筒式攪拌器的設(shè)計(jì)與性能初探

　　摘 要：本次研究主要對筒式攪拌器的結(jié)構(gòu)、原理進(jìn)行了分析，并在攪拌功率和效率等方面與推進(jìn)式攪拌器和渦輪式攪拌器進(jìn)行了對比，結(jié)果表明，在同樣的條件下，筒式攪拌器在各方面都更具優(yōu)勢。
　　關(guān)鍵詞：筒式攪拌器 設(shè)計(jì) 性能比較
　　中圖分類號：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1672-3791(2011)04(a)-0000-01
　　
　　 攪拌操作時過程工業(yè)中最為重要的單元操作，而攪拌器無疑是攪拌操作中最為關(guān)鍵的設(shè)備，其選用的合理性直接影響著化學(xué)反應(yīng)的過程，因此是工程設(shè)計(jì)中不容忽視的重要環(huán)節(jié)。就目前的實(shí)際情況來看，攪拌器正向著兩個方向發(fā)展，一是對原有攪拌器的改進(jìn)，二是設(shè)計(jì)制造新型的攪拌器。另外，在微型化方向，攪拌器也得到了長足的進(jìn)步。在工業(yè)過程中，應(yīng)用最為廣泛的就是機(jī)械攪拌，筒式攪拌器是機(jī)械攪拌器的一種，具有攪拌性能好、結(jié)構(gòu)簡單、適用物料范圍較廣的特點(diǎn)。本次研究主要是設(shè)計(jì)一種新型的筒式攪拌器，并對其工作原理和結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了分析，筒式與推進(jìn)式攪拌器和渦輪式攪拌器進(jìn)行了比較。
　　1 筒式攪拌器的原理
　　1.1 攪拌器結(jié)構(gòu)
　　 筒式攪拌器的外殼為圓筒形，設(shè)有有序開槽，同時，按照一定的角度向筒的內(nèi)側(cè)安裝流線型翅片，其目的是在攪拌過程中向流體介質(zhì)提供所需的流型和能量。在轉(zhuǎn)動時，機(jī)械能會首先傳向流體，而流體則在翅片的作用下通過槽隙向外流出，在形成充分混合區(qū)的筒式產(chǎn)生高速射流，流體因此具備較高的壓頭，推動液體在攪拌容器內(nèi)循環(huán)流動。介質(zhì)在圓筒導(dǎo)流的作用下，從頂、底部流入筒內(nèi)，完成一個循環(huán)，從而改變了以往攪拌器流場不均勻的現(xiàn)象，使介質(zhì)流動更加均勻。
　　1.2 攪拌器原理
　　 不同攪拌器在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生不同的流體流型，其原因主要在于攪拌器工作原理的不同，下面就對攪拌器的不同原理進(jìn)行介紹。
　　 （1）離心力原理。在攪拌軸的帶動下，筒式攪拌器會讓流體受到離心力的作用，使流體由筒體的中心逐漸被拋向外圍，在流體處于翅片外周位置時，其動能和流速最大。
　　 （2）攪拌器的筒體會將各個葉片拋出的液體匯集在一起，使其在動能作用下沿著周向和徑向運(yùn)動，并最終轉(zhuǎn)化為靜壓能，這樣就使得液體向筒內(nèi)流動。所以筒體不僅起到了一個導(dǎo)流的作用，還發(fā)揮了連通器作用，屬于能量轉(zhuǎn)換裝置。
　?。?）液體吸上原理。翅片的高速旋轉(zhuǎn)會使筒體中心部位的液體以較高速度拋出，中心部位因此形成低壓，使位于底部的液體被不斷吸上。在攪拌過程中，液體與翅片一同作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，并經(jīng)由槽隙向外流動，因此，液體質(zhì)點(diǎn)在翅片內(nèi)的速度有三個：
　?、賵A周運(yùn)動速度μ
　　μ=R=2πRn/60（1）
　　其中，R表示的是攪拌器的半徑；表示的是角速度；n表示的是轉(zhuǎn)速。②相對運(yùn)動速度。即液體質(zhì)點(diǎn)相對于圓筒的相對運(yùn)動速度。③絕對運(yùn)動速度c。設(shè)α等于液體質(zhì)點(diǎn)的絕對運(yùn)動速度與圓周運(yùn)動速度的夾角，β等于相對運(yùn)動速度與圓周運(yùn)動速度反向延長線的夾角，則c
　　cosα=μ—cctgβ（2）
　　對于筒式攪拌器的實(shí)驗(yàn)觀察與流場運(yùn)動分析結(jié)果是一致的，也就是筒式攪拌器的流場分為來哪個部分，其中一部分液體會流入底部，并通過筒體下端口進(jìn)入筒體。另一個部分則會流入筒體的上部，通過上端口流入筒體。這樣一來，整個攪拌釜就被流場所包裹，消除了攪拌死角，攪拌效果因此得到提升。
　　3 對筒式攪拌器的實(shí)驗(yàn)研究
　　3.1 實(shí)驗(yàn)研究
　　本次實(shí)驗(yàn)主要對筒式、推進(jìn)式和渦輪式攪拌器的攪拌效率、能耗進(jìn)行比較，所使用的設(shè)備為IKA EuRosTAR power control攪拌動力裝置。其中，筒式攪拌器的直徑為5cm，推進(jìn)和渦輪式攪拌器的直徑為4.5cm。攪拌釜底與攪拌槳的距離為2cm。在實(shí)驗(yàn)過程中，將攪拌轉(zhuǎn)速限定為50~500r/min，攪拌釜直徑為D65~357mm。
　　實(shí)驗(yàn)的變化參數(shù)為攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌槳與攪拌釜的直徑比，進(jìn)行此項(xiàng)設(shè)計(jì)的目的就在于對不同攪拌速度和不同直徑比情況下的攪拌扭矩進(jìn)行測定，從而計(jì)算出不同攪拌器的攪拌功率。 在實(shí)驗(yàn)過程中，在水中加入0.02g/ml加碘淀粉的溶液，并在攪拌過程中滴入硫代硫酸鈉溶液使其顏色由藍(lán)變白，通過對顏色完全變化所需時間的測量來對攪拌效率進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)對攪拌軸的攪拌功率進(jìn)行計(jì)算，
　　p=Tn/9549（3）
　　 其中，p表示的是攪拌軸的功率，T表示的是攪拌軸的扭矩，n表示的是攪拌軸的轉(zhuǎn)速。
　　 由力的平衡原理我們可知，實(shí)驗(yàn)中的攪拌軸功率等于攪拌槳功率。
　　作為攪拌設(shè)備最基本的特征參數(shù)之一，攪拌功率準(zhǔn)數(shù)N主要用來衡量攪拌釜內(nèi)流體的流動狀態(tài)和攪拌程度，另外，它還可以反映出攪拌操作所需要消耗的能量，其計(jì)算公式為：
　　N=p/ρnd（4）
　　 其中，ρ表示的是介質(zhì)的密度，n表示的是轉(zhuǎn)速，d表示的是攪拌器的直徑。
　　在雷諾數(shù)Re相等的條件下，攪拌器的功率準(zhǔn)數(shù)與其能耗成正比，所以，功率準(zhǔn)數(shù)的計(jì)算公式還可以寫成
　　N=K（Re）（5）
　　在反映攪拌器液體混合效果的參數(shù)中，混合時間是非常重要的一個，而在對攪拌器的混合效率進(jìn)行評價時，經(jīng)常會用到Ce來對效率高低進(jìn)行比較。在單位時間內(nèi)，Ce與混合效率成反比關(guān)系，計(jì)算公式為
　　Ce=θ2M P r/η。（6）
　　其中，Pv表示的是單位體積的功率，θM表示的是混合時間，η表示的是物料的黏度。由此可見，當(dāng)物料的黏度一定時，我們所需要考慮的只是單位體積功率與混合時間的乘積。
　　3.2 討論
　　在直徑比一定的情況下，3種攪拌器的攪拌軸功率變化較為平緩，說明按照實(shí)驗(yàn)規(guī)定的攪拌轉(zhuǎn)速，三種攪拌器均可正常工作，其工作特性也符合實(shí)驗(yàn)要求。在實(shí)驗(yàn)中，筒式攪拌槳的直徑較另外兩種更大，但是它們的攪拌軸功率基本相同，說明在同等條件下，筒式攪拌器能夠更好的將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。在實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)，筒式攪拌器的功率準(zhǔn)數(shù)僅為其它兩種攪拌器的二分之一，說明在節(jié)能降耗方面，筒式攪拌器具有更高的優(yōu)勢。在攪拌效率方面，筒式攪拌器的反應(yīng)時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其它兩種攪拌器，可以大幅降低操作循環(huán)次數(shù)，減少對人力和物力的消耗。
　　4 結(jié)語
　?。?）筒式攪拌器攪拌釜內(nèi)的死角較少，適合于低黏度液體的攪拌。（2）在同樣的情況下，筒式攪拌器的能耗更低，能夠取得更好的經(jīng)濟(jì)效益。（3）筒式攪拌器的攪拌混合效率較推進(jìn)式攪拌器和渦輪式攪拌器更高。
　　
　　參考文獻(xiàn)
　　[1] 陳明義.筒式攪拌器及其開發(fā)[J].化工機(jī)械，2010（5）:557-