新型組合槳混合特性研究

仝 源，靳兆文，上官震，王家成

（南京科技職業(yè)學院，江蘇 南京 210048）

攪拌設備在石油、化工、醫(yī)藥、農藥、食品、日用化學品與化妝品等流程工業(yè)中占工藝設備的比重較大，如在化工三大合成產品的生產中，攪拌設備占反應設備的90%，占整個工藝設備的5%～25%[1]。攪拌槳按流體流動的流型可分為徑向流攪拌槳、軸向流攪拌槳。徑向流攪拌槳在槳葉端產生強剪切作用，形成湍流擴散，有利于混合，但它同時也容易將反應釜的介質分成以攪拌器為界的上下兩個循環(huán)區(qū)，通常情況下，區(qū)間混合時間是區(qū)內混合時間的10倍以上，結果使整個釜內的循環(huán)混合變的更加困難。而軸向流攪拌槳可使流體產生軸向流動，循環(huán)能力強，但剪切能力相比較弱，局部混合效果較差。為了充分發(fā)揮每個單型槳的優(yōu)點，開發(fā)了混合流組合槳[2]。

1 新型組合槳介紹

本組合槳是由內槳和外槳兩部分構成，如圖1。內槳是傾斜45°的斜葉槳葉和變傾角推進槳構成，推進槳三個葉片角度不同，攪拌時使得液體混合越趨于湍流，物料分子之間接觸幾率增加，混合效率提高。外槳是一個框式槳，在框式槳的內部設有兩層擋板，擋板隨著外槳一起轉動，既可以起到擋板作用，也可以對流體進行攪拌和剪切，輔助攪拌，同時又避免了靜止擋板帶來的滯留死區(qū)問題，有利于液體的混合，該攪拌槳聚集了軸向流攪拌槳和徑向流攪拌槳優(yōu)點。

圖1 新型組合槳

2 新型組合槳實驗研究

2.1 實驗裝置

本實驗裝置（如圖2所示），外圍是一個鋼架，由第一層鋼板平臺6、第二層鋼板平臺8、鋼板支架9、活動平板12以及平板托架13組成。第一層鋼板平臺主要用于固定電機、變頻器安放測量顯示儀器用；第二平臺主要安裝軸承；第三層為活動平板主要支撐有機玻璃罐11和玻璃缸10自身及其內部液體重量，活動平板放在平板托架13上，不固定，在鋼板支架9下方焊接2層或多層平板托架13?？梢愿鶕嶒炗袡C玻璃罐11形狀，以及實驗觀察需要，方便調節(jié)第三層活動平板與第二平臺之間的間距。

攪拌系統(tǒng)有主攪拌系統(tǒng)和輔助攪拌測量系統(tǒng)組成。主攪拌系統(tǒng)主要由主電機1、聯(lián)軸器2、主變頻器3、攪拌軸5、攪拌器14和有機玻璃罐11組成。變頻器3可以主控制電機1轉速，便于測定各種轉速下攪拌槳性能；被測攪拌槳14都設計成對開式的結構（如圖2所示），便于快速拆卸與更換；采用有機玻璃罐11作為罐體，透明可以便于觀察罐內物料的反應，測定反應時間以及混合的均勻度。

圖2 攪拌實驗裝置圖

2.2 實驗介質、對比槳型

實驗主要原料：羧甲基纖維素（CMC），牌號為FVH 6，配置成質量分數為4.0%的和1.5%兩種水溶液，江蘇張家港三惠化工廠產品。實驗采用混合實驗，用碘液褪色法測定，反應物為碘和硫代硫酸鈉，采用混合時間測定方法來比較各種槳型的混合攪拌效率。

與組合槳對比實驗的是標準的框式槳，其尺寸如圖3所示，新型組合槳內槳參數如圖4所示。

圖3 框式槳

圖4 內槳結構圖

2.3 新型組合槳與框式槳在不同CMC溶液中對比實驗

新型組合槳與框式槳對比實驗見圖5。

圖5 1.5%WTCMC溶液兩種槳型比較

從圖5中看出，框式槳平均攪拌時間17.67s，組合槳平均攪拌時間為4.35s，比較可得組合槳比框式槳節(jié)約了75%的攪拌時間。這是由于組合槳內推進槳的整體混合加上層斜葉槳的剪切，使得液體湍流程度更高，加速混合效果。

從圖6看出，在黏度4.0%WTCMC溶液中，框式槳平均攪拌時間63.35s，組合槳平均攪拌時間為11.53s。比較可得，組合槳比框式槳節(jié)約了82%的攪拌時間，組合槳更適合于高粘度溶液混合。

圖6 4.0%WTCMC溶液兩種槳型比較

2.4 組合槳內槳轉速一定，在不同外槳轉速中配比實驗

由圖7看出，組合槳內槳一定時，在黏度1.5%WTCMC溶液中，混合時間隨外槳轉速的升高而升高，當轉速達到6.5r/min左右達到一定峰值，混合時間開始降低。這是由于外槳轉速增加到一定程度，罐體內“柱狀回轉區(qū)”加大，內外槳攪拌液體步調一致，不利于混合；當再增加轉速后會破壞這種回轉區(qū)，罐內液體分子相互擴散加劇，混合效果又會改善。所以需要避開外槳為6.5r/min左右的轉速，從而改善攪拌效果。

圖7 1.5%WTCMC溶液，內槳48.8r/min，外槳在不同轉速情況下的混合時間圖

由圖8可以看出，組合槳內槳一定時，在黏度4.0%WTCMC溶液中，混合時間隨外槳轉速的升高而升高，當轉速達到6.8r/min左右時，混合時間開始降低，所以需要避開外槳為6.8r/min左右的轉速，從而改善攪拌效果。液體粘度增加，內外槳產生的柱狀回轉區(qū)的轉速有所提高。

圖8 4.0%WTCMC溶液，內槳48.8r/min，外槳在不同轉速情況下的混合時間圖

2.5 組合槳外槳轉速一定，在不同內槳轉速中配比實驗

在外槳 6.5r/min，內槳在 4.0%WTCMC和1.5%WTCMC溶液不同溶液、轉速下的混合時間圖如圖9所示。在內槳50r/min時，混合時間有明顯下降，當內槳轉速達到65r/min時，隨著內槳轉速提高，物料湍流程度達到一定程度時，提高內槳轉速混合時間未見明顯變化。此時提高內槳轉速縮短混合時間已沒有意義，故在外槳6.5rpm時，內槳匹配最佳轉速在50～60r/min之間。

圖9 外槳在6.5r/min，內槳在不同溶液、轉速下的混合時間

3 結論

通過上述實驗，得出如下結論：

1）在黏度1.5%WTCMC溶液中，框式槳平均攪拌時間17.67s，組合槳平均攪拌時間為4.35s，比較可得，組合槳比框式槳節(jié)約了75%的攪拌時間，更加高效。

2）在黏度4.0%WTCMC溶液中，框式槳平均攪拌時間63.35s，組合槳平均攪拌時間為11.53s，比較可得，組合槳比框式槳節(jié)約了82%的攪拌時間，更加高效；高黏度溶液更能體現(xiàn)組合槳優(yōu)勢。

3）內槳48.8r/min時，外槳應避開6.8r/min左右的轉速，從而改善攪拌效果；

4）在外槳6.5r/min時，內槳匹配最佳轉速在50～60r/min之間。