎、研磨等作用，因此能在极短的时间里将物质微粒化、均匀化。这种搅拌设 备用于彩色胶片成色剂分散时，分散后的油珠细小、均匀，一般在0 2 0 5l am 之间，制成的影片效果好。这种搅拌设备不仅可用来分散油溶性成色剂，而且对 染料、涂料、印刷材料、化纤、食品工业也是一种理想的设备。 搅拌也可以在管路中迸行，采取在管路中安装装置的办法对于气一液系和液一 液系进行混合。例如采用喷射泵对水及醋酸丁酯进行混合。在石油精制中，也采 用使液体流过设置在管路中的锐孔板或挡板，以便使两种液体进行接触。还有在 管道中放入搅拌器的，即所谓管道搅拌。 管道搅拌设备能连续输送一切流体，也能输送含有固体的流动化的半流体。 此种搅拌型式，相当于搅拌设备的筒体部分，容积较小，流体在此停留时间极短 ( 数十秒) 的情况比较多。在其内部为了充分进行混合分散或传热等需要极强的 搅拌。由于管道搅拌设备空间很小，装置小，可使搅拌力均匀作用，可减少过剩 的搅拌，所以对整个液体减少了功率消耗。对于连续化、自动化，特别是对成本 有严格要求的，要求特别小的形状和高性能时，使用管道搅拌设备是很有效的正 因为管道搅拌设备有这些优点，所以在石油精制、石油化工、化学纤维、食品等 工业和水处理技术中广泛被用于液一液混合、浓度调整、液一液萃取、油质乳化、 液一液稀释溶解、固一液溶解、液一液和气一液反应等场合。 管道搅拌设备的种类，按混合壳体不同大体分为直管型、交错型、角型和偏 心型等。最简单的型式是直管型，它容易制造，压力损失低，清扫方便。但滞留 时间分布大，也就是说存在短路比较多，准确度低的问题。对此有所改进的是交 错型。角型因介质出入方向不同，特别是截面积变大，能诱使液体的旋转，搅拌 力容易均匀作用，但因简体轴线和搅拌轴轴线同心的情况比较多，容易引起离心 5 完成所有的搅拌任务，并能处理那些特别是化学工业中经常遇到的各种粘度的物 料。搅拌设备使用历史悠久，应用范围广。但对搅拌操作的科学研究还很不够。 搅拌操作看来似乎简单，但实际上，它所涉及的因素却极为复杂。对于搅拌器型 式的选择，从工艺的观点以及力学观点来说，迄今都研究得不够。过去有很多文 献论述了搅拌设备的动力消耗，并给出了不少情况下的计算公式，但是由于使用 介质操作条件的不同，物理化学性能的差异，容器形状及内部设施的不同以及各 种搅拌器特性上的区别，正确确定搅拌功率并适当地选择驱动电机十分困难。在 没有模拟试验的情况下，设计新搅拌设备时，常采用现有设备数据的方法，宁大 勿小，结果造成了不少浪费。国内有些单位对一些生产中的搅拌设备进行了功率 测试，从测试的结果可以看到，由于功率消耗难于计算准确，电动机选用过大， 造成了负荷率很低的不合理现象。 对于搅拌设备的研究，除功率问题外，有关搅拌的流体力学研究具有重要意 义。这方面已做了许多工作，但尚需扩大和深入。在液体中进行搅拌时，搅拌器 的功能不仅引起液体的整个运动，而且会在液体中产生湍动，湍动程度与搅拌器 使液体旋转而产生的旋涡现象有密切关系。这些旋涡因经常的互相撞击和破裂， 使液体受到剧烈的搅拌。所以可见在搅拌操作中，对于搅拌设备和流体力学的研 究都是极为重要的。 1 3 搅拌器的分类和使用条件嘲 搅拌是一种广泛应用的单元操作，它的复杂性正在于它的原理要涉及流体力 学、传热、传质及化学反应等多种过程。首先遇到的问题就是要了解搅拌过程的 特点、各种搅拌过程对搅拌有什么要求，这些都是搅拌器选型的出发点。要进行 搅拌器的选型，应该分析搅拌器的功能，应该了解搅拌器所能提供的能量。搅拌 6 青岛科技大学研究生学位论文 过程本身需要外界供给多大的能量才能完成，这是很重要的数据，可惜目前的研 究成果还不能完全解决这个问题，资料也很少。至于一定型式的搅拌器在一定物 性的介质中以一定运转参数运转所需要的动力及搅拌器的功率，目前已有许多资 料可用来计算。通常如果搅拌器的型式能够产生所希望的流动状态，达到搅拌的 目的，那么使搅拌器正常连续运转所需消耗的轴功率也就是搅拌过程从搅拌器得 到的功率，而不去过问这种能量供给多了或是少了，是不是最佳状态。 由于搅拌过程和介质不同，搅拌器型式多种多样，并在典型的搅拌器的基础 上出现了许多改型。这些改型的适应性不一定很广，但对某种过程可能有针对性， 搅拌效果较好。还有一类组合式的搅拌器。有的将快速型叶轮和慢速型叶轮适当 地组合在一起，可适用在粘度有变化的搅拌过程。有的将剪切型叶轮和排出型叶 轮组合在一起，以利用两者的长处。 搅拌过程既然有赖于搅拌器的正常运转，当然搅拌器的结构、强度也不容忽 视。由于搅拌操作的多种多样，也使搅拌器存在着许多型式。各种搅拌器在配合 各种可控制流动状态的附件后，更能使流动状态以及供给能量的情况出现多种变 化，更有利于强化不同的搅拌过程。典型的搅拌器型式有桨式、涡轮式、推进式、 布鲁马进式、齿片式、锚式、板式、框式、螺带式、螺杆式等。 ( 1 )( 2 )( 3 )( 4 ) ( 5 )( 6 ) 图1 - 2 典型的搅拌器型式 f i g 1 - 2t y p i c a li m p e l l e r sm o d e ( 1 ) 桨式( 2 ) 折叶涡轮式( 3 ) 推进式( 4 ) 锚式( 5 ) 板式( 6 ) 螺带式 常用叶轮的结构特点和使用条件： ( 1 ) 齿片式叶轮 在所有叶轮中齿片式叶轮使用的转速最高，通常其转速为5 0 0 - - - 3 0 0 0 r m i n ， 相当于叶端线速度1 5 - - 一3 0 m s 。在低粘度液体的场合，叶径与罐径之比为0 2 5 - , 0 3 5 ，随粘度的增加，叶径增大，但没有d d 超过0 5 的。齿片式叶轮外周的锯 齿状叶片的高速旋转使之具有高的剪切力，投入能量的7 5 在叶片近旁以剪切的 形式消耗掉。 7 新型筒式搅拌器性能参数的实验研究 齿片式叶轮的应用领域有：液一液分散体系，如树脂的混合；固一 使高岭土、粘土、氯化钙和颜料等达到高度分散。该叶轮的粘度适用 5 0 p a s 。 ( 2 ) 推进式叶轮 作为搅拌用的推进式叶轮，其叶片通常由钢板扭曲而制得。推进 转时使液体向前方成轴向流排出，使之在罐内形成循环。然而，若将 安装在无挡板的圆筒形搅拌罐的中心，则在叶轮旋转的同时，罐内液 与轴向流相比，还是水平回转流占主要地位，其混合效果就减弱，这 循环流动才是促进宏观混合的真正动力。为防止水平回转流，可在罐 也可将搅拌轴偏心或倾斜安装，若把推进式叶轮与导流筒配合，则能 轴向流。使用挡板以及使叶轮偏心或倾斜安装都将使叶轮排出流受到 了剪切作用，故推进式叶轮仍有相当部分的能量分配到剪切作用上。 推进式叶轮所用的转速一般为2 0 0 - - , 4 0 0 r l m i n ，在此转速范围内搅 很小巧，故可制成便携式的。叶轮直径通常为罐径的1 0 - - 3 0 ，是比 此推进式叶轮不能用于过高的粘度，最多到2 一- - 3 p a s 。 ( 3 ) 涡轮式叶轮 涡轮式叶轮随叶片形状和安装的角度不同其名称和用途也不同。 有两大类，一类是有一个圆盘安装在轮毂上，叶片再安装在圆盘上， 轮式，另一种是直接安装在轮毂上，称为开启涡轮式。若叶片垂直安装的称为径 向流涡轮，叶片倾斜安装的称为轴向流涡轮。若叶片呈弯曲形的还可称作弯曲叶 涡轮。径向流涡轮旋转起来把液体从轴方向吸入而向与轴垂直的方向( 径向) 排 出。当罐内有挡板时，排出流遇到罐壁则上下分开，使罐内形成上下循环的流型。 这种叶轮功率消耗大，剪切力强，又具有排出功能。因此它适用于既要有强的剪 切，又要有一定循环流量的场合，如，在液液体系用于乳化、乳业聚合、悬浮聚 合、萃取等；在固液体系则用于把干的和湿的滤饼再捣碎成浆状以及使固体一面 破碎一面溶解；对于气液体系则用于氧化反应那样的气体分散和伴有化学反应的 吸收等。对于圆盘涡轮，由于它能在叶轮下一度保持气体进而使之分散，减少气 体的浪费，因此很多气液操作都用它。另一方面，轴向流涡轮使液体沿与轴平行 的方向排出，使其进行有效的轴向循环。产生同样的排量，这种叶轮所需的功率 仅占径向流涡轮的一半，所以对罐内循环流占重要地位的场合，它是有效的叶轮。 这种叶轮主要用于液液系和固液系中需要强循环的场合，如均一混合、反应、 传热等。 涡轮式叶轮的叶径与罐径之比通常为0 2 5 ，- - 0 5 ，转速为5 0 一- 3 0 0 r m i n ，适 应的最高粘度为3 0 p a s 左右。 8 青岛科技大学研究生学位论文 通常弯曲叶径向流涡轮的叶片是用钢板弯曲制成的，有些场合用压扁的圆管 来制作万弯曲形叶片。并且为了能使叶轮能贴近罐的封头安装，将叶片略向上翘 ( 上翘角约1 5 。左右) ，叶片有二叶、三叶和四叶的，其中以三叶的用的最多， 且往往叶片的倾角秽不是9 0 。而是7 5 。8 0 。，习惯上常将此类叶轮称为后掠 式叶轮。三叶后掠式叶轮还被称作法武都拉式( p f a u d l e r ) 叶轮，因为它是法武 都拉公司开发的，它常与指形挡板配合用于混合、传热、悬浮、气体吸收和乳化。 三叶后掠式叶轮还常用于搪玻璃搅拌釜中。用压扁的圆管制得的后掠式叶轮，与 叶片数、叶径和叶片宽度相同而用钢板制成的弯曲叶涡轮相比，以同样转速搅拌 同样的低粘度液体时，搅拌功率要低2 0 左右，且后掠式叶轮的帆值也比相 应的弯曲叶涡轮低，即其功耗中用于产生排量的比例大于弯曲叶涡轮。新型的悬 浮聚合反应器中几乎都使用后掠式叶轮。 布鲁马金式叶轮也属于弯曲叶径向流涡轮，但其帆值比弯曲叶涡轮和三 叶后掠式叶轮要小，其循环性能更好。 ( 4 ) 桨式叶轮 桨式叶轮通常为二个叶片，是搅拌叶轮中最简单的一种。与涡轮式叶轮一样， 根据叶片的垂直或倾斜安装可分成径向流型和轴向流型。桨式叶轮主要用于排出 流是必要的场合，由于在同样的排量下，轴向流叶轮的功耗比径向流低，故轴向 流叶轮使用较多。由于结构简单，即使叶径大，造价也不高，故往往用于大叶径、 低转速的场合。其主要用途为：在液一液系用于防止分离和使温度均一；在固液 系，多用于防止固体沉降。然而，桨式叶轮不适用于气液分散那样保持气体和以 细微化为目的的操作。还有，由于其适合于制成大叶径，故也可用于高粘度液体 的搅拌，这种场合为了促使液体上下交换，或者使用3 5 层的多层叶轮，或者 使用变形的桨式叶轮。虽然，对于高粘度液体的混合来说，它的效果比昂贵的螺 带式叶轮要差一点，但对于液体粘度不是太高，或者对混合的要求不是太高的场 合，桨式叶轮由于其造价低，还往往被选用。从2 0 世纪9 0 年代日本对立式搅拌 机的采购分析，桨式、涡轮式和推进式三者占全体的7 5 8 0 ，而桨式又占其中 的6 0 - - 7 0 ，由此，对于立式搅拌机，使用桨式叶轮的占5 0 左右。 对于低粘度液体，桨式叶轮的叶径与罐径之比为0 3 5 - - 0 5 ，对于高粘度液 体为0 6 5 - - 0 9 ；使用的转速为2 0 - 1 0 0 r m i n ；适应的最高粘度为5 0 p a s 。 ( 5 ) 锚式叶轮 锚式、框式叶轮属于同一类，这些叶轮的桨径对罐径之比d d 较大，通常在 低速下运行，在搅拌低粘度液体时不产生大的剪切力，因此它不适用于液液和气 - 液分散。另一方面，这些叶轮在罐内移动的流量大，水平会转流占支配地位，不 具有良好的混合均一性，然而在罐壁附近的流速比其他叶轮大，能得到大的传热 9 新型筒式搅拌器性能参数的实验研究 膜系数，故常用于传热、晶析操作。另外，由于其叶径较大，且与罐底贴近，也 常用它来搅拌高浓度淤浆和沉降性淤浆。还有它也常用于高粘度流体的搅拌，然 而随流体粘度的增高，罐内的流动减少，有传动装置传入的能量作为叶轮和流体 的摩擦( 剪切) 消耗掉的比例增大。从搅拌效果看，在叶片近旁有液体的交换， 而在轴附近则存在几乎不起搅拌作用的部分，使用变形框式叶轮，可使情况改善， 然而仍不能全部解决问题。要使高粘度流体完全流动非要用螺带式叶轮那样具有 强制液体进行挤出流动的叶轮。然而，与螺带式叶轮相比，锚式叶轮的价格低， 在叶径和转速相同时，其搅拌功率仅为螺带的2 3 ，因此对那些不特别强调混合 效果的场合，往往选用锚式叶轮。在特殊的场合，为了消除锚式叶轮剪切力不大， 以及轴附近有混合死区的缺点，可以用框式叶轮与多层涡轮式叶轮组合成同轴线 双轴搅拌机。同时为了能利用其叶片与罐底和罐壁贴近的优点以获得更高的传热 效果，还可以在锚式叶轮的叶片上安装刮板，不断刮去易于附着在罐壁上的液体。 使用于低粘度液体时，锚式叶轮的叶径与罐径比为0 7 - 0 9 ，对于高粘度的 液体则为0 8 - - 0 9 5 。转速通常为l o 5 0 r m i n ，适用的最高粘度为2 0 0 - - - 3 0 0 p a s 。 ( 6 ) 螺带式叶轮 螺带式叶轮的叶片是把细长形的金属卷成螺旋状而制成的，它是搅拌高粘度 流体时不可缺少的一种叶轮形式。螺带的宽度约为叶径的5 1 5 ，通常为1 0 。 螺带的枚数一般为2 ，称之为双螺带叶轮；也有用一条螺带的单螺带叶轮；有时 将一枚螺带放在外侧，另一枚螺带放在中间，并使叶轮转动时，内外两条螺带推 动液体前进的方向相反，设计时使得两条螺带推动液体的排量相同，这种螺带称 内外单螺带。与内外单螺带类似的还有螺带一螺杆式叶轮，螺带与螺杆分别使液 体向相反方向流动，使全罐形成整体的轴向循环。在设计螺带一螺杆式叶轮时， 也需注意使螺带与螺杆的排量相等。由于螺带式叶轮是用于搅拌高粘度流体的， 故其叶径与罐径之比应取得大，至少应等于o 9 ，大的可使叶轮与罐之间几乎无 间隙。而且为了提高传热能力，极力减少罐壁上的附着物，还可在螺带上装刮板。 螺带的高度通常取罐底至液面的高度。螺带旋转一周的高度称螺距，一般螺带为 一至二个螺距。一个螺距的高度约等于叶径。搅拌高粘度流体时通常使用锚式和 螺带式叶轮，然而二者的混合效果大有区别，锚式叶轮几乎不产生上下流动，在 罐中心部的混合效果也较差，且液体粘度越高，这种缺点越明显。另一方面，螺 带式叶轮利用其本身的结构特点和液体的粘性，产生以上下循环流为主的流动， 随搅拌轴旋转的方向不同，罐内有螺带存在的外周部液体被向上推或向下压，同 时在罐中心部则液体相应的下降或上升，从而形成全罐液体的上下循环流动。至 于哪一种旋转方向好，不能一概而论，尽可能以小试验确认。有时，回转方向不 i o 青岛科技大学研究生学位论文 同，所需搅拌功率也不同。 使用螺带式叶轮的场合有：制造合成橡胶、合成树脂的聚合反应等，对液体 和粉体形成的湿泥状液也能使用。对于膏状物( o r e 1 1 1 1 ) 、粘性低的淤浆液和粘性 低的易剪断物，螺带式叶轮不宜使用。一般认为，在雷诺数大于1 0 0 时，使用螺 带式叶轮是低效的。 ( 7 ) m i g 和i n t e r m i g 叶轮 i i g 式和i n t e r m i g 式叶轮在欧洲使用较广泛。“m i g 的意义是多段逆流搅拌 器，i n t e r m i g 是其改进型。这两种叶轮的设计原理是相同的，当叶轮旋转时，叶 片的端部和根部分别把液体向相反的方向推进，促进液体形成轴向循环。由于m 工g 式和i n t e r m i g 式常是多层的使用，因此从整个搅拌器看，这两种叶轮类似于一 个非连续的内外单螺带叶轮或非连续的螺带一螺杆式叶轮。这两种叶轮适合于低、 中粘度液体，特别适合于过渡流域下操作。在过渡流域，在叶轮近旁有小的湍流 区能连接起来，形成全罐整体的轴向循环，故具有与内外单螺带叶轮相当的混合 速率，另一方面这两种叶轮的功率准数n p 小于内外单螺带，因此在过渡流域，其 混合效率远高于内外单螺带叶轮。然而，当粘度很高，叶轮在层流域操作时，相 邻叶轮使液体产生的轴向流动不能衔接起来，不能使全罐形成整体的轴向循环， 在相邻的叶轮之间有混合不良区，这时这两种叶轮的混合效果就比叶片连续的螺 带式叶轮差得多了。因此，u i g 式和i n t e i 瑚i g 式叶轮不宜在胎小于1 0 0 的情况 下操作。 图卜3l i i g 式搅拌叶轮m f 谵1 - 3w h i s ki m p e l l e rm i g m i g 式和i n t e r m i g 式叶轮也非常适合于低、中粘度液体的固一液悬浮、液一 液分散和传热。 ( 8 ) 三角形叶轮 通常的搅拌器总是向一个方向旋转，罐内无挡板时，液体的流动也是向一个 方向进行回转运动。这时由于不能产生有效的剪切和上下循环，混合效果不佳。 一般为避免此缺点，要在罐内装置挡板。然而，有些流体要附着到挡板上，要清 1 4 搅拌器选型 搅拌目的、物料性质、搅拌设备型式的多样性和物料在搅拌设备内流动的复 杂性，使搅拌设备的选型、设计难以在一个严密的理论指导下完成，很大程度依 赖于经验。在搅拌条件确定后，搅拌叶轮型式的选定非常重要。各种搅拌过程对 搅拌的要求有共性，而各种搅拌器的性能也有共性，这样往往是适于某一种搅拌 操作的可能有几种型式的搅拌器，而同一种搅拌器也可用于几种搅拌过程。当然 严格地说，还是各有所长的，诸如粘度高低、容积大小、转速范围等，都会影响 搅拌器使用的效果1 2 j 。 目前选型方法多数根据经验，选择习惯应用的桨型，再在常用范围内决定搅 拌器的各种参数。除运用经验和公式计算所需动力、回转参数外，还需要以中小 模拟试验为基准，进行放大，以符合实际操作1 5 。不论哪种方法，都离不开最初 的根据搅拌目的选择搅拌器类型这一步。选型资料比较多，但是由于影响搅拌过 程复杂，各自实验的重点不同，彼此的结论也有不相一致的地方。如有的资料介 1 2 青岛科技大学研究生学位论文 绍某种桨型应用范围窄，而另外的资料则介绍应用范围宽。这也说明多数情况下 的选型不是绝对的，使用范围也是有弹性的。选型不仅要考虑搅拌过程的目的， 也要考虑动力消耗的问题。在达到同样搅拌效果时，当然不希望过多地消耗动力。 而有时需要给搅拌过程较大的能量时，某些搅拌器却又无能为力，这些都会影响 搅拌的选型。另外搅拌器的结构，也是选型时要考虑的因素。所以一个完整的选 型方案必须满足经济与安全的要求。 目前，在搅拌器的选用时一般按需搅拌的料液粘度以及搅拌目的来选择其型 式旧。 粘度对搅拌效果的好坏是一个很重要的因素。低粘度料液混合时的流动形式 是湍流，运动时高速旋转的旋涡尺寸越小，对液体微团的破碎作用越大，混合效 果就越好。由此看来应选用直径小，高转速搅拌器。性能优劣依次为：推进式、 涡轮式、桨式。 反之，高粘度料液混合时的流动形式通