郭志英李鴻雁王洪學(xué)

（1.中航黎明錦西化工機(jī)械（集團(tuán)）有限責(zé)任公司2.中石油慶陽(yáng)石化分公司)

預(yù)聚釜攪拌器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

郭志英*1李鴻雁2王洪學(xué)1

（1.中航黎明錦西化工機(jī)械（集團(tuán)）有限責(zé)任公司2.中石油慶陽(yáng)石化分公司)

在相似理論指導(dǎo)下，應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果及攪拌放大技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)聚合釜攪拌器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，選定攪拌器型式、規(guī)格，使其攪拌效果滿足設(shè)計(jì)要求，滿足用戶使用要求。

預(yù)聚釜攪拌放大技術(shù)攪拌器冷模試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 前言

在化工過(guò)程及工業(yè)生產(chǎn)中，流體混合占有很重要的地位。流體混合操作的諸多方法中，攪拌是最為常見(jiàn)的方法。攪拌可以使物料相互分散而達(dá)到混合，也可以加速其傳質(zhì)、傳熱過(guò)程。

要獲得聚合釜攪拌過(guò)程的最佳操作條件，往往要通過(guò)小型設(shè)備進(jìn)行模擬試驗(yàn)，在相同物料、物性情況下，尋找適合的槳徑、槳的幾何參數(shù)和攪拌轉(zhuǎn)速等，并在相似理論指導(dǎo)下，應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果及攪拌放大技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)攪拌器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后選定攪拌器型式、規(guī)格，使其攪拌效果滿足設(shè)計(jì)和工藝要求。

對(duì)于給定的攪拌過(guò)程，攪拌型式和操作條件的選擇大都依靠過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)。通常，根據(jù)工業(yè)實(shí)例分析和對(duì)放大技術(shù)的掌握程度來(lái)選擇攪拌器型式，并在其常用范圍內(nèi)確定攪拌器的各種參數(shù)。對(duì)于過(guò)程開(kāi)發(fā)或大規(guī)模工程，仍需先通過(guò)小型模擬試驗(yàn)和中試取得數(shù)據(jù)后，再進(jìn)行比擬放大設(shè)計(jì)，確定最適宜的攪拌器型式和操作參數(shù)，以達(dá)到預(yù)期的攪拌效果。

攪拌器功能概括地說(shuō)就是提供攪拌過(guò)程所需的能量和適宜的流動(dòng)狀態(tài)，以達(dá)到攪拌過(guò)程的目的。攪拌器的攪拌作用由運(yùn)動(dòng)的槳葉產(chǎn)生，因此，槳葉的形式、尺寸、數(shù)量及轉(zhuǎn)速就影響攪拌器的功能。

雷諾數(shù)Re表示流體黏性對(duì)流動(dòng)的影響。Re=d2n ρ/μ，式中d為攪拌器直徑，n為攪拌轉(zhuǎn)速，ρ為液體密度，μ為液體黏度。Re與黏度成反比，與轉(zhuǎn)速成正比。當(dāng)轉(zhuǎn)速低時(shí)，Re=10～30，流動(dòng)處于層流狀態(tài)；當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，30＜Re≤104，流動(dòng)處于過(guò)渡流狀態(tài)；當(dāng)Re＞104時(shí)，流動(dòng)狀態(tài)變成湍流狀態(tài)。

1 冷模試驗(yàn)

試驗(yàn)用的小型攪拌器的設(shè)計(jì)，一般應(yīng)滿足下述要求，所測(cè)得的數(shù)據(jù)才可用于放大或合理設(shè)計(jì)大型設(shè)備。

（1）試驗(yàn)設(shè)備做成方便觀測(cè)的透明槽。

（2）試驗(yàn)設(shè)備型式（攪拌器、擋板及其相對(duì)尺寸等）的選擇最好是以預(yù)設(shè)計(jì)設(shè)備或參考實(shí)例所用設(shè)備按比例縮小，做成模型，由此所得數(shù)據(jù)可直接用于放大。

（3）大、小設(shè)備要保持幾何相似。

（4）能做水動(dòng)力模型試驗(yàn)或中間試驗(yàn)，以便找出消除放大效應(yīng)的方法進(jìn)行修正。

（5）小型設(shè)備應(yīng)具有很大的適應(yīng)性，并能準(zhǔn)確測(cè)量數(shù)據(jù)。

1.1 工藝條件

13 m3預(yù)聚釜(見(jiàn)圖1)，釜體內(nèi)筒內(nèi)徑2 200 mm，直筒高3 140 mm，橢圓封頭，采用連續(xù)生產(chǎn)工藝，操作溫度120℃，夾套加熱，上部進(jìn)料，底部出料，充裝系數(shù)為0.6，物料密度為886 kg/m3，綜合黏度為7 Pa·s，全混流混合狀態(tài)，攪拌轉(zhuǎn)速20～100 r/min，釜內(nèi)設(shè)四塊寬220 mm的擋板。

圖1 冷模試驗(yàn)裝置

因物料黏度大，流動(dòng)性差，需要高循環(huán)能力、高剪切力的攪拌器，故選擇標(biāo)準(zhǔn)圓盤渦輪式攪拌器，攪拌器直徑d、槳葉長(zhǎng)度l和槳葉寬度b的關(guān)系為d∶l∶b=20∶5∶4。

1.2 試驗(yàn)裝置

冷模試驗(yàn)裝置主要由動(dòng)力、攪拌、測(cè)功、測(cè)速和記錄等幾大部分組成。動(dòng)力部分由調(diào)速電機(jī)、控制器、傳動(dòng)部件等構(gòu)成，攪拌部分包括攪拌槽、攪拌器和擋板，測(cè)功部分包括扭矩傳感器和應(yīng)變儀，測(cè)速部分包括測(cè)速儀等，由臺(tái)式平衡記錄儀記錄。

攪拌槽：內(nèi)徑390 mm，無(wú)色有機(jī)玻璃制成，為帶橢圓封頭的圓柱槽。

擋板：4塊寬39 mm的不銹鋼擋板，沿圓周均布于槽中，離壁距離8 mm。

攪拌器：兩層直徑130 mm的六葉渦輪攪拌器，尺寸根據(jù)幾何相似理論確定。

標(biāo)準(zhǔn)圓盤渦輪式攪拌器的各比例系數(shù)如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)圓盤渦輪式攪拌器比例系數(shù)

物料：測(cè)定功率特性時(shí)物料為糖漿，測(cè)定流型時(shí)物料為食鹽水。

1.3 試驗(yàn)方法

（1）攪拌流型測(cè)定

攪拌試驗(yàn)槽內(nèi)放入直徑約3 mm的示蹤粒子和適當(dāng)濃度的食鹽水，使示蹤粒子能自由沉浮于不同高度，以便進(jìn)行攪拌流型測(cè)定。采用窄縫平面光攝影法，拍攝不同轉(zhuǎn)速下示蹤粒子隨流體流動(dòng)形成的軌跡影像。記錄攪拌體系縱向的示蹤粒子運(yùn)動(dòng)流線。

（2）攪拌轉(zhuǎn)速測(cè)定

通過(guò)電磁調(diào)速電機(jī)和皮帶傳動(dòng)改變攪拌轉(zhuǎn)速，由磁電轉(zhuǎn)速傳感器、數(shù)字轉(zhuǎn)速顯示儀測(cè)定并顯示攪拌轉(zhuǎn)速。

（3）攪拌功率測(cè)定

采用電阻應(yīng)變法測(cè)定轉(zhuǎn)矩，根據(jù)設(shè)備運(yùn)行時(shí)所處的攪拌雷諾數(shù)范圍，配制適當(dāng)黏度的糖漿作為試驗(yàn)流體，并測(cè)定流體黏度、密度，進(jìn)行攪拌功率特性試驗(yàn)。攪拌器旋轉(zhuǎn)引起扭矩傳感器產(chǎn)生應(yīng)變電信號(hào)，經(jīng)動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀、臺(tái)式平衡記錄儀測(cè)量并記錄應(yīng)變值，求得攪拌軸所受的扭矩M1，然后計(jì)算出相應(yīng)轉(zhuǎn)速下的攪拌功率P。式中M1——攪拌軸所需扭矩；

d——攪拌軸或傳感器扭力桿貼片處直徑；

E——貼片處材料彈性模量；

μ——貼片處材料泊松比；

ε——應(yīng)變量。

又M2=97 400P/n

式中P——攪拌所需功率；

n——攪拌轉(zhuǎn)速。

令M1=M2，即可計(jì)算出相應(yīng)轉(zhuǎn)速下的攪拌功率P。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖2所示是試驗(yàn)轉(zhuǎn)速分別為100 r/min、60 r/min時(shí)的攪拌效果。由圖2可見(jiàn)，低轉(zhuǎn)速下攪拌強(qiáng)度較弱，尤其是底層攪拌器的下部區(qū)域，因此需適當(dāng)調(diào)整底層攪拌器的離底高度。轉(zhuǎn)速較高時(shí)，上層攪拌器附近攪拌激烈，而底層攪拌器下部攪拌強(qiáng)度偏弱。由于底部的物料黏度較大，因此底部物料的流動(dòng)較緩，有利于穩(wěn)定物料。總之，轉(zhuǎn)速較高時(shí)流體的流動(dòng)狀態(tài)基本符合全混流混合狀態(tài)的要求，達(dá)到了預(yù)期的攪拌效果。

根據(jù)設(shè)備的工藝條件和攪拌操作參數(shù)，在過(guò)渡流操作狀態(tài)下進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速的攪拌功率特性測(cè)試，可求得此時(shí)的功率準(zhǔn)數(shù)Np在6.5～9.5之間。

以流動(dòng)狀態(tài)相似為基準(zhǔn)進(jìn)行放大，得知攪拌轉(zhuǎn)速60 r/min時(shí)攪拌功率為1.4 kW，攪拌轉(zhuǎn)速100 r/min時(shí)攪拌功率為6 kW。依設(shè)備充裝量60%，即物料量為7.8 m3計(jì)，單位體積功最大為0.77 kW/m3。轉(zhuǎn)速10 r/min時(shí)攪拌功率較低，低速運(yùn)轉(zhuǎn)的攪拌效果不理想。

圖2 不同攪拌轉(zhuǎn)速試驗(yàn)狀況

3 結(jié)論

（1）根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果，本設(shè)備最終確定攪拌器規(guī)格、尺寸和安裝高度為：d=730 mm，l=185 mm，b=150 mm，h=1095 mm，c=683 mm。

（2）試驗(yàn)結(jié)果表明：雙層六葉渦輪攪拌器在低黏度流體狀態(tài)下能適應(yīng)全混流的要求；提高攪拌轉(zhuǎn)速可望進(jìn)一步改善攪拌效果；此攪拌器的操作是可靠的。

[1] 陳乙崇.攪拌設(shè)備設(shè)計(jì)[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1983.

Optimum Design of Stirrer in Prepolymerization Reactor

Guo Zhiying Li Hongyan Wang Hongxue

Under the guidance of the similarity theories,applying the results of tests and stirring enlargement technology to realize the optimum design of stirrer in prepolymerization reactor,and selecting the type and specification of stirrer to meet the design requirements and application requirements.

Prepolymerization reactor;Stirring enlargement technology;Stirrer;Cold simulating test;Optimum design

TQ 051.7

*郭志英，女，1970年生，高級(jí)工程師。葫蘆島市，125001。

2012-02-24）