3.14筒式搅拌器的设计与性能初探.doc

本文档由云轩亭论文网整理提供 ！ 筒式搅拌器的设计与性能初探1 引言 搅拌操作时过程工业中最为重要的单元操作，而搅拌器无疑是搅拌操作中最为关键的设备，其选用的合理性直接影响着化学反应的过程，因此是工程设计中不容忽视的重要环节。就目前的实际情况来看，搅拌器正向着两个方向发展，一是对原有搅拌器的改进，二是设计制造新型的搅拌器。另外，在微型化方向，搅拌器也得到了长足的进步。在工业过程中，应用最为广泛的就是机械搅拌，筒式搅拌器是机械搅拌器的一种，具有搅拌性能好、结构简单、适用物料范围较广的特点。本次研究主要是设计一种新型的筒式搅拌器，并对其工作原理和结构特性进行了分析，筒式与推进式搅拌器和涡轮式搅拌器进行了比较。2 筒式搅拌器的原理2.1 搅拌器结构 筒式搅拌器的外壳为圆筒形，设有有序开槽，同时，按照一定的角度向筒的内侧安装流线型翅片，其目的是在搅拌过程中向流体介质提供所需的流型和能量。在转动时，机械能会首先传向流体，而流体则在翅片的作用下通过槽隙向外流出，在形成充分混合区的筒式产生高速射流，流体因此具备较高的压头，推动液体在搅拌容器内循环流动。介质在圆筒导流的作用下，从顶、底部流入筒内，完成一个循环，从而改变了以往搅拌器流场不均匀的现象，使介质流动更加均匀。2.2 搅拌器原理 不同搅拌器在运转过程中会产生不同的流体流型，其原因主要在于搅拌器工作原理的不同，下面就对搅拌器的不同原理进行介绍。 （1）离心力原理。在搅拌轴的带动下，筒式搅拌器会让流体受到离心力的作用，使流体由筒体的中心逐渐被抛向外围，在流体处于翅片外周位置时，其动能和流速最大。 （2）搅拌器的筒体会将各个叶片抛出的液体汇集在一起，使其在动能作用下沿着周向和径向运动，并最终转化为静压能，这样就使得液体向筒内流动。所以筒体不仅起到了一个导流的作用，还发挥了连通器作用，属于能量转换装置。（3）液体吸上原理。翅片的高速旋转会使筒体中心部位的液体以较高速度抛出，中心部位因此形成低压，使位于底部的液体被不断吸上。在搅拌过程中，液体与翅片一同作旋转运动，并经由槽隙向外流动，因此，液体质点在翅片内的速度有三个：圆周运动速度。=R=2Rn/60（1）其中，R表示的是搅拌器的半径；表示的是角速度；n表示的是转速。相对运动速度。即液体质点相对于圆筒的相对运动速度。绝对运动速度c。设等于液体质点的绝对运动速度与圆周运动速度的夹角，等于相对运动速度与圆周运动速度反向延长线的夹角，则c cos=cctg（2）对于筒式搅拌器的实验观察与流场运动分析结果是一致的，也就是筒式搅拌器的流场分为来哪个部分，其中一部分液体会流入底部，并通过筒体下端口进入筒体。另一个部分则会流入通过上端口流入筒体。这样一来，整个搅拌釜就被流场所包裹，消除了搅拌死角，搅拌效果因此得到提升。3 对筒式搅拌器的实验研究3.1 实验研究本次实验主要对筒式、推进式和涡轮式搅拌器的搅拌效率、能耗进行比较，所使用的设备为IKA EuRosTAR power control搅拌动力装置。其中，筒式搅拌器的直径为5cm，推进和涡轮式搅拌器的直径为4.5cm。搅拌釜底与搅拌桨的距离为2cm。在实验过程中，将搅拌转速限定为50500r/min，搅拌釜直径为D65357mm。实验的变化参数为搅拌转速和搅拌桨与搅拌釜的直径比，进行此项设计的目的就在于对不同搅拌速度和不同直径比情况下的搅拌扭矩进行测定，从而计算出不同搅拌器的搅拌功率。 在实验过程中，在水中加入0.02g/ml加碘淀粉的溶液，并在搅拌过程中滴入硫代硫酸钠溶液使其颜色由蓝变白，通过对颜色完全变化所需时间的测量来对搅拌效率进行计算。 根据实验所得的数据对搅拌轴的搅拌功率进行计算，p=Tn/9549（3） 其中，p表示的是搅拌轴的功率，T表示的是搅拌轴的扭矩，n表示的是搅拌轴的转速。 由力的平衡原理我们可知，实验中的搅拌轴功率等于搅拌桨功率。作为搅拌设备最基本的特征参数之一，搅拌功率准数N主要用来衡量搅拌釜内流体的流动状态和搅拌程度，另外，它还可以反映出搅拌操作所需要消耗的能量，其计算公式为：N=p/nd（4） 其中，表示的是介质的密度，n表示的是转速，d表示的是搅拌器的直径。 在雷诺数Re相等的条件下，搅拌器的功率准数与其能耗成正比，所以，功率准数的计算公式还可以写成N=K（Re）（5）在反映搅拌器液体混合效果的参数中，混合时间是非常重要的一个，而在对搅拌器的混合效率进行评价时，经常会用到Ce来对效率高低进行比较。在单位时间内，Ce与混合效率成反比关系，计算公式为Ce=2M P r/。（6）其中，Pv表示的是单位体积的功率，M表示的是混合时间，表示的是物料的黏度。由此可见，当物料的黏度一定时，我们所需要考虑的只是单位体积功率与混合时间的乘积。3.2 讨论在直径比一定的情况下，3种搅拌器的搅拌轴功率变化较为平缓，说明按照实验规定的搅拌转速，三种搅拌器均可正常工作，其工作特性也符合实验要求。在实验中，筒式搅拌桨的直径较另外两种更大，但是它们的搅拌轴功率基本相同，说明在同等条件下，筒式搅拌器能够更好的将电能转化为机械能。在实验转速的范围内，筒式搅拌器的功率准数仅为其它两种搅拌器的二分之一，说明在节能降耗方面，筒式搅拌器具有更高的优势。在搅拌效率方面，筒式搅拌器的反应时间远远小于其它两种搅拌器，可以大幅降低操作循环次数，减