搅拌系统的设计与应用上

搅拌系统的设计与应用上

1国内关于搅拌设计的研究现状从最初的非反应单位操作到后续搅拌装置的应用，搅拌发挥了越来越重要的作用，关于搅拌的研究也越来越深入。根据传统的概念,化学工业中工程技术人员的任务是开发、设计与操作,开发是研究步骤和将其经济合理的连接;设计是研究合适的设备型式、性能与尺寸;操作是对生产过程的管理、运转并改进以提高效率。作为搅拌设备的研制生产企业,搅拌设计及其应用是主要任务。目前化工搅拌设备在化学、食品、造纸、石油、水处理、冶金等工业中均有广泛的应用,并已经形成庞大的产业,在世界范围较有影响的知名企业如美国莱宁公司、德国EKATO公司等。很多研究者开始努力使搅拌设计在严密的理论指导下完成或将已有的经验变成专家系统软件成为科学一致的设计依据。美国著名混合设备公司之一的CHEMINEER公司就报道了拥有涡轮式搅拌设备设计AgDesign知识库软件;芬兰的LAPPEENRANTA工业大学也发表数篇关于混合设备初步设计的知识库论文。在国内,浙江长城减速机有限公司是搅拌技术开发与搅拌设备设计、制造的龙头企业,2006年负责起草了《搅拌器》行业标准,并于2008年11月承办了第一届全国工业搅拌技术会议。公司下设温州市长城搅拌设备设计研究所,拥有比较完善的搅拌研究仪器设备,包括用于流畅测量的PIV以及LDV等技术及设备,CFD技术也得到了应用。搅拌设备属于非标设备,设计过程包括工艺设计和机械设计,目前搅拌设计理论并不健全,以往的工作都是针对特定搅拌系统所进行的设计数据探索,致使很多文献中出现各种搅拌器样式以及采用诸多不同的设计计算公式,这也导致了目前大多数设计者依照自己的习惯和经验设计,结果因人而异,缺少科学性和一致性,更无最佳可言。本文力求通过总结前人的丰富经验,分析研究应用中的一些规律,形成与众多实践数据以及理论接近一致的设计原则,形成一个科学合理的设计思路供设计者遵循借鉴。当然这种设想需要通过一个过程来完成,这里只是开始的探索。2搅拌混合技术搅拌设备组成包括搅拌槽、旋转轴及轴上的搅拌器、辅助部件(密封装置、机架及槽内挡板等)。搅拌混合技术一直围绕的两个中心是:开发新型、高效搅拌设备;快速正确地选择和设计搅拌设备。显然,本文重点是第二项。下面对各个主要部分做综合概括,并对某些环节加以适当的分析讨论。2.1搅拌槽搅拌槽是盛装被搅拌液体的容器,从避免停滞区、流动不畅区或固体沉降区考虑,一般不用锥底以及方形。2.2旋转轴和轴上的搅拌2.2.1确定轴的基本尺寸很多文献有关于旋转轴的设计介绍,主要是确定危险截面处轴的最小尺寸,进行强度、刚度计算和校核、验算轴的临界转速和挠度。单跨搅拌轴径在单跨内各处相等,而悬臂搅拌轴的跨间和悬臂可等可不等。等直径段可存在的最大最小直径差在5%以内。旋转轴最大扭矩发生在传动侧轴承处。确定实际直径时还要考虑材料的腐蚀裕量,最后靠近标准轴径。大部分搅拌设备生产企业都拥有相关设计软件。旋转轴与搅拌槽的相对位置包括顶入式、底入式、侧入式、斜入式和偏置式等几种。旋转轴又分为刚性轴和柔性轴设计,刚性轴n≤0.7ncr,柔性轴n≥1.3ncr,柔性轴转速通常大于800r/min,制成空心。通常质量越大,自身频率越低;刚度越大,则自身频率越高。要改变机械系统自身的频率,改变刚性要比改变自身重量更容易。搅拌轴的允许转速比列于表1。采用柔性轴应注意满足以下条件:转速要快;不得在气体介质或气液介质中使用;搅拌槽充液高度不应低于1/2容器直径;单跨轴跨间段应是等直径轴段,悬臂轴的跨间和悬臂两个轴段的直径也必须相等;轴计算长度内不应该装有可拆联轴器;轴上只允许安装开启涡轮式、圆盘涡轮式、推进式和三叶后掠式等转速较高的搅拌器。搅拌系统的主件是搅拌器。下面对此做进一步说明。2.2.2种除尘器的组合使用搅拌器选型主要依据下述因素:搅拌目的;物料黏度;搅拌槽容积大小。搅拌目的:一是两种或多种可互溶的液体彼此混合均匀,比如稀释过程;二是使不互溶的液体混合,便如萃取、制备乳浊液,属于传质过程;三是使固体在液体中悬浮,如在液体中溶化固体颗粒,或从溶液中将固体结晶出来,或用固体吸附净化液体以及将催化剂悬浮在液体中反应等;四是促进液体与容器壁之间的传热并防止局部过热过冷。五是气-液分散,气-液-固三相混合,属于传质和化学反应过程。按照搅拌目的不同,根据每种搅拌器的特性加以分析选择。物料粘度:一般认为,小于5Pa·s的液体为低粘度流体,5~50Pa·s的液体为中粘度流体,50~500Pa·s的液体为高粘度流体,大于500Pa·s的液体为超高粘度流体。各种搅拌器对应着不同的适用粘度。搅拌槽容积:搅拌槽容积范围很广,决定着搅拌器的尺寸以及数量等。应用最广泛的搅拌槽是立式圆筒型顶入式,用于常压或非常压,配以挡板,通常L/D=1~1.3,最高可达到6。立式圆筒型或矩形斜入式,常用于3kW以下制成快装可拆型。立式圆筒型或矩形侧入式,用于大型储油罐。搅拌器选型就是选择流场和能量的匹配。除了极个别的情况以外,绝大多数普通液体搅拌操作都完全可以用桨式、涡轮式和推进式三种搅拌器完成,关键在于了解工艺过程对搅拌器中液体流型(轴向流、径向流和切向流)、液体循环流量和剪切力大小几方面的要求以及三种搅拌器可采用的具体构形,从而定出尺寸和转速的合理配合,产生所要求的流量(用排量数Nqd表征)和剪切力(高的Np/Nqd),并估算出功率损耗。不同搅拌器产生的液体流型、液体循环流量和剪切力不同。液体混合作用是主体对流扩散(循环流量)、涡流对流扩散(涡流或湍流)和液体分子扩散这三种扩散混合作用的综合,前两种是宏观混合,后一种是微观混合(分子水平上的混合),搅拌设备中前两种起主要作用。轴向流利于宏观混合,适宜均相液体混合和沉降速度低的固体悬浮。径向流适宜高剪切作用搅拌,气-液和液-液分散及固体溶解。切向流在平桨转速不大没有挡板时出现,容易形成打旋,除了提高釜内壁对流传热系数外,对其它搅拌过程是不利的,无法产生轴向流,通常在层流区使用。关于循环流量和剪切力以及排量数等概念在相关文献中有详细介绍,本文从略。(1)桨式搅拌器桨式搅拌器结构简单,一般由2块平桨叶组成,是搅拌器中最简单的一种,造价也最低。适用粘度范围在50Pa·s以下,一般不超过2Pa·s使用,主要用于排出流是必要的场合,大叶径,低转速,用于液-液,固-液,不用于气-液,可高粘度下多层使用。桨叶直径与釜内直径之比为0.35~0.8,一般取0.5~0.8倍;宽度一般为其长度的1/16~1/10;转速10~150r/min,一般为20~100r/min或小于3m/s。转速很低时可不加挡板。低速切线流,高速径向流,折叶桨产生轴向流。宏观混合效果好,在200m3以下的搅拌槽使用。(2)涡轮式搅拌器涡轮(透平)式搅拌器形式多,按照有无圆盘分为圆盘涡轮搅拌器和开启涡轮搅拌器两大类,叶轮有平直叶、折叶、后弯叶等。中等黏度50Pa·s以下使用。叶轮直径与釜内直径之比为0.2~0.5,以0.33为多。转速一般400~800r/min,可低至10r/min,也可高达到1500r/min与电机同速或16m/s以下。在100m3以下的搅拌槽使用。折叶式可在1000m3以下搅拌槽使用。(3)推进式搅拌器推进式(螺旋桨)搅拌器,适用于低粘度2Pa·s以下。搅拌器直径与釜内直径之比为0.2~0.5,一般控制直径不超过450mm。转速为100~500r/min,一般取转速200~400r/min,排除液体能力强,不适用于要求高剪切力的分散反应操作,在1000m3以下的搅拌槽使用。下面几种搅拌器是针对高粘度或低雷诺数情况下的使用的。(4)锚式搅拌器搅拌物料粘度可达100Pa·s,容积小于100m3。搅拌器直径与釜内直径之比为0.9~0.98,常用转速1~100r/min。高粘度时锚式比螺带式混合效果差的多,而低黏度时切应力又不够,轴向循环也很差,中间固体回转部体积大,只用在对搅拌效果要求不高以传热为重要目的的场合。(5)锚框式搅拌器使用最高粘度达300Pa·s,常用转速10~50r/min。(6)螺带式搅拌器搅拌高粘度20~100Pa·s的流体,宽度为叶径的5%~15%,分单双、内外、螺带螺杆等。内外相反,排量相等。螺距的高度约等于叶径。用于50m3以下的场合。转速不大于50r/min。(7)螺杆式搅拌器用于高粘度20~100Pa·s的流体,中央插入的螺杆式搅拌最好和导流筒配合使用,否则效果不好。转速不大于50r/min。2.3辅助设备2.3.1各种密封装置的标准根据工况和用户要求,选择合适的密封种类,釜用传动密封包括液封、填料密封、机械密封以及磁力传动密封,各种密封装置都有相应的标准。当搅拌介质为剧毒、易燃、易爆或较为昂贵的高纯度物料或需要在高真空状态下操作,应采用磁力传动密封。2.3.2该框架根据工况和搅拌设备设计的整体结构要求选择标准机架或设计特殊机架。2.3.3下槽底—釜内挡板挡板配合搅拌器实现搅拌效果。严格的全挡板条件是:一般安装4~6个挡板,宽度为槽径的1/10或1/12,下端至槽底,上端露出液面。Re小于100或黏度大于50Pa·s时不设挡板。对于中等黏度液体(粘度高于20Pa·s),挡板应离壁置放(相距一个挡板宽度)避免出现停滞区,挡板宽度可减小到原来的75%,较高粘度液体用挡板应倾斜置放,并将宽度减少到槽径的1/20。2.3.4导流筒设计方案推进式和螺杆式叶轮常采用导流筒导流。通常直径为槽径的0.7倍,高度和螺杆相等或略高,导流筒上端要抵于静液中心,且筒身开有槽或孔,采用导流筒要有几个尺寸相等:筒内中心面积=对应筒外环型面积=筒上流过柱面面积=筒下流过柱面面积。3层流与过度流和多元复合相3.1搅拌功率准数随雷诺数的变化对于不打旋系统,搅拌功率准数在湍流区为常量,并且只与搅拌器构型有关,对此,很多学者借助试验手段对一些搅拌器功率准数进行了实验测量,也有关于搅拌器功率准数的理论计算研究。实际应用中,在过渡流区和层流区的搅拌也时有需要,其功率准数有不同于湍流区的特殊规律,了解和掌握这些规律,对搅拌研究和应用具有同样重要的意义。湍流区搅拌功率计算公式:其中带下划线为常数,有时Np用K2代替,一些搅拌器的Np或K2在相关资料中可以查到。层流区搅拌功率计算公式:其中带下划线为常数,一些搅拌器的K1在相关资料中可以查到。将式(2)变型为:式(3)是层流区搅拌功率计算公式,和湍流区搅拌功率计算公式具有相同的型式,只是湍流区搅拌功率准数Np或K2在层流区换成K1/Re代入计算。以上结论是当Re<10的层流区,忽略重力影响的结果。10<Re<104时为过渡流,功率准数随雷诺数以及佛鲁德准数复杂变化。通过观察分析还可以发现,搅拌器在湍流区搅拌功率准数较大并不代表其在层流区搅拌功率准数也具有同等的水平。比如表2所列两个搅拌器,编号1在湍流区功率准数比编号2大,而编号1在层流区功率准数却比编号2小得多。表3是文献介绍的几种搅拌器的功率因子(K1/Re=Np;K2=Np),以K2从小到大排列为序。K1却显示了不同的规律。在过渡区,功率准数值大部分介于层流区和湍流区之间,但也有例外,有些搅拌器功率准数在过渡区出现最小值。通过以下的分析我们来对上述现象加深理解。雷诺数物理意义是反映流体流动中惯性力与粘性力的对比关系。湍流区,惯性力占主导地位;层流区,粘性力占主导地位。在湍流区,搅拌消耗的功率主要是克服惯性力,与主动力对宏观流体在主动力驱动下的位移有关。在层流区,搅拌消耗的功率主要是克服粘性力,与主动力驱动下流体运动波及的边界摩擦有关。层流区的粘性力来自表面边界的摩擦。边界处的速度梯度最大,剪应力也最大。在层流区,因为粘性力占据主导地位,影响搅拌功率的主要因素是系统中边界的多寡,比如,无挡板比有挡板在层流时消耗更多的功率,导流筒的使用也增加功率损耗以及层流区的锚筐式搅拌器具有更大的功率准数都说明了这点,表2中的编号2在层流区功率准数的大幅度提高也反映了这一规律。正如Rushton算图的结果,层流区的功率准数项一定是大于湍流区的功率准数项,搅拌过程在层流区克服粘性力时仍然要克服惯性力驱动流体位移。通常情况下,在过渡区也是如此,但也有例外,比如六直叶开启涡轮全挡板、六弯叶开启涡轮全挡板以及平直叶全挡板从层流区进入过渡区引起流体运动波及的边界摩擦作用已经削弱,而在湍流区功率准数却凸显增加强烈,于是在过渡区出现凹陷现象。一般情况下,因为层流区功率准数隐含了湍流区功率准数的成分,所以湍流区功率准数大的搅拌器,其层流区功率函数也对应较大。特殊情况是,当某些特征因素对湍流区功率准数和层流区功率准数起相反的作用,比如六叶闭式涡流或有导流筒,闭式和导流这些特征对湍流功率准数都有减小作用,而这些特征对层流功率准数都有增大作用,所以自然出现反常现象,其湍流区功率准数只有1.4,但层流区功率准数达到了极值。既然层流区搅拌器都具有较高的功率准数,设备启动时都要经历这个区间,是否影响正常运行呢?当然不会,影响搅拌功率的还有转速,因为转速以三次方影响功率,所以启动时所经历的层流区功率准数的增加还是微不足道的。3.2搅拌与均相液体系统单元理论上把任何状态(固,液,气和半液)下物料均匀的掺和在一起的操作称为混合,但习惯上把固态物料之间掺和或者固态物料加湿的操作称为混合,而把固态,液态或气态物料与液态物料混合的操作称为搅拌。可见搅拌并非都用于非化学反应的均相液体系统单元操作,比如搅拌釜式反应器就是化学工业中广泛采用的反应器之一,尤其在精细化学品的生产中,搅拌釜式反应器约占反应总数的90%。虽然搅拌功率准数的原始公式考虑了重力因素(通过佛鲁德准数)以及多元因素(通过韦伯准数),但实际应用中,还是以简化了的均相液体系统功率求导公式进行计算,用控制打旋来忽略重力,用求平均粘度以及平均密度来取代均相液体系统的对应值。值得注意的是多元复相时粘度及密度的计算方法。3.2.1散相平均粘度计算两相的平均密度采用如下公式计算:ρav为平均密度;ρd为分散相密度;ρc为连续相密度;准为分散相的体积分数。两相平均粘度采用下面的方法进行计算:当两