橢圓底封頭異形擋板攪拌釜的混合性能分析①

劉志炎 王星星 劉雪東

(1. 江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院常熟分院；2. 華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院；3. 常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院)

高濃度固體顆粒懸浮和低、中粘度液體的混合與反應(yīng)常見于石油、化工、生物、醫(yī)藥及冶金等領(lǐng)域，而高濃度固體顆粒在液相中的均勻懸浮和低、中粘度的液體混合問題是保證工業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量的前提。底部加裝擋板的攪拌裝置對(duì)高濃度固體顆粒在液相中的均勻懸浮和低、中粘度的液體混合具有獨(dú)到的混合分散優(yōu)越性[1～3]。

在攪拌反應(yīng)釜內(nèi)，任何安裝于攪拌裝置之外的釜內(nèi)靜止部件均構(gòu)成擋板，因而擋板可分為兩類：一類是垂直安裝于釜壁的構(gòu)件，即壁擋板；另一類是特殊擋板，如底部擋板、表面擋板等[4]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)內(nèi)壁安裝垂直擋板的攪拌釜進(jìn)行了大量而深入的研究[5～11]。而在底部擋板的研究方面，郭篤信等發(fā)明了中心龍卷流型攪拌裝置[12]并對(duì)它進(jìn)行了深入的研究[13～15]，但只對(duì)平底的攪拌釜進(jìn)行研究，本課題組曾發(fā)明了一種底部具有異形擋板的攪拌裝置[1]，攪拌釜的底部形狀為橢圓形、碟形、錐形、半球形或球冠形。在后續(xù)的研究中，分別對(duì)橢圓底封頭攪拌釜內(nèi)十字形擋板[16]和對(duì)數(shù)螺線形擋板[17]進(jìn)行了流場(chǎng)的數(shù)值模擬，并在前期的研究基礎(chǔ)上，對(duì)兩者的混合性能進(jìn)行對(duì)比分析。

1 實(shí)驗(yàn)方法及裝置

1.1 橢圓底封頭攪拌釜的結(jié)構(gòu)

橢圓底封頭異形擋板攪拌釜的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和十字形擋板、對(duì)數(shù)螺線形擋板的俯視圖如圖1所示。其中，攪拌釜內(nèi)徑D=580mm，液面高度h=700mm，槳徑d=0.3D～0.6D，攪拌槳離底高度C=0.5h～0.7h，擋板的長(zhǎng)度Wb=160～200mm，擋板高度hb=40～80mm，擋板厚度為3mm，攪拌轉(zhuǎn)速為120～240r/min。

1.2 混合性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

攪拌反應(yīng)釜內(nèi)對(duì)混合性能的比較主要涉及以下兩個(gè)方面：相同的操作條件下，攪拌功率的大??；相同的操作條件下，混合時(shí)間的長(zhǎng)短。混合時(shí)間是表征攪拌槽反應(yīng)器內(nèi)流體混合狀況的一個(gè)重要參數(shù)，是攪拌槽反應(yīng)器設(shè)計(jì)和放大的重要依據(jù)之一。

在文獻(xiàn)[16]中，通過流場(chǎng)數(shù)值模擬與扭矩實(shí)驗(yàn)，攪拌軸扭矩實(shí)驗(yàn)值與模擬值的相對(duì)誤差在10%左右，實(shí)驗(yàn)值與模擬值基本吻合，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)驗(yàn)效果是較理想的。筆者通過實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)出幾組不同參數(shù)下的混合時(shí)間，再比較各組參數(shù)下的混合性能。若在一組參數(shù)下所得到的混合時(shí)間比其他幾組都小，同時(shí)所消耗的功率較小，則在該

圖1 橢圓底封頭攪拌釜的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和擋板的俯視圖

組參數(shù)下，攪拌釜的混合性能較其他幾組好。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)所涉及到的實(shí)驗(yàn)裝置有扭矩傳感器(華欣機(jī)電公司，型號(hào)HX-901，量程0～50N·m，精度0.5%)、電機(jī)(型號(hào)Y100L1-4，功率2.2kW)、密度傳感器及不銹鋼家用增壓泵(功率90W，口徑15mm，最高揚(yáng)程10m，最大流量10L/min)等。攪拌扭矩與混合液的密度值一并輸出并顯示于計(jì)算機(jī)上。通過設(shè)定電機(jī)變頻器(TPC-G11S)的參數(shù)，可調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速。

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

本實(shí)驗(yàn)在攪拌實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，安裝好攪拌槳，調(diào)節(jié)好攪拌槳的離底高度和直徑、底部擋板的高度和長(zhǎng)度后，往攪拌釜內(nèi)注入液面高為700mm的水，然后，再向攪拌釜內(nèi)加入一定量的經(jīng)過粉碎后的碳酸鈣粉末，待粉末完全沉入釜底以后，開啟電機(jī)，調(diào)節(jié)攪拌軸轉(zhuǎn)速，在不同的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使用組態(tài)王軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每隔2s采集一次數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)的扭矩和隨時(shí)間變化的密度值輸出界面如圖2所示。

圖2 扭矩和密度的輸出界面

實(shí)驗(yàn)中，先開啟不銹鋼家用增壓泵，再開啟電機(jī)，通過電機(jī)變頻器(TPC-G11S)來調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速，待數(shù)值穩(wěn)定后，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并觀察攪拌釜內(nèi)流體的流動(dòng)情況，實(shí)驗(yàn)完成以后，將記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel中。

碳酸鈣粉末質(zhì)量的確定是按混合液混合均勻時(shí)的密度比水的密度增加5%，即1.05g/cm3。水的密度為1.0g/cm3，碳酸鈣粉末的密度為2.3g/cm3，經(jīng)過計(jì)算可以知道，當(dāng)混合液均勻時(shí)的密度為1.05g/cm3時(shí)，需要加入7.396kg的碳酸鈣粉末。

2 結(jié)果與討論

2.1 加裝十字形擋板時(shí)混合時(shí)間及扭矩值

本實(shí)驗(yàn)在攪拌釜底部加裝十字形擋板，安裝四直葉開啟渦輪，在攪拌釜中注入液面高為700mm的水，再加入7.396kg的碳酸鈣粉末，在轉(zhuǎn)速為120r/min時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。6組參數(shù)下的混合液密度隨時(shí)間的變化曲線如圖3所示。

在圖3中，混合液的密度隨著時(shí)間的不斷增加而逐漸增大，最后在某一時(shí)間值密度開始趨于穩(wěn)定，該時(shí)間值即混合時(shí)間。在轉(zhuǎn)速為120r/min時(shí)，擋板高度60mm、長(zhǎng)度180mm，6組參數(shù)下的實(shí)驗(yàn)測(cè)得的攪拌扭矩與混合時(shí)間見表1。在其他轉(zhuǎn)速下的扭矩與混合時(shí)間可用同樣的方法得到，轉(zhuǎn)速為160、200、240r/min時(shí)的扭矩與混合時(shí)間的實(shí)驗(yàn)值見表2～4。

圖3 不同參數(shù)下混合液密度隨時(shí)間的變化曲線

攪拌槳直徑mm攪拌槳離底高度mm底部擋板高度mm底部擋板長(zhǎng)度mm攪拌扭矩N·m混合時(shí)間s232350601803.09220232420601803.03204232490601803.06212290490601803.53188290420601803.58216290350601803.55196

表2 轉(zhuǎn)速為160r/min時(shí)扭矩與混合時(shí)間

表3 轉(zhuǎn)速為200r/min時(shí)扭矩與混合時(shí)間

表4 轉(zhuǎn)速為240r/min時(shí)扭矩與混合時(shí)間

2.2 加裝對(duì)數(shù)螺線擋板時(shí)的混合時(shí)間及扭矩值

底部加裝對(duì)數(shù)螺線形擋板時(shí)，在轉(zhuǎn)速為120、160、200、240r/min時(shí)，6組參數(shù)下的扭矩與混合時(shí)間的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5～8。

表5 轉(zhuǎn)速為120r/min時(shí)扭矩與混合時(shí)間

表6 轉(zhuǎn)速為160r/min時(shí)扭矩與混合時(shí)間

表7 轉(zhuǎn)速為200r/min時(shí)扭矩與混合時(shí)間

表8 轉(zhuǎn)速為240r/min時(shí)扭矩與混合時(shí)間

2.3 不同參數(shù)下的混合性能比較

2.3.1加裝十字形擋板時(shí)的混合性能比較

由表1可知，在轉(zhuǎn)速為120r/min時(shí)，攪拌槳直徑取290mm，底部擋板長(zhǎng)度取180mm，底部擋板高度取60mm，攪拌槳離底高度取490mm時(shí)，攪拌混合的時(shí)間為188s，而在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下，在表1中，此組參數(shù)與其他5組參數(shù)的混合時(shí)間相比，該組混合時(shí)間最短，且此時(shí)得到的攪拌扭矩為3.53N·m，此時(shí)的扭矩比表中的最大扭矩3.58N·m要小一些，由于扭矩越小，攪拌功率越小，所以，此組參數(shù)下的攪拌功率比6組參數(shù)中最大的攪拌功率要小。因此，滿足混合性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，故在加裝十字形擋板時(shí)，在攪拌槳直徑取290mm，底部擋板長(zhǎng)度取180mm，底部擋板高度取60mm，攪拌槳離底高度取490mm時(shí)的混合性能較其他5組參數(shù)的混合性能好。

此外，由表1～4可知，在同種操作條件下，隨著攪拌轉(zhuǎn)速的不斷增大，扭矩逐漸增大，它所對(duì)應(yīng)的攪拌功率也逐漸增大。對(duì)于同一組參數(shù)來說，轉(zhuǎn)速越大，攪拌均勻所需要的混合時(shí)間越短。

2.3.2加裝對(duì)數(shù)螺線形擋板時(shí)的混合性能比較

由表6可知，在轉(zhuǎn)速為160r/min時(shí)，攪拌槳直徑取290mm，底部擋板長(zhǎng)度取180mm，底部擋板高度取60mm，攪拌槳離底高度取490mm時(shí)，攪拌混合的時(shí)間為178s，而在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下，在表6中，此組參數(shù)與其他5組參數(shù)的混合時(shí)間相比，該組混合時(shí)間最短，且此時(shí)得到的攪拌扭矩為5.52N·m，此時(shí)的扭矩比表中的最大扭矩5.68N·m要小一些，由于扭矩越小，攪拌功率越小，所以，此組參數(shù)下的攪拌功率比6組參數(shù)中最大的攪拌功率要小。因此，滿足混合性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，故在加裝對(duì)數(shù)螺線形擋板時(shí)，在攪拌槳直徑取290mm，底部擋板長(zhǎng)度取180mm，底部擋板高度取60mm，攪拌槳離底高度取490mm時(shí)的混合性能較其他5組參數(shù)的混合性能好。

此外，由表5～8可知，在同種操作條件下，隨著攪拌轉(zhuǎn)速的不斷增大，扭矩逐漸增大，其所對(duì)應(yīng)的攪拌功率也逐漸增大。對(duì)于同一組參數(shù)來說，轉(zhuǎn)速越大，攪拌均勻所需要的混合時(shí)間越短。

2.4 兩種不同形式擋板的混合性能比較

取以上實(shí)驗(yàn)中的一組參數(shù)：攪拌槳直徑232mm，底部擋板長(zhǎng)度180mm，底部擋板高度60mm，離底高度420mm。在該組參數(shù)下，相同的操作條件下，在轉(zhuǎn)速為120、160、200、240r/min時(shí)，將攪拌釜底部分別加裝十字形擋板和對(duì)數(shù)螺線形擋板時(shí)的扭矩和混合時(shí)間進(jìn)行比較，混合時(shí)間隨轉(zhuǎn)速的變化如圖4所示。

圖4 混合時(shí)間隨轉(zhuǎn)速變化的分布曲線

由圖4可知，在加裝十字形擋板和對(duì)數(shù)螺線形擋板時(shí)，混合時(shí)間均是隨著轉(zhuǎn)速的不斷增大而減小的，也就是在同組參數(shù)下，相同的操作條件下，轉(zhuǎn)速越高，攪拌均勻所需要的混合時(shí)間越短。此外，在同組參數(shù)、相同的操作條件下，加裝對(duì)數(shù)螺線形擋板攪拌均勻所需要的時(shí)間比加裝十字形擋板時(shí)所需要的混合時(shí)間要短。

由前面的扭矩實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知，在同種轉(zhuǎn)速下，加裝對(duì)數(shù)螺線形擋板所消耗的攪拌功率比加裝十字形擋板時(shí)所消耗的攪拌功率要越小一些，因此，在同樣的操作條件下，與加裝十字形擋板相比，在加裝對(duì)數(shù)螺線形擋板時(shí)，攪拌釜的混合性要更好一些。

3 結(jié)論

3.1通過實(shí)驗(yàn)法，測(cè)定四直葉開啟渦輪攪拌槳在不同工況下的流場(chǎng)及其相對(duì)應(yīng)的攪拌軸扭矩值，在其他條件不變的情況下，扭矩隨著轉(zhuǎn)速的增加而不斷增大，同組參數(shù)下的攪拌釜內(nèi)加裝十字形擋板和加裝對(duì)數(shù)螺線形擋板時(shí)的攪拌扭矩的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較，可知攪拌功率隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大，對(duì)數(shù)螺線形擋板比十字形擋板的功率消耗要低。底部加對(duì)數(shù)螺線形擋板比底部加十字形擋板要更加節(jié)能。

3.2在實(shí)驗(yàn)臺(tái)的可靠性得到驗(yàn)證的前提下，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得粉末狀碳酸鈣的混合液的密度隨時(shí)間的變化值和對(duì)應(yīng)的扭矩值，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到密度隨時(shí)間的變化曲線，從曲線中得出混合時(shí)間，通過不同組參數(shù)下攪拌釜混合性能的比較，找出綜合較優(yōu)的一組參數(shù)，滿足在該組參數(shù)下，混合時(shí)間最短，同時(shí)消耗的功率較小。

3.3在加裝十字形擋板和加裝對(duì)數(shù)螺線形擋板時(shí)，在同樣的操作條件下，與加裝十字形擋板相比，在加裝對(duì)數(shù)螺線形擋板時(shí)，攪拌釜的混合性能要更好一些。在攪拌槳直徑取290mm，即底部擋板長(zhǎng)度取180mm，底部擋板高度取60mm，離底高度取490mm時(shí)的混合性能比其他5組參數(shù)的混合性要好。

3.4僅對(duì)安裝四直葉開啟渦輪攪拌槳時(shí)混合性能進(jìn)行研究，未對(duì)其他徑向流攪拌槳進(jìn)行研究，同時(shí)僅對(duì)液面高為700mm，筒體直徑為580mm，即高徑比為700/580=1.21的攪拌釜內(nèi)混合性能進(jìn)行研究，而對(duì)其他的高徑比未進(jìn)行研究，不同的徑向流攪拌槳及高徑比會(huì)對(duì)攪拌釜的混合性能產(chǎn)生一定的影響。

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