雙層槳自吸式氣液攪拌釜內的功率準數

高 勇 ，嚴 彪 ，胡 軍 ，范曉勇

（1.榆林學院 化學與化工學院，陜西 榆林 719000；2. 陜西省低變質煤潔凈利用重點實驗室，陜西 榆林 719000；3. 西北大學 化工學院，陜西 西安 710069）

氣液攪拌釜在生物、化工、石油、食品、制藥等領域有著廣泛的應用［1-4］。自吸式氣液攪拌釜是在槳葉所在位置設置一定子結構，槳葉旋轉將液體沿氣體分散通道排出，產生負壓，將大量氣體沿定子筒自行吸入，吸入的氣體被上層槳一次破碎后，進入定子上的氣體分散通道，再被氣體分散通道葉片二次破碎，均勻分布在液層中，進行氣液接觸。自吸式氣液攪拌釜能夠有效控制氣體的吸入過程，具有吸氣量大、結構簡單、操作方便和能耗低等特點［5］，在氫氯化反應、臭氧溶解、氨解反應、煙道氣脫硫、泡沫浮選、廢水處理等過程中有著廣泛的應用。

郝惠娣等［6］對單層槳自吸式氣液攪拌釜的氣液分散特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)氣含率分布均勻，氣液分散效果好。秦佩等［7］對自吸式龍卷流型攪拌槽內的固液懸浮和氣液分散進行了研究，發(fā)現(xiàn)固相顆粒的存在會使氣含率明顯降低，但對傳質性能的影響較為復雜。高勇［5］對雙層槳自吸式氣液攪拌槽的臨界轉速、氣含率和容積傳氧系數進行了研究，發(fā)現(xiàn)合理的槳葉組合、槳葉間距是增強雙層槳自吸式攪拌槽的吸氣能力，提高雙層槳自吸式攪拌槽氧傳遞效率的重要保證。但現(xiàn)有文獻對自吸式攪拌釜的攪拌功率缺乏深入的研究。

本工作研究了雙層槳自吸式攪拌釜的功率消耗，考察了攪拌轉速、介質性質、槳葉組合、槳葉間距、下層槳葉角度和尺寸對功率準數的影響，并得出功率準數的關聯(lián)式，為自吸式攪拌釜的工業(yè)應用提供數據。

1 實驗部分

實驗在平底有機玻璃攪拌釜中進行。實驗介質分別為清水和蔗糖水溶液，性質見表1。攪拌釜的上層槳分別采用六直葉圓盤槳（6SBDT）和拋物線型槳（6P）；下層槳分別采用六葉上斜葉槳（6PBUT，結構見圖1）和六葉下斜葉槳（6PBDT）。攪拌釜的幾何尺寸見表2。

表1 實驗介質的性質（25 ℃）Table 1 Properties of experimental medium(25 ℃)

圖1 6PBUT的結構Fig.1 Structure of a six pitched blades upflow turbine(6PBUT).

表2 攪拌釜的幾何尺寸Table 2 Geometry dimension of stirring tank

2 結果與討論

2.1 攪拌轉速對功率準數的影響

在傳統(tǒng)的氣-液攪拌設備中，氣體流量和轉速無關，而在自吸式攪拌釜中，氣體吸入速率與攪拌轉速有關。功率準數與攪拌轉速之間的關系見圖2。從圖2可看出，隨攪拌轉速的增大，功率準數呈先減小后增大然后又減小的趨勢。這是因為，當攪拌轉速較低時，隨攪拌轉速增大，由槳葉產生的流量持續(xù)增加，對氣體流動產生了越來越大的阻力，吸氣量持續(xù)增加。槳葉旋轉在葉片背后形成一低壓區(qū)，當轉速增大到一定值時，壓力的減小足以使氣體克服浮力留在低壓區(qū)，從而形成氣泡，且壓力越低，氣泡尺寸越大，槳葉背后的渦流運動強度降低，湍流能量減小，功率準數降低。當攪拌轉速為300 r/min時，槳葉旋轉產生的剪切力足夠使氣泡破裂時，氣泡尺寸最大，功率準數達到最小。此后，隨攪拌轉速的增大，大量的氣泡破裂，氣泡尺寸減小，功率準數又開始增大。且氣體吸入速率隨攪拌轉速的增大而增大，氣含率增加，有相當一部分氣體被液體牽引至攪拌釜底部，將氣泡到達釜底時的攪拌轉速定義為臨界轉速（對應圖中功率準數最高點），此時槳葉作用決定了氣泡的平均尺寸大小和流體流型。之后，隨著攪拌轉速進一步增大，氣體吸入速率和渦流強度增加，破裂的小氣泡再循環(huán)回到槳葉區(qū)域，且氣泡尺寸隨著攪拌轉速的增加而增大。由于氣泡的再循環(huán)，吸氣量持續(xù)增加，導致槳葉區(qū)的分散密度減小，功率準數又開始大幅降低，當攪拌轉速達到500 r/min時，下降趨勢變緩。

對于自吸式氣液攪拌釜，當轉速達到臨界轉速時，氣液反應才能充分進行。適宜的攪拌轉速決定于氣液反應的耗氧量，當氣液反應要求的氣含率在2%～3%時，攪拌操作可在臨界轉速下進行，當氣液反應要求的氣含率在7%～9%時，攪拌操作可在600 r/min下進行。

2.2 介質對功率準數的影響

攪拌介質不同時的功率準數見圖3。由圖3可見，功率準數隨介質黏度和密度的增加而增大。這是因為，清水和蔗糖水溶液均屬于牛頓流體，黏度和密度隨蔗糖含量的增加而增大。密度和黏度增大，雖然可以延長氣泡在液相中的停留時間，但氣體吸入量減少，攪拌槳在旋轉過程中受到的阻力增加，因此功率準數增大。

圖2 攪拌轉速對功率準數的影響Fig.2 Effects of stirring speed(N) on power number(Np).

圖3 攪拌介質對功率準數的影響Fig.3 Effects of stirring medium on Np.

2.3 槳葉組合對功率準數的影響

槳葉組合不同時的功率準數見圖4。

圖4 槳葉組合對功率準數的影響Fig.4 Effects of impeller combinations on Np.

由圖4可見，在下層槳相同時，上層槳為P型槳的功率準數小于上層槳為SBDT槳的功率準數。這是因為對于雙層槳自吸式攪拌釜，上層槳的主要作用是吸入氣體，下層槳的主要作用是將氣體均勻分散在整個攪拌釜中［8］。SBDT槳具有較強的剪切作用，槳葉背后形成的氣穴尺寸較大，整個攪拌釜內的流體流動呈劇烈的湍流狀態(tài)，流動阻力較大，部分能量被轉換成熱量而耗散。P型槳的拋物線結構可使介質沿拋物面流動，對氣泡的生長有一定的抑制作用，槳葉后形成的氣穴尺寸與SBDT槳相比大大減小，流動阻力減小，吸氣后攪拌功率的降幅較小，因此功率準數較?。?］，吸入氣體的能力較高。在氣-液兩相操作中，在輸入一定的功率時，能夠吸入更多的氣體，有利于氣體在釜內的分散與混合。在上層槳相同時，下層槳為PBUT的功率準數小于下層槳為PBDT的功率準數。這是因為對于雙層槳自吸式攪拌釜，上層槳吸入氣體的能力依賴于下層槳向上層槳泵送液體的能力［10］。因此，適宜的槳葉組合為6P+6PBUT。

圖5 槳葉組合不同時的流體流動特性Fig.5 Fluid flow characteristics with different impeller combinations.

對雙層槳自吸式攪拌釜內的流體流動特性進行數值模擬，湍流模型采用RNG k-ε模型，利用控制容積法求解；壓力-速度的耦合采用SIMPLEC算法，對流項的離散采用混合-上風差分格式，采用多重參考系法解決運動槳葉和靜止釜體之間的相互作用，模擬得到的槳葉組合不同時的流體流動特性見圖5。由圖5可見，上斜葉槳對流體具有上揚作用，將下層槳附近的流體沿攪拌軸高速泵送到上層槳周圍，泵送效率較高，氣體吸入速率較大，兩層槳之間的軸向作用較強，整個攪拌釜形成兩個循環(huán)流動，氣液混合均勻，因此功率準數較小。下斜葉槳對流體具有下壓作用，使大部分流體沿斜下方流向釜壁，沿釜壁向上流動的流體到達下層槳所在高度后，流向改變回到槳葉區(qū)，使兩層槳之間的渦環(huán)被擠壓變形，整個攪拌釜內形成3個循環(huán)流動，攪拌混合效果較差，因此功率準數較大。

2.4 槳葉間距對功率準數的影響

槳葉間距不同時的功率準數和相對功率消耗（RPD）見圖6。對于自吸式攪拌釜，由于氣體是自行吸入，RPD定義為加定子后功率消耗與未加定子時功率消耗之比。RPD一般均小于1，RPD越小，相應的吸氣后攪拌功率下降越多，使攪拌槳原有的輸送能力降低，越不利于氣液分散和混合［9］。由圖6可見，功率準數隨槳葉間距的增大而增大。在雙層槳自吸式攪拌釜中，下層槳對功率的影響大約是60%～70%。當上層槳型相同，下層槳為PBUT時，PBUT可以使流體沿軸向和徑向流動，沿徑向流動的流體碰到釜壁向下流動時，流動方向不斷的發(fā)生變化。槳葉間距L2越大，流動方向變化越劇烈，所有的動能都被耗散掉，能量耗散更大。且當槳葉間距L2增大時，RPD的降幅增大，下層槳向上層槳泵送流體所需的能量增加，泵送效率降低。因此當L2= 0.15 m時，功率準數最大。

圖6 槳葉間距對功率準數和RPD的影響Fig.6 Effects of L2 on Np and relative power demand(RPD).

2.5 下層槳葉角度對功率準數的影響

下層槳葉角度不同時的功率準數和氣含率見圖7。由圖7可見，功率準數隨槳葉角度的增大而增大。這是因為具有較高泵送效率的葉輪具有較高的氣體吸入速率，且泵送效率隨槳葉角度的增大而減小［11］。當槳葉角度為30°時，氣體的吸入速率最大，單位體積功耗下的氣含率最大。因此當槳葉角度為30°時，下層槳向上層槳泵送液體的泵送效率最高，功率準數最小，攪拌釜內的流體混合更均勻。

圖7 槳葉角度對功率準數和氣含率的影響Fig.7 Effects of θ on power number and gas holdup(ε).

2.6 下層槳尺寸對功率準數的影響

下層槳尺寸不同時的功率準數和氣含率見圖8。由圖8可見，功率準數隨槳葉系數（L/D）的增大而增大。當L/D = 0.125時，氣體的吸入速率最大，單位體積功耗下的氣含率最大。因此當L/D = 0.125時，下層槳向上層槳泵送液體的泵送效率最高，功率準數最小，意味著在攪拌釜內要達到相同的混合效果，需要的攪拌功率較低。

圖8 下層槳尺寸對功率準數和氣含率的影響Fig.8 Effects of lower impeller dimension on power number and ε.

2.7 自吸式攪拌釜功率準數的數據關聯(lián)

將雙層槳自吸式氣液攪拌釜的功率準數（Np）與雷諾數（Re）的關系表示為：Np∝Reα，在雙對數坐標系中得出二者的關系（見圖9）。由圖9可知，隨雷諾數的增大，功率準數呈先減小后增大再減小的趨勢。隨著攪拌轉速的增大，大量氣體被吸入。當氣體實現(xiàn)自吸分散后，功率準數與雷諾數的關系為Np∝Re-0.84，此時流體質點之間的碰撞加劇，動量交換頻繁，漩渦隨時間的進程而增強，使破裂的小氣泡在整個攪拌釜中分散均勻，因此隨著雷諾數的增加，功率準數大幅降低。

圖9 功率準數與雷諾數的擬合曲線Fig.9 Fitting curve of the power number and Re.

3 結論

1）隨攪拌轉速的增加，功率準數先減小后增大然后又減小。隨介質黏度和密度的增大，功率準數增大。

2）適宜的槳葉組合為6P+6PBUT，采用該組合，槳葉背后形成的漩渦尺寸較小，攪拌混合效果最好，功率準數較小。隨槳葉間距的增大，功率準數增大；當下層槳葉角度為30°，L/D = 0.125時，槳葉的泵送效率最高，單位體積功耗下的氣含率最大，功率準數最小。

3）當氣體實現(xiàn)自吸分散后，功率準數與雷諾數的關系為Np∝Re-0.84，隨著雷諾數的增加，功率準數大幅降低。

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