預聚釜攪拌器的優化設計

郭志英李鴻雁王洪學

（1.中航黎明錦西化工機械（集團）有限責任公司2.中石油慶陽石化分公司)

預聚釜攪拌器的優化設計

郭志英*1李鴻雁2王洪學1

（1.中航黎明錦西化工機械（集團）有限責任公司2.中石油慶陽石化分公司)

在相似理論指導下，應用試驗結果及攪拌放大技術，實現對聚合釜攪拌器的優化設計，選定攪拌器型式、規格，使其攪拌效果滿足設計要求，滿足用戶使用要求。

預聚釜攪拌放大技術攪拌器冷模試驗優化設計

0 前言

在化工過程及工業生產中，流體混合占有很重要的地位。流體混合操作的諸多方法中，攪拌是最為常見的方法。攪拌可以使物料相互分散而達到混合，也可以加速其傳質、傳熱過程。

要獲得聚合釜攪拌過程的最佳操作條件，往往要通過小型設備進行模擬試驗，在相同物料、物性情況下，尋找適合的槳徑、槳的幾何參數和攪拌轉速等，并在相似理論指導下，應用試驗結果及攪拌放大技術，實現對攪拌器的優化設計，最后選定攪拌器型式、規格，使其攪拌效果滿足設計和工藝要求。

對于給定的攪拌過程，攪拌型式和操作條件的選擇大都依靠過去的經驗。通常，根據工業實例分析和對放大技術的掌握程度來選擇攪拌器型式，并在其常用范圍內確定攪拌器的各種參數。對于過程開發或大規模工程，仍需先通過小型模擬試驗和中試取得數據后，再進行比擬放大設計，確定最適宜的攪拌器型式和操作參數，以達到預期的攪拌效果。

攪拌器功能概括地說就是提供攪拌過程所需的能量和適宜的流動狀態，以達到攪拌過程的目的。攪拌器的攪拌作用由運動的槳葉產生，因此，槳葉的形式、尺寸、數量及轉速就影響攪拌器的功能。

雷諾數Re表示流體黏性對流動的影響。Re=d2n ρ/μ，式中d為攪拌器直徑，n為攪拌轉速，ρ為液體密度，μ為液體黏度。Re與黏度成反比，與轉速成正比。當轉速低時，Re=10～30，流動處于層流狀態；當轉速較高時，30＜Re≤104，流動處于過渡流狀態；當Re＞104時，流動狀態變成湍流狀態。

1 冷模試驗

試驗用的小型攪拌器的設計，一般應滿足下述要求，所測得的數據才可用于放大或合理設計大型設備。

（1）試驗設備做成方便觀測的透明槽。

（2）試驗設備型式（攪拌器、擋板及其相對尺寸等）的選擇最好是以預設計設備或參考實例所用設備按比例縮小，做成模型，由此所得數據可直接用于放大。

（3）大、小設備要保持幾何相似。

（4）能做水動力模型試驗或中間試驗，以便找出消除放大效應的方法進行修正。

（5）小型設備應具有很大的適應性，并能準確測量數據。

1.1 工藝條件

13 m3預聚釜(見圖1)，釜體內筒內徑2 200 mm，直筒高3 140 mm，橢圓封頭，采用連續生產工藝，操作溫度120℃，夾套加熱，上部進料，底部出料，充裝系數為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，攪拌轉速20～100 r/min，釜內設四塊寬220 mm的擋板。

圖1 冷模試驗裝置

因物料黏度大，流動性差，需要高循環能力、高剪切力的攪拌器，故選擇標準圓盤渦輪式攪拌器，攪拌器直徑d、槳葉長度l和槳葉寬度b的關系為d∶l∶b=20∶5∶4。

1.2 試驗裝置

冷模試驗裝置主要由動力、攪拌、測功、測速和記錄等幾大部分組成。動力部分由調速電機、控制器、傳動部件等構成，攪拌部分包括攪拌槽、攪拌器和擋板，測功部分包括扭矩傳感器和應變儀，測速部分包括測速儀等，由臺式平衡記錄儀記錄。

攪拌槽：內徑390 mm，無色有機玻璃制成，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，尺寸根據幾何相似理論確定。

標準圓盤渦輪式攪拌器的各比例系數如表1所示。

表1 標準圓盤渦輪式攪拌器比例系數

物料：測定功率特性時物料為糖漿，測定流型時物料為食鹽水。

1.3 試驗方法

（1）攪拌流型測定

攪拌試驗槽內放入直徑約3 mm的示蹤粒子和適當濃度的食鹽水，使示蹤粒子能自由沉浮于不同高度，以便進行攪拌流型測定。采用窄縫平面光攝影法，拍攝不同轉速下示蹤粒子隨流體流動形成的軌跡影像。記錄攪拌體系縱向的示蹤粒子運動流線。

（2）攪拌轉速測定

通過電磁調速電機和皮帶傳動改變攪拌轉速，由磁電轉速傳感器、數字轉速顯示儀測定并顯示攪拌轉速。

（3）攪拌功率測定

采用電阻應變法測定轉矩，根據設備運行時所處的攪拌雷諾數范圍，配制適當黏度的糖漿作為試驗流體，并測定流體黏度、密度，進行攪拌功率特性試驗。攪拌器旋轉引起扭矩傳感器產生應變電信號，經動態電阻應變儀、臺式平衡記錄儀測量并記錄應變值，求得攪拌軸所受的扭矩M1，然后計算出相應轉速下的攪拌功率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——應變量。

又M2=97 400P/n

式中P——攪拌所需功率；

n——攪拌轉速。

令M1=M2，即可計算出相應轉速下的攪拌功率P。

2 試驗結果及分析

圖2所示是試驗轉速分別為100 r/min、60 r/min時的攪拌效果。由圖2可見，低轉速下攪拌強度較弱，尤其是底層攪拌器的下部區域，因此需適當調整底層攪拌器的離底高度。轉速較高時，上層攪拌器附近攪拌激烈，而底層攪拌器下部攪拌強度偏弱。由于底部的物料黏度較大，因此底部物料的流動較緩，有利于穩定物料。總之，轉速較高時流體的流動狀態基本符合全混流混合狀態的要求，達到了預期的攪拌效果。

根據設備的工藝條件和攪拌操作參數，在過渡流操作狀態下進行不同轉速的攪拌功率特性測試，可求得此時的功率準數Np在6.5～9.5之間。

以流動狀態相似為基準進行放大，得知攪拌轉速60 r/min時攪拌功率為1.4 kW，攪拌轉速100 r/min時攪拌功率為6 kW。依設備充裝量60%，即物料量為7.8 m3計，單位體積功最大為0.77 kW/m3。轉速10 r/min時攪拌功率較低，低速運轉的攪拌效果不理想。

圖2 不同攪拌轉速試驗狀況

3 結論

（1）根據試驗研究結果，本設備最終確定攪拌器規格、尺寸和安裝高度為：d=730 mm，l=185 mm，b=150 mm，h=1095 mm，c=683 mm。

（2）試驗結果表明：雙層六葉渦輪攪拌器在低黏度流體狀態下能適應全混流的要求；提高攪拌轉速可望進一步改善攪拌效果；此攪拌器的操作是可靠的。

[1] 陳乙崇.攪拌設備設計[M].上海：上海科學技術出版社，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，高級工程師。葫蘆島市，125001。

2012-02-24）