范金迪，靳兆文，仝源

（南京科技職業(yè)學(xué)院智能制造學(xué)院，江蘇 南京 210048）

隨著石油化學(xué)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(yīng)器的應(yīng)用越來越廣泛。攪拌槳是攪拌反應(yīng)器的核心部件，它的研究對(duì)于上述工業(yè)生產(chǎn)將會(huì)產(chǎn)生很大的推動(dòng)作用［1］。在完成相應(yīng)攪拌的過程中，使反應(yīng)物充分融合，混合均勻，縮短反應(yīng)時(shí)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(dòng)的形式可以分為徑向流動(dòng)和軸向流動(dòng)的攪拌槳。徑向攪拌槳具有強(qiáng)剪切和易形成湍流擴(kuò)散優(yōu)點(diǎn)，但它同時(shí)也容易將反應(yīng)器內(nèi)的介質(zhì)分成以攪拌槳葉面為界的上下幾個(gè)自循環(huán)區(qū)，區(qū)間混合容易，而幾個(gè)混合區(qū)之間的混合困難，結(jié)果使整個(gè)反應(yīng)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(dòng)，流體循環(huán)能力強(qiáng)，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(diǎn)于一身，在高黏度流體攪拌中得到了較為廣泛的應(yīng)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(jìn)槳組成。推進(jìn)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(duì)罐體循環(huán)過來進(jìn)行剪切，有利于物料分子之間細(xì)化，增加接觸幾率，提高混合效率。外槳是一個(gè)類似的框式槳。在框式槳的內(nèi)部設(shè)有一層橫向擋板，擋板固定在外槳上隨著外槳一起轉(zhuǎn)動(dòng)，既可以起到橫向擋板作用，也可以輔助對(duì)流體進(jìn)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(jié)構(gòu)

2 攪拌槳實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)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(jī)、主變頻器、攪拌軸、攪拌器和有機(jī)玻璃罐等組成。變頻器可以主控制電機(jī)1轉(zhuǎn)速，便于測定各種轉(zhuǎn)速下攪拌槳性能；透明有機(jī)玻璃罐可以便于觀察罐內(nèi)物料的反應(yīng)，能夠測定反應(yīng)時(shí)間以及觀察混合的均勻度。

圖2 攪拌實(shí)驗(yàn)裝置圖

2.2 實(shí)驗(yàn)介質(zhì)及對(duì)比槳型

實(shí)驗(yàn)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(hào)為FVH 6，用來配置成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%水溶液，模擬高黏度流體。實(shí)驗(yàn)采用碘液褪色法測定測定混合時(shí)間［5］，反應(yīng)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(duì)比實(shí)驗(yàn)的是標(biāo)準(zhǔn)的渦輪式攪拌槳、推進(jìn)式攪拌槳和二葉斜葉槳，其圖形如圖3所示。

圖3 對(duì)比攪拌槳結(jié)構(gòu)圖

2.3 不同槳型在CMC溶液中混合時(shí)間對(duì)比實(shí)驗(yàn)

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(jìn)槳比較，在低轉(zhuǎn)速情況下，混合時(shí)間短。但隨著轉(zhuǎn)速增加，推進(jìn)式攪拌槳混合時(shí)間明顯下降，因而推進(jìn)式攪拌槳在高轉(zhuǎn)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(shí)間比渦輪式攪拌槳節(jié)省4.67s，混合效率提高25%；比推進(jìn)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(jìn)槳的對(duì)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(zhuǎn)速高黏度流體混合。

圖4 1.5%WTCMC不同槳型混合時(shí)間對(duì)比圖

從圖5看出，在1.5%WTCMC溶液中，常規(guī)槳型中，在轉(zhuǎn)速相同的情況下渦輪式攪拌槳功率最大，推進(jìn)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(jìn)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(duì)比圖

2.4 組合槳內(nèi)槳轉(zhuǎn)速一定，在不同外槳轉(zhuǎn)速中配比實(shí)驗(yàn)

組合槳內(nèi)槳轉(zhuǎn)速一定，在不同外槳轉(zhuǎn)速中配比實(shí)驗(yàn)，見圖6、圖7。

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

圖7 1.5%WTCMC溶液內(nèi)外槳在不同轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速一定時(shí)，混合時(shí)間隨外槳轉(zhuǎn)速的升高出現(xiàn)先降低后升高的情況，在外槳45r／min時(shí)達(dá)到均勻混合時(shí)間用時(shí)最少；在外槳轉(zhuǎn)速一定時(shí)，混合時(shí)間隨著內(nèi)槳轉(zhuǎn)速增大混合時(shí)間在內(nèi)槳達(dá)到160r／min時(shí)出現(xiàn)峰值，因此內(nèi)槳轉(zhuǎn)速應(yīng)避開160r／min峰值區(qū)域。這是由于開始攪拌時(shí)，罐體內(nèi)有 “柱狀回轉(zhuǎn)區(qū)”，隨著外槳轉(zhuǎn)速增加，內(nèi)外槳攪拌液體步調(diào)一致，“柱狀回轉(zhuǎn)區(qū)”未消除，不利于混合；當(dāng)轉(zhuǎn)速持續(xù)增加會(huì)破壞這種回轉(zhuǎn)區(qū)，使得罐內(nèi)液體分子擴(kuò)散加劇，又會(huì)改善混合效果。因此我們需要避開外槳為160r／min左右的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速的提高，功耗進(jìn)一步增大；外槳轉(zhuǎn)速為23r／min時(shí)功耗增速較慢，外槳為45r／min和68r／min時(shí)功耗增幅較快。

3 研究結(jié)論

1）在黏度1.5%WTCMC溶液中，在160r／min以下，組合槳混合時(shí)間比渦輪式攪拌槳節(jié)省4.67s，混合效率提高25%；比推進(jìn)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(jìn)攪拌槳節(jié)省16.7%功率。

3）組合槳在內(nèi)槳轉(zhuǎn)速一定時(shí)，在外槳45r／min時(shí)達(dá)到均勻混合時(shí)間用時(shí)最少；在外槳轉(zhuǎn)速一定時(shí)，混合時(shí)間隨著內(nèi)槳轉(zhuǎn)速增大混合時(shí)間在內(nèi)槳達(dá)到60r／min時(shí)出現(xiàn)峰值，因此內(nèi)槳轉(zhuǎn)速應(yīng)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(zhuǎn)速的提高，功耗進(jìn)一步增大，外槳轉(zhuǎn)速增加，功耗增幅較快。