攪拌槳性能對比試驗研究

范金迪，靳兆文，仝源

（南京科技職業(yè)學院智能制造學院，江蘇 南京 210048）

隨著石油化學工業(yè)、生物醫(yī)藥工程、食品行業(yè)的不斷發(fā)展，攪拌反應器的應用越來越廣泛。攪拌槳是攪拌反應器的核心部件，它的研究對于上述工業(yè)生產將會產生很大的推動作用［1］。在完成相應攪拌的過程中，使反應物充分融合，混合均勻，縮短反應時間和提升生產效率是研究人員一直努力的方向［2］。攪拌槳根據(jù)流體流動的形式可以分為徑向流動和軸向流動的攪拌槳。徑向攪拌槳具有強剪切和易形成湍流擴散優(yōu)點，但它同時也容易將反應器內的介質分成以攪拌槳葉面為界的上下幾個自循環(huán)區(qū)，區(qū)間混合容易，而幾個混合區(qū)之間的混合困難，結果使整個反應器內的循環(huán)混合變得更困難。而軸向流攪拌槳在罐體內流體產生軸向整體流動，流體循環(huán)能力強，但微觀的剪切能力弱，局部混合效果不好。混合流組合槳的提出可以集軸向流攪拌槳和徑向流攪拌槳優(yōu)點于一身，在高黏度流體攪拌中得到了較為廣泛的應用［3-4］。

1 組合槳介紹

本文提出的組合槳是由內、外槳兩部分組成，內槳是由傾斜30°的二葉斜葉槳和推進槳組成。推進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)；上部二葉斜葉槳對罐體循環(huán)過來進行剪切，有利于物料分子之間細化，增加接觸幾率，提高混合效率。外槳是一個類似的框式槳。在框式槳的內部設有一層橫向擋板，擋板固定在外槳上隨著外槳一起轉動，既可以起到橫向擋板作用，也可以輔助對流體進行攪拌和剪切，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 組合槳結構

2 攪拌槳實驗研究

2.1 實驗裝置

本實驗裝置如圖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、主變頻器、攪拌軸、攪拌器和有機玻璃罐等組成。變頻器可以主控制電機1轉速，便于測定各種轉速下攪拌槳性能；透明有機玻璃罐可以便于觀察罐內物料的反應，能夠測定反應時間以及觀察混合的均勻度。

圖2 攪拌實驗裝置圖

2.2 實驗介質及對比槳型

實驗主要原料：江蘇張家港三惠化工廠產品羧甲基纖維素 （CMC），牌號為FVH 6，用來配置成質量分數(shù)為1.5%水溶液，模擬高黏度流體。實驗采用碘液褪色法測定測定混合時間［5］，反應物為碘和硫代硫酸鈉；攪拌功率在控制觸屏上直接讀出。

與組合槳對比實驗的是標準的渦輪式攪拌槳、推進式攪拌槳和二葉斜葉槳，其圖形如圖3所示。

圖3 對比攪拌槳結構圖

2.3 不同槳型在CMC溶液中混合時間對比實驗

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槳比較，在低轉速情況下，混合時間短。但隨著轉速增加，推進式攪拌槳混合時間明顯下降，因而推進式攪拌槳在高轉速情況下更有利于物料混合。組合槳在160r／min以下，平均攪拌時間比渦輪式攪拌槳節(jié)省4.67s，混合效率提高25%；比推進式攪拌槳節(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%。這是由于組合槳內推進槳的對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，更適用于低轉速高黏度流體混合。

圖4 1.5%WTCMC不同槳型混合時間對比圖

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

2.4 組合槳內槳轉速一定，在不同外槳轉速中配比實驗

組合槳內槳轉速一定，在不同外槳轉速中配比實驗，見圖6、圖7。

圖6 1.5%WTCMC溶液，內、外槳在不同轉速情況下的混合時間圖

圖7 1.5%WTCMC溶液內外槳在不同轉速情況下的攪拌功率圖

由圖6看出，在1.5%WTCMC溶液中，組合槳在內槳轉速一定時，混合時間隨外槳轉速的升高出現(xiàn)先降低后升高的情況，在外槳45r／min時達到均勻混合時間用時最少；在外槳轉速一定時，混合時間隨著內槳轉速增大混合時間在內槳達到160r／min時出現(xiàn)峰值，因此內槳轉速應避開160r／min峰值區(qū)域。這是由于開始攪拌時，罐體內有 “柱狀回轉區(qū)”，隨著外槳轉速增加，內外槳攪拌液體步調一致，“柱狀回轉區(qū)”未消除，不利于混合；當轉速持續(xù)增加會破壞這種回轉區(qū)，使得罐內液體分子擴散加劇，又會改善混合效果。因此我們需要避開外槳為160r／min左右的轉速，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槳和外槳轉速的提高，功耗進一步增大；外槳轉速為23r／min時功耗增速較慢，外槳為45r／min和68r／min時功耗增幅較快。

3 研究結論

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

3）組合槳在內槳轉速一定時，在外槳45r／min時達到均勻混合時間用時最少；在外槳轉速一定時，混合時間隨著內槳轉速增大混合時間在內槳達到60r／min時出現(xiàn)峰值，因此內槳轉速應避開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槳和外槳轉速的提高，功耗進一步增大，外槳轉速增加，功耗增幅較快。