攪拌槳性能對比試驗研究

范金迪，靳兆文，仝源

（南京科技職業(yè)學院智能制造學院，江蘇 南京 210048）

隨著石油化學工業(yè)、生物醫(yī)藥工程、食品行業(yè)的不斷發(fā)展，攪拌反應器的應用越來越廣泛。攪拌槳是攪拌反應器的核心部件，它的研究對于上述工業(yè)生產(chǎn)將會產(chǎn)生很大的推動作用［1］。在完成相應攪拌的過程中，使反應物充分融合，混合均勻，縮短反應時間和提升生產(chǎn)效率是研究人員一直努力的方向［2］。攪拌槳根據(jù)流體流動的形式可以分為徑向流動和軸向流動的攪拌槳。徑向攪拌槳具有強剪切和易形成湍流擴散優(yōu)點，但它同時也容易將反應器內(nèi)的介質(zhì)分成以攪拌槳葉面為界的上下幾個自循環(huán)區(qū)，區(qū)間混合容易，而幾個混合區(qū)之間的混合困難，結果使整個反應器內(nèi)的循環(huán)混合變得更困難。而軸向流攪拌槳在罐體內(nèi)流體產(chǎn)生軸向整體流動，流體循環(huán)能力強，但微觀的剪切能力弱，局部混合效果不好?；旌狭鹘M合槳的提出可以集軸向流攪拌槳和徑向流攪拌槳優(yōu)點于一身，在高黏度流體攪拌中得到了較為廣泛的應用［3-4］。

1 組合槳介紹

本文提出的組合槳是由內(nèi)、外槳兩部分組成，內(nèi)槳是由傾斜30°的二葉斜葉槳和推進槳組成。推進槳安裝在底部有利于將底部物料整體向上翻滾，便于罐體物料整體循環(huán)；上部二葉斜葉槳對罐體循環(huán)過來進行剪切，有利于物料分子之間細化，增加接觸幾率，提高混合效率。外槳是一個類似的框式槳。在框式槳的內(nèi)部設有一層橫向擋板，擋板固定在外槳上隨著外槳一起轉動，既可以起到橫向擋板作用，也可以輔助對流體進行攪拌和剪切，還可以避免了靜止擋板帶來的液體滯留死區(qū)問題，有利于液體的混合。見圖1。

圖1 組合槳結構

2 攪拌槳實驗研究

2.1 實驗裝置

本實驗裝置如圖2所示，是由主攪拌系統(tǒng)和輔助攪拌測量系統(tǒng)兩部分組成。主攪拌系統(tǒng)主要由主電機、主變頻器、攪拌軸、攪拌器和有機玻璃罐等組成。變頻器可以主控制電機1轉速，便于測定各種轉速下攪拌槳性能；透明有機玻璃罐可以便于觀察罐內(nèi)物料的反應，能夠測定反應時間以及觀察混合的均勻度。

圖2 攪拌實驗裝置圖

2.2 實驗介質(zhì)及對比槳型

實驗主要原料：江蘇張家港三惠化工廠產(chǎn)品羧甲基纖維素 （CMC），牌號為FVH 6，用來配置成質(zhì)量分數(shù)為1.5%水溶液，模擬高黏度流體。實驗采用碘液褪色法測定測定混合時間［5］，反應物為碘和硫代硫酸鈉；攪拌功率在控制觸屏上直接讀出。

與組合槳對比實驗的是標準的渦輪式攪拌槳、推進式攪拌槳和二葉斜葉槳，其圖形如圖3所示。

圖3 對比攪拌槳結構圖

2.3 不同槳型在CMC溶液中混合時間對比實驗

從圖4中看出，組合攪拌槳與渦輪式攪拌槳較斜葉槳和推進槳比較，在低轉速情況下，混合時間短。但隨著轉速增加，推進式攪拌槳混合時間明顯下降，因而推進式攪拌槳在高轉速情況下更有利于物料混合。組合槳在160r／min以下，平均攪拌時間比渦輪式攪拌槳節(jié)省4.67s，混合效率提高25%；比推進式攪拌槳節(jié)省4.39s，混合效率提高23.7%；比二葉斜葉槳節(jié)省7.49s，混合效率提高34.6%。這是由于組合槳內(nèi)推進槳的對流體的整體混合加上層斜葉槳的剪切，使得液體整體混合和微觀湍流程度更好，提高混合效果，更適用于低轉速高黏度流體混合。

圖4 1.5%WTCMC不同槳型混合時間對比圖

從圖5看出，在1.5%WTCMC溶液中，常規(guī)槳型中，在轉速相同的情況下渦輪式攪拌槳功率最大，推進式攪拌槳次之，斜葉槳最小。而組合槳比功率最小斜葉槳節(jié)省10%功率，比渦輪槳節(jié)省10.4%功率，比推進攪拌槳節(jié)省16.7%功率。

圖5 1.5%WTCMC溶液不同槳型攪拌功率對比圖

2.4 組合槳內(nèi)槳轉速一定，在不同外槳轉速中配比實驗

組合槳內(nèi)槳轉速一定，在不同外槳轉速中配比實驗，見圖6、圖7。

圖6 1.5%WTCMC溶液，內(nèi)、外槳在不同轉速情況下的混合時間圖

圖7 1.5%WTCMC溶液內(nèi)外槳在不同轉速情況下的攪拌功率圖

由圖6看出，在1.5%WTCMC溶液中，組合槳在內(nèi)槳轉速一定時，混合時間隨外槳轉速的升高出現(xiàn)先降低后升高的情況，在外槳45r／min時達到均勻混合時間用時最少；在外槳轉速一定時，混合時間隨著內(nèi)槳轉速增大混合時間在內(nèi)槳達到160r／min時出現(xiàn)峰值，因此內(nèi)槳轉速應避開160r／min峰值區(qū)域。這是由于開始攪拌時，罐體內(nèi)有 “柱狀回轉區(qū)”，隨著外槳轉速增加，內(nèi)外槳攪拌液體步調(diào)一致，“柱狀回轉區(qū)”未消除，不利于混合；當轉速持續(xù)增加會破壞這種回轉區(qū)，使得罐內(nèi)液體分子擴散加劇，又會改善混合效果。因此我們需要避開外槳為160r／min左右的轉速，從而改善攪拌效果。

由圖7可以看出，在1.5%WTCMC溶液中，組合槳攪拌功率隨著內(nèi)槳和外槳轉速的提高，功耗進一步增大；外槳轉速為23r／min時功耗增速較慢，外槳為45r／min和68r／min時功耗增幅較快。

3 研究結論

1）在黏度1.5%WTCMC溶液中，在160r／min以下，組合槳混合時間比渦輪式攪拌槳節(jié)省4.67s，混合效率提高25%；比推進式攪拌槳節(jié)省4.39s，混合效率提高23.7%；比二葉斜葉槳節(jié)省7.49s，混合效率提高34.6%。

2）在黏度1.5%WTCMC溶液中，組合槳比功率最小斜葉槳節(jié)省10%功率，比渦輪槳節(jié)省10.4%功率，比推進攪拌槳節(jié)省16.7%功率。

3）組合槳在內(nèi)槳轉速一定時，在外槳45r／min時達到均勻混合時間用時最少；在外槳轉速一定時，混合時間隨著內(nèi)槳轉速增大混合時間在內(nèi)槳達到60r／min時出現(xiàn)峰值，因此內(nèi)槳轉速應避開160r／min峰值區(qū)域，從而改善攪拌效果。

4）組合槳攪拌功率隨著內(nèi)槳和外槳轉速的提高，功耗進一步增大，外槳轉速增加，功耗增幅較快。