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(xué)院，江蘇 南京 210048）

攪拌設(shè)備在石油、化工、醫(yī)藥、農(nóng)藥、食品、日用化學(xué)品與化妝品等流程工業(yè)中占工藝設(shè)備的比重較大，如在化工三大合成產(chǎn)品的生產(chǎn)中，攪拌設(shè)備占反應(yīng)設(shè)備的90%，占整個工藝設(shè)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(chǎn)生強(qiáng)剪切作用，形成湍流擴(kuò)散，有利于混合，但它同時也容易將反應(yīng)釜的介質(zhì)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(nèi)混合時間的10倍以上，結(jié)果使整個釜內(nèi)的循環(huán)混合變的更加困難。而軸向流攪拌槳可使流體產(chǎn)生軸向流動，循環(huán)能力強(qiáng)，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(diǎn)，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(nèi)槳和外槳兩部分構(gòu)成，如圖1。內(nèi)槳是傾斜45°的斜葉槳葉和變傾角推進(jìn)槳構(gòu)成，推進(jìn)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(nèi)部設(shè)有兩層擋板，擋板隨著外槳一起轉(zhuǎn)動，既可以起到擋板作用，也可以對流體進(jìn)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(diǎn)。

圖1 新型組合槳

2 新型組合槳實(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），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(jī)、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(jī)玻璃罐11和玻璃缸10自身及其內(nèi)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。可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)有機(jī)玻璃罐11形狀，以及實(shí)驗(yàn)觀察需要，方便調(diào)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(jī)1、聯(lián)軸器2、主變頻器3、攪拌軸5、攪拌器14和有機(jī)玻璃罐11組成。變頻器3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；被測攪拌槳14都設(shè)計成對開式的結(jié)構(gòu)（如圖2所示），便于快速拆卸與更換；采用有機(jī)玻璃罐11作為罐體，透明可以便于觀察罐內(nèi)物料的反應(yīng)，測定反應(yīng)時間以及混合的均勻度。

圖2 攪拌實(shí)驗(yàn)裝置圖

2.2 實(shí)驗(yàn)介質(zhì)、對比槳型

實(shí)驗(yàn)主要原料：羧甲基纖維素（CMC），牌號為FVH 6，配置成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%的和1.5%兩種水溶液，江蘇張家港三惠化工廠產(chǎn)品。實(shí)驗(yàn)采用混合實(shí)驗(yàn)，用碘液褪色法測定，反應(yīng)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(shí)驗(yàn)的是標(biāo)準(zhǔn)的框式槳，其尺寸如圖3所示，新型組合槳內(nèi)槳參數(shù)如圖4所示。

圖3 框式槳

圖4 內(nèi)槳結(jié)構(gòu)圖

2.3 新型組合槳與框式槳在不同CMC溶液中對比實(shí)驗(yàn)

新型組合槳與框式槳對比實(shí)驗(yàn)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(nèi)推進(jìn)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(nèi)槳轉(zhuǎn)速一定，在不同外槳轉(zhuǎn)速中配比實(shí)驗(yàn)

由圖7看出，組合槳內(nèi)槳一定時，在黏度1.5%WTCMC溶液中，混合時間隨外槳轉(zhuǎn)速的升高而升高，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到6.5r/min左右達(dá)到一定峰值，混合時間開始降低。這是由于外槳轉(zhuǎn)速增加到一定程度，罐體內(nèi)“柱狀回轉(zhuǎn)區(qū)”加大，內(nèi)外槳攪拌液體步調(diào)一致，不利于混合；當(dāng)再增加轉(zhuǎn)速后會破壞這種回轉(zhuǎn)區(qū)，罐內(nèi)液體分子相互擴(kuò)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(zhuǎn)速，從而改善攪拌效果。

圖7 1.5%WTCMC溶液，內(nèi)槳48.8r/min，外槳在不同轉(zhuǎn)速情況下的混合時間圖

由圖8可以看出，組合槳內(nèi)槳一定時，在黏度4.0%WTCMC溶液中，混合時間隨外槳轉(zhuǎn)速的升高而升高，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)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(zhuǎn)速，從而改善攪拌效果。液體粘度增加，內(nèi)外槳產(chǎn)生的柱狀回轉(zhuǎn)區(qū)的轉(zhuǎn)速有所提高。

圖8 4.0%WTCMC溶液，內(nèi)槳48.8r/min，外槳在不同轉(zhuǎn)速情況下的混合時間圖

2.5 組合槳外槳轉(zhuǎn)速一定，在不同內(nèi)槳轉(zhuǎn)速中配比實(shí)驗(yàn)

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

圖9 外槳在6.5r/min，內(nèi)槳在不同溶液、轉(zhuǎn)速下的混合時間

3 結(jié)論

通過上述實(shí)驗(yàn)，得出如下結(jié)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(nèi)槳48.8r/min時，外槳應(yīng)避開6.8r/min左右的轉(zhuǎn)速，從而改善攪拌效果；

4）在外槳6.5r/min時，內(nèi)槳匹配最佳轉(zhuǎn)速在50～60r/min之間。