劉志炎 王星星 劉雪東

(1. 江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院常熟分院；2. 華北水利水電大學機械學院；3. 常州大學機械工程學院)

高濃度固體顆粒懸浮和低、中粘度液體的混合與反應常見于石油、化工、生物、醫(yī)藥及冶金等領域，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到的混合分散優(yōu)越性[1～3]。

在攪拌反應釜內(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，國內(nèi)外對內(nèi)壁安裝垂直擋板的攪拌釜進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]并對它進行了深入的研究[13～15]，但只對平底的攪拌釜進行研究，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，分別對橢圓底封頭攪拌釜內(nèi)十字形擋板[16]和對數(shù)螺線形擋板[17]進行了流場的數(shù)值模擬，并在前期的研究基礎上，對兩者的混合性能進行對比分析。

1 實驗方法及裝置

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)簡圖和十字形擋板、對數(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 混合性能評價標準

攪拌反應釜內(nèi)對混合性能的比較主要涉及以下兩個方面：相同的操作條件下，攪拌功率的大??；相同的操作條件下，混合時間的長短?；旌蠒r間是表征攪拌槽反應器內(nèi)流體混合狀況的一個重要參數(shù)，是攪拌槽反應器設計和放大的重要依據(jù)之一。

在文獻[16]中，通過流場數(shù)值模擬與扭矩實驗，攪拌軸扭矩實驗值與模擬值的相對誤差在10%左右，實驗值與模擬值基本吻合，該實驗臺的實驗效果是較理想的。筆者通過實驗的方法測出幾組不同參數(shù)下的混合時間，再比較各組參數(shù)下的混合性能。若在一組參數(shù)下所得到的混合時間比其他幾組都小，同時所消耗的功率較小，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 實驗裝置

本實驗所涉及到的實驗裝置有扭矩傳感器(華欣機電公司，型號HX-901，量程0～50N·m，精度0.5%)、電機(型號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算機上。通過設定電機變頻器(TPC-G11S)的參數(shù)，可調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速。

1.4 實驗步驟

本實驗在攪拌實驗臺上進行，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，調(diào)節(jié)攪拌軸轉(zhuǎn)速，在不同的轉(zhuǎn)速下進行實驗，使用組態(tài)王軟件進行數(shù)據(jù)采集，每隔2s采集一次數(shù)據(jù)，實驗的扭矩和隨時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

實驗中，先開啟不銹鋼家用增壓泵，再開啟電機，通過電機變頻器(TPC-G11S)來調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速，待數(shù)值穩(wěn)定后，開始進行數(shù)據(jù)采集并觀察攪拌釜內(nèi)流體的流動情況，實驗完成以后，將記錄的實驗數(shù)據(jù)導入Excel中。

碳酸鈣粉末質(zhì)量的確定是按混合液混合均勻時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)過計算可以知道，當混合液均勻時的密度為1.05g/cm3時，需要加入7.396kg的碳酸鈣粉末。

2 結(jié)果與討論

2.1 加裝十字形擋板時混合時間及扭矩值

本實驗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時進行實驗。6組參數(shù)下的混合液密度隨時間的變化曲線如圖3所示。

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

圖3 不同參數(shù)下混合液密度隨時間的變化曲線

攪拌槳直徑mm攪拌槳離底高度mm底部擋板高度mm底部擋板長度mm攪拌扭矩N·m混合時間s232350601803.09220232420601803.03204232490601803.06212290490601803.53188290420601803.58216290350601803.55196

表2 轉(zhuǎn)速為160r/min時扭矩與混合時間

表3 轉(zhuǎn)速為200r/min時扭矩與混合時間

表4 轉(zhuǎn)速為240r/min時扭矩與混合時間

2.2 加裝對數(shù)螺線擋板時的混合時間及扭矩值

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

表5 轉(zhuǎn)速為120r/min時扭矩與混合時間

表6 轉(zhuǎn)速為160r/min時扭矩與混合時間

表7 轉(zhuǎn)速為200r/min時扭矩與混合時間

表8 轉(zhuǎn)速為240r/min時扭矩與混合時間

2.3 不同參數(shù)下的混合性能比較

2.3.1加裝十字形擋板時的混合性能比較

由表1可知，在轉(zhuǎn)速為120r/min時，攪拌槳直徑取290mm，底部擋板長度取180mm，底部擋板高度取60mm，攪拌槳離底高度取490mm時，攪拌混合的時間為188s，而在同樣的實驗條件下，在表1中，此組參數(shù)與其他5組參數(shù)的混合時間相比，該組混合時間最短，且此時得到的攪拌扭矩為3.53N·m，此時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，滿足混合性能的評價標準，故在加裝十字形擋板時，在攪拌槳直徑取290mm，底部擋板長度取180mm，底部擋板高度取60mm，攪拌槳離底高度取490mm時的混合性能較其他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，它所對應的攪拌功率也逐漸增大。對于同一組參數(shù)來說，轉(zhuǎn)速越大，攪拌均勻所需要的混合時間越短。

2.3.2加裝對數(shù)螺線形擋板時的混合性能比較

由表6可知，在轉(zhuǎn)速為160r/min時，攪拌槳直徑取290mm，底部擋板長度取180mm，底部擋板高度取60mm，攪拌槳離底高度取490mm時，攪拌混合的時間為178s，而在同樣的實驗條件下，在表6中，此組參數(shù)與其他5組參數(shù)的混合時間相比，該組混合時間最短，且此時得到的攪拌扭矩為5.52N·m，此時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，滿足混合性能的評價標準，故在加裝對數(shù)螺線形擋板時，在攪拌槳直徑取290mm，底部擋板長度取180mm，底部擋板高度取60mm，攪拌槳離底高度取490mm時的混合性能較其他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，其所對應的攪拌功率也逐漸增大。對于同一組參數(shù)來說，轉(zhuǎn)速越大，攪拌均勻所需要的混合時間越短。

2.4 兩種不同形式擋板的混合性能比較

取以上實驗中的一組參數(shù)：攪拌槳直徑232mm，底部擋板長度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，將攪拌釜底部分別加裝十字形擋板和對數(shù)螺線形擋板時的扭矩和混合時間進行比較，混合時間隨轉(zhuǎn)速的變化如圖4所示。

圖4 混合時間隨轉(zhuǎn)速變化的分布曲線

由圖4可知，在加裝十字形擋板和對數(shù)螺線形擋板時，混合時間均是隨著轉(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間越短。此外，在同組參數(shù)、相同的操作條件下，加裝對數(shù)螺線形擋板攪拌均勻所需要的時間比加裝十字形擋板時所需要的混合時間要短。

由前面的扭矩實驗驗證可知，在同種轉(zhuǎn)速下，加裝對數(shù)螺線形擋板所消耗的攪拌功率比加裝十字形擋板時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，在加裝對數(shù)螺線形擋板時，攪拌釜的混合性要更好一些。

3 結(jié)論

3.1通過實驗法，測定四直葉開啟渦輪攪拌槳在不同工況下的流場及其相對應的攪拌軸扭矩值，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數(shù)螺線形擋板時的攪拌扭矩的實驗值進行比較，可知攪拌功率隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大，對數(shù)螺線形擋板比十字形擋板的功率消耗要低。底部加對數(shù)螺線形擋板比底部加十字形擋板要更加節(jié)能。

3.2在實驗臺的可靠性得到驗證的前提下，通過實驗測得粉末狀碳酸鈣的混合液的密度隨時間的變化值和對應的扭矩值，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到密度隨時間的變化曲線，從曲線中得出混合時間，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，混合時間最短，同時消耗的功率較小。

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

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

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