計算聚合釜槳葉強度確定最佳更換周期

張敬堯

中國石油化工股份有限公司齊魯分公司，中國·山東 淄博 255000

1 引言

論文利用試驗模型引用和數據計算的方式確定了聚合釜攪拌系統的功率消耗情況，利用A、B、C 三種類型槳葉的功率結果，計算了攪拌過程中的各類型槳葉的彎曲應力，通過應力的大小進一步確定了鋁制聚合釜槳葉安全厚度，利用計算結果制定最佳的槳葉更換周期方案，彌補了美國杜邦工藝對聚合釜攪拌器槳葉在腐蝕后更換標準的空白，為設備正常運行及備件的高效使用提供了理論依據。

2 聚合釜結構

釜體為純鋁制造，攪拌器由攪拌軸和攪拌槳葉組成，攪拌槳葉共三層葉片，均為純鋁制造，從上至下依次為A 型、B 型、C 型。

A 型槳葉屬于折頁槳，安裝在攪拌軸最上側，槳葉葉片數量為4，槳面與運動方向夾角θ 為30°槳葉寬度為150mm，槳葉總長740mm，厚度為27mm。主要提供水平環流和軸向分流，只有少量的徑向分流。

B 型槳葉也是折頁槳，安裝在攪拌軸中間，槳葉葉片數量為4，槳面與運動方向夾角θ 為45°，槳葉寬度為143mm，槳葉總長1194mm，厚度為50mm。主要提供水平環流、軸向分流和徑向分流。

C 型槳葉為平槳，安裝在攪拌軸最下層，槳葉葉片數量為4，槳面與運動方向夾角θ 為90°，槳葉寬度為150mm，槳葉總長1194mm，厚度為50mm。主要提供水平環流和徑向分流[1]。

3 攪拌器功率計算

3.1 影響攪拌功率因素

攪拌器的功率與釜內形成的液體流動狀態有關，所以影響流動狀態的因素必然也是影響攪拌器功率的因素。而對于密度一定的牛頓型流體，攪拌功率P 的一般表達式如下：

Np為功率準數（雷諾準數Re 和弗魯德準數Fr 的函數）。

3.2 全擋板條件驗證和雷諾準數計算

試驗證明，當擋板的條件符合下式時攪拌器的功率最大，這種擋板條件叫做全擋板條件，符合全擋板條件的攪拌器Fr 數的影響可以忽略不計。一般認為，當取4 塊擋板，其寬度時，即可認為是接近全擋板條件。經計算本釜符合全擋板條件，計算中可以忽略Fr 數的影響。而雷諾準數Re根據下式計算：

Re=n·dj2·ρ/μ

3.3 確定功率因數Np

Bates 算圖提供了開啟式渦輪和圓盤式渦輪的計算依據。

初步利用Bates 功率曲線，查找確定對應的Np值。本釜擋板數量為4 塊，所使用的A、B 型槳葉屬于折葉開啟渦輪，C 型槳葉屬于平直葉開啟渦輪。觀察Bates 曲線圖，在Re＞104以后，曲線功率準數Np趨于恒定。根據聚合釜雷諾準數，分別取各槳葉對應的功率準數Np值如下：

A 型：NpA1=5

B 型：NpB1=1.5

C 型：NpC1=2.5

3.4 功率因數Np 的相關修正

Bates 功率曲線是建立在相關的實驗結果基礎上的，但在試驗中所使用的攪拌器尺寸條件等與本論文中聚合釜實際尺寸還有很多不一致的地方。因此，需要對初步選定的功率準數Np進行一系列的修正，以保證最終計算出的結果符合實際情況。

3.4.1 對葉片角度進行修正

對照相關表可以看到，A 型槳葉選擇了的對應Bates 圖的2 號曲線，但2 號曲線在Bates 試驗中為平直槳葉，即與運動方向夾角θ=90°，而A 型槳葉的夾角θ=30°，因此需要對所選擇的功率準數NpA1作出修正。

在湍流區，即Re 數較大時，攪拌功率隨θ 角的增減變化較為明顯，其關系式如下：

帶入θ=30°，便得出經過角度修正之后的NpA2。

B 型和C 型槳葉由于所選角度與Bates 試驗中一致，因此不用進行修正。從而有：

3.4.2 槳葉葉片數量修正

Bates 曲線使用的槳葉葉片數量均為6 片，而聚合釜單層槳葉葉片數量為4。因此需要進行葉片數量修正。在全擋板條件下，圓盤渦輪槳槳葉的葉片數與功率準數之間有如下關系：

因此將z=4 帶入上式中，便可得到進行槳葉葉片數量修正之后的功率準數NpA3=1.566，NpB3=1.08，NpC.3=1.8。

3.4.3 槳葉直徑的修正

Bates 曲線中的dj/D=1/3，而對比聚合釜的三種槳葉，只有A 型槳葉與曲線數據相符，因此B、C 型槳葉都要進行修正。平槳與渦輪槳在湍流狀態下通過下式修正，修正后功率準數NpA4=1.566，NpB3=0.609，NpC.3=1.015。

3.4.4 槳葉寬度修正

Bates 曲線的槳寬和槳直徑之比b/dj分別是0.2、0.125和0.125。而實際聚合釜三種槳葉對應的槳寬和槳直徑比與曲線中所用槳葉一致，因此三種槳葉均不必對槳寬進行修正。

3.4.5 槳葉安裝高度修正

對于有擋板的攪拌槽內，攪拌所需動力受攪拌槳葉安裝高度的影響，會有一定的變化。參照無擋板高粘度物料攪拌功率隨c/D 變化趨勢的分析及帶鉤窄葉槳隨c/D 變化表，考慮到聚合物淤漿底部可能會有體積相對較大的聚合物疤塊存在，從而會影響到局部的密度和粘度，因此其所消耗功率應相對均一的溶液要稍大些，各種類型槳葉c/D 值依次為：A 型0.68，B 型0.45，C 型0.18。結合實際生產特點，分別取修正系數0.7、1.0、1.2，修正后功率準數NpA5=1.096，NpB5=0.609，NpC5=1.218。

3.4.6 料層高度的修正

在湍流區，料層高度對功率準數的影響隨著Re 數的增大而明顯。雖然在Re 數大時，功率準數Np值隨著料層高度H 的增大而增大，但當H 增加到一定數值后，Np值的變化便趨于緩和，最后成為一個定值。浙江大學針對六葉渦輪槳葉做過有擋板和無擋板情況下Np與H/D 的關系曲線，根據曲線本聚合釜W/D%=10.3%，由此可以初步判斷實際的聚合釜Np值與Bates 曲線中查詢得到的Np值相差不多，因此對于料層高度帶來的影響可以忽略，不必對功率準數進行修正。

3.4.7 槳葉層數和間距系數修正

Bates 試驗曲線是建立在單層槳葉的基礎上的，當攪拌器上安裝了多層槳葉的時候，攪拌功率的計算不應簡單考慮單個槳葉情況，應綜合考慮槳葉的層數和間距，并進行修正。

對于本聚合釜，A、B 型槳葉間距約為0.93m，B、C型槳葉間距約為0.8m。經過計算得到修正系數分別為1.0、0.74、0.74，修正后功率準數為NpA6=1.096，NpB6=0.45，NpC6=0.90。這樣經過功率準數的初選和一系列修正之后，現可以標記各攪拌槳葉對應的功率準數為NpA=1.096、NpB=0.45、NpC=0.90。

3.5 實際功率確定

確定了功率準數后，利用式1 可以求得攪拌功率為PA=3.7(kw)、PB=16.6(kw)、PC=33.3(kw)。通常由于攪拌器功率計算所用的各種公式、數據存在一定誤差，同時考慮到操作因素、設備制造誤差以及物料性質數據的誤差等，在確定點擊功率時還應乘以備用系數K1，一般K1=1.3~1.8。由于聚合釜電機的總功率會相對較大，同時各種影響因素本次計算考慮得較為周全，K1 數值不必選擇特別大；但考慮到在確定功率準數Np 時，進行修正的系數比較多，各參數也會產生一定的誤差，因此將備用系數K1 選擇為1.5[2]。

使用計算得出的功率進行修正后分別得出各槳葉的功率：

PA′= PA·K1=5.55(kw)

PB′= PB·K1=24.9(kw)

PC′= PC·K1=49.95(kw)

4 槳葉強度計算

對于聚合釜A、B、C 三種類型槳葉，工作中所受彎曲應力最大同時也是危險系數最高的為C 型槳葉。C 型槳葉屬于平直葉開啟渦輪槳，其槳葉截面為矩形，攪拌時液體阻力作用在槳葉上，使槳葉產生彎矩，最大彎矩出現在輪轂處的槳葉根部，由于葉片數為4，所以每片葉片所受彎矩值為槳葉所受扭矩的四分之一。因此，可得知：

由于實際生產環境并非理想化，釜內物料密度可能會變化較大，同時還有可能產生大量的自聚疤塊對槳葉攪拌過程產生沖擊。同時，也考慮到槳葉可能的生產缺陷，因此需要使用安全系數對槳葉強度進行修正。

同時考慮到腐蝕裕度問題，需要再在計算結果上加1mm。這樣便算出安全系數為4 的情況下C 型槳葉的安全厚度是38.3mm。同樣方法計算出A、B 型槳葉的安全厚度分別是18.6mm 和33mm[3]。

5 結語

為了保障實際生產運行避免非計劃停車，同時最大限度地保障設備附件的安全，確定最佳的運行周期，經過計算，A、B、C 型槳葉的安全運行厚度為18.6mm、33mm、38.3mm。

由于釜內物料對鋁制槳葉會緩慢腐蝕，如發現槳葉厚度已經接近計算的極限厚度，槳葉隨時有可能會被折彎損壞，為了保障生產穩定運行，當實際檢測到槳葉厚度即將減薄至安全厚度時，需及時對槳葉進行更換。