低黏度均相液液混合系統(tǒng)中兩種攪拌器的對(duì)比分析

胡福恒

（中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司，河北石家莊 050021）

低黏度均相液液混合系統(tǒng)中兩種攪拌器的對(duì)比分析

胡福恒

（中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司，河北石家莊 050021）

針對(duì)低黏度均相液液混合系統(tǒng)，從攪拌器的攪拌機(jī)理和常用攪拌器的結(jié)構(gòu)類型方面進(jìn)行詳細(xì)論述，在相同混合時(shí)間下對(duì)兩種攪拌器所需的轉(zhuǎn)速、功率和扭矩進(jìn)行了對(duì)比分析，提出了該類型混合系統(tǒng)中攪拌器的優(yōu)選方案。

液液混合；攪拌器；轉(zhuǎn)速；功率；扭矩

在化工和醫(yī)藥生產(chǎn)中，攪拌設(shè)備的應(yīng)用非常廣泛。攪拌槽內(nèi)物料的混合均勻程度及混合速度是影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素，攪拌器所需轉(zhuǎn)速和功率是攪拌設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。攪拌器選用是否合理，將直接影響到攪拌效果和能耗，因此合理選用攪拌器在工程設(shè)計(jì)中是不可忽視的。對(duì)于低黏度液液混合系統(tǒng)，最常使用的是推進(jìn)式攪拌器與折葉開(kāi)啟渦輪式攪拌器，本文對(duì)這兩種攪拌器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)型式方面的描述，并在相同的液液混合時(shí)間下比較兩種攪拌器所需的轉(zhuǎn)速、功率及扭矩。本文研究結(jié)果將為低黏度均相液液混合系統(tǒng)中攪拌器的選型提供參考。

1 均相液液混合系統(tǒng)的攪拌目的和機(jī)理

要合理地選用攪拌器，首先要了解攪拌目的和攪拌的混合機(jī)理。攪拌混合的目的概括起來(lái)可以分為二類：一是增強(qiáng)流體的循環(huán)流動(dòng)能力；二是提高流體的湍動(dòng)程度。對(duì)于均相液液混合系統(tǒng)而言，攪拌操作的目的實(shí)際上是使兩種或兩種以上的互溶物料達(dá)到分子級(jí)的均勻混合。若兩種互相溶解的流體彼此摻合以后，首先兩種液體被破碎成塊團(tuán)，隨著攪拌過(guò)程的進(jìn)行，塊團(tuán)尺寸逐漸減小，這個(gè)過(guò)程稱為宏觀混合過(guò)程。同時(shí)這兩種流體間的擴(kuò)散作用也將通過(guò)塊團(tuán)的邊界進(jìn)行，邊界處的組成先發(fā)生變化，逐漸擴(kuò)展至塊團(tuán)內(nèi)部，最終達(dá)到兩種液體分子級(jí)的混合，這個(gè)過(guò)程稱為微觀混合過(guò)程。對(duì)于低黏度的兩種流體間的混合，兩種物料塊團(tuán)間微觀混合所需要的時(shí)間很短，因此，攪拌過(guò)程所需要的時(shí)間主要由宏觀混合過(guò)程決定。因此對(duì)于湍流攪拌來(lái)說(shuō)，只需研究宏觀混合即可[1-2]。

混合效率和設(shè)備投資是選擇攪拌器的重要依據(jù)?；旌闲士梢杂没旌蠒r(shí)間和攪拌功率兩個(gè)參數(shù)來(lái)表征。如要使不同的攪拌器在相同的混合時(shí)間下達(dá)到相同的混合效率，其攪拌轉(zhuǎn)速、功率和扭矩必然會(huì)存在差異，而攪拌轉(zhuǎn)速、功率和扭矩又會(huì)進(jìn)一步影響設(shè)備的投資，所以筆者認(rèn)為，混合效率和設(shè)備投資的評(píng)價(jià)可轉(zhuǎn)化為相同混合時(shí)間下攪拌轉(zhuǎn)速、功率和扭矩的研究。

2 常用攪拌器的結(jié)構(gòu)類型

均相液液混合操作的對(duì)象是無(wú)明顯分界面的兩種液體，在混合過(guò)程中，對(duì)物料流動(dòng)時(shí)的剪切速度要求不高，但要求達(dá)到充分的對(duì)流循環(huán)。當(dāng)介質(zhì)的混合黏度不大于0.2Pa·s時(shí)，可選推進(jìn)式攪拌器和開(kāi)啟渦輪式攪拌器。

推進(jìn)式攪拌器是一種典型的軸流式攪拌器，一般為3葉，廣泛應(yīng)用于低黏度流體的混合操作，在其旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，流體主要從軸向流出，對(duì)流體的剪切力很小，難以使高黏度流體充分?jǐn)嚢杌旌?。該攪拌器的容積循環(huán)效率高，在工作時(shí)能很好地使流體在隨槳葉旋轉(zhuǎn)的同時(shí)進(jìn)行上下翻騰，很容易使低黏度流體處于湍流狀態(tài)。推進(jìn)式攪拌器的轉(zhuǎn)速一般應(yīng)在100～500r/min范圍內(nèi)[1]。

開(kāi)啟渦輪式攪拌器基本上是一種徑流型攪拌器，其槳葉有平直葉、彎葉和折葉三種，平直葉對(duì)流體主要形成徑向流，對(duì)液液混合系統(tǒng)的混合效率較差，還有一種彎葉，在攪拌中，此種葉片受損程度、消耗功率都低[5]。折葉開(kāi)啟渦輪式攪拌器的葉片傾角有30°、45°和60°三種，混合效果最好的是傾角為45°的葉輪攪拌器，其次是傾角為60°的葉輪攪拌器，最差的是傾角為30°的葉輪攪拌器。槳葉數(shù)量一般為4葉、6葉、8葉，槳葉數(shù)量越多，攪拌混合效果越好[2]。在工作時(shí)轉(zhuǎn)速可高達(dá)300r/min，其槳葉邊緣能對(duì)流體施加很強(qiáng)的剪切力。此種攪拌器也能在一定程度上使輸出的流體沿軸向流動(dòng)，改善了攪拌槽內(nèi)的流體流動(dòng)狀態(tài)。同推進(jìn)式攪拌器類似，折葉開(kāi)啟式渦輪也是一種高速型攪拌器，其工作時(shí)通常在攪拌槽內(nèi)安裝擋板。

圖1 推進(jìn)式攪拌器Fig.1 Propeller

圖2 折葉開(kāi)啟渦輪式攪拌器Fig.2 Pitched blade open turbine impeller

3 攪拌器的對(duì)比分析

本文以3葉推進(jìn)式攪拌器和8折葉開(kāi)啟渦輪式攪拌器（傾角45°）為例來(lái)比較兩種攪拌器的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

某工程要求攪拌槽內(nèi)兩種互溶性物質(zhì)進(jìn)行混合，進(jìn)料方式為中央進(jìn)入式，并符合全擋板條件，物料參數(shù)如表1所示，要求完全混合時(shí)間在25s以內(nèi)，兩種物料無(wú)締合作用。

表1 物料參數(shù)Tab. 1 The parameter of material

根據(jù)物料總體積可取攪拌罐直徑1 200mm，靜液面高度1.787m，取攪拌器直徑為罐直徑的1/3，則攪拌器直徑dj=400mm。

日本永田進(jìn)治等通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到的結(jié)論是[3]：在給定攪拌器的結(jié)構(gòu)尺寸和雷諾數(shù)Re ＞5×103的范圍條件（即流體流動(dòng)為湍流狀態(tài)）下，完成液液混合操作所需要的時(shí)間Tm的計(jì)算公式如式（1）所示。

式中k——常數(shù)，可取k=0.092；

dj——攪拌器直徑，mm；

D——攪拌槽內(nèi)徑，mm；

Nqd——排量特征數(shù)，無(wú)量綱；

Np——功率特征數(shù)，無(wú)量綱；

N——攪拌器的轉(zhuǎn)速，r/s。

如采用3葉推進(jìn)式攪拌器，查參考文獻(xiàn)[2]中拉什頓算圖（見(jiàn)圖3，圖中1號(hào)曲線為3葉推進(jìn)式攪拌器雷諾數(shù)Re與功率特征數(shù)Np的關(guān)系曲線），暫取功率特征數(shù)Np=0.32，查常用葉輪的攪拌特性參數(shù)，取Nqd=0.43，根據(jù)式（1）可得：

取Tm=25s，則可得N=7.46r/s=448r/min

如采用8折葉開(kāi)啟渦輪式攪拌器，查參考文獻(xiàn)[2]中拉什頓算圖（見(jiàn)圖3，圖中2號(hào)曲線為8折葉開(kāi)啟渦輪式攪拌器雷諾數(shù)Re與功率特征數(shù)的關(guān)系曲線），暫取功率特征數(shù)Np=1.9，查常用葉輪的攪拌特性參數(shù)，取Nqd=0.87，根據(jù)式（1）可得：

圖3 拉什頓算圖Fig. 3 The abac of Rushton

取Tm=25s，則可得N=4.19r/s=251r/min

靜液面高度與攪拌槽直徑之比大于1.3，故采用兩個(gè)攪拌器，如圖4所示。兩個(gè)攪拌器的總功率的計(jì)算公式如式（2）所示。

式中 P——攪拌器的總功率，W；

f——系數(shù)，無(wú)量綱；

Np——功率特征數(shù)，無(wú)量綱；

ρm——混合物料的密度，kg/m3；

N——攪拌器的轉(zhuǎn)速，r/s；

dj——攪拌器的直徑，m；

η——傳動(dòng)效率，無(wú)量綱，取0.88。

圖4 攪拌示意Fig. 4 The diagram of stir

如單獨(dú)采用兩個(gè)3葉推進(jìn)式攪拌器，層間距L與攪拌器直徑dj的比值L/dj=1時(shí)，在湍流狀況下，查參考文獻(xiàn)[2]知f=1.36，則兩個(gè)攪拌器所需的攪拌功率為：

如單獨(dú)采用兩個(gè)8折葉開(kāi)啟渦輪式攪拌器，層間距L與攪拌器直徑dj的比值L/dj=1時(shí)，在湍流狀況下，查參考文獻(xiàn)[2]知f=2，則兩個(gè)攪拌器所需的攪拌功率為：

扭矩的計(jì)算公式如式（3）所示。

在相同的混合時(shí)間Tm且層間距L與攪拌器直徑dj的比值L/dj=1時(shí)，分別采用3葉推進(jìn)式攪拌器與8折葉開(kāi)啟渦輪式攪拌器計(jì)算其轉(zhuǎn)速、功率與扭矩，結(jié)果見(jiàn)表2。

4 分析與結(jié)論

結(jié)果表明，在相同的混合時(shí)間下，3葉推進(jìn)式攪拌器所需轉(zhuǎn)速高于8折葉開(kāi)啟渦輪式攪拌器，因此帶動(dòng)攪拌器的電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)也低于后者。同時(shí)，3葉推進(jìn)式攪拌器的扭矩低于8折葉開(kāi)啟渦輪式攪拌器，因此所需的轉(zhuǎn)軸直徑也低于后者。從能耗角度而言，3葉推進(jìn)式攪拌器所需功率明顯低于8折葉開(kāi)啟渦輪式攪拌器。推進(jìn)式攪拌器的缺點(diǎn)在于葉輪的加工難度較高，但綜合各種因素分析，對(duì)低黏度均相液液混合系統(tǒng)而言，推進(jìn)式攪拌器優(yōu)于開(kāi)啟渦輪式攪拌器。

表2 攪拌器計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab.2 The comparison between calculation results of agitators

[1]中國(guó)石化集團(tuán)上海工程有限公司.化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 第三版. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[2]化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書(shū)編輯委員會(huì).化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書(shū)·攪拌設(shè)備[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[3]山本一夫，永田進(jìn)治.改訂攪拌裝置.別冊(cè)化學(xué)工業(yè)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1979.

[4]張志兵，戴干策，肖作兵.攪拌槽中四種漿型的混合效率[J].化學(xué)反應(yīng)工程與工藝，1989，5（4）：104-108.

[5]華依青.攪拌器在化工單元設(shè)備中的選用[J].化工設(shè)計(jì)，2004，14（6）：10-14.

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Comparison and Analysis of Two Agitators Used in Low Viscosity Homogeneous Liquid-liquid Mixing System

Hu Fuheng
（The Fourth Research and Design Engineering Corporation of CNNC, Shijiazhuang 050021）

For low viscosity homogeneous liquid-liquid system, the mixing mechanism of agitator and the structures of commonly used agitators were described in detail in this article. Two agitators were compared with required rotary speed, power and torque in the same mixing time, and then the priority agitator for this mixing system was proposed.

liquid-liquid mixing; agitator; rotary speed; power; torque

TQ 051.7+2

：A

：2095-817X（2017）04-0038-004

2016-07-06

胡福恒（1984—），男，工程師，主要從事醫(yī)藥工程工藝設(shè)計(jì)及研究。