国内高效低耗水高效节能的几种砌石机杏胶机搅拌反应器的研究

国内高效低耗水高效节能的几种砌石机杏胶机搅拌反应器的研究

由于其耐腐蚀、绝缘性、隔离性和粘接性，均匀玻璃搅拌装置在石油、化工、原子能等领域得到了广泛应用。目前国内化工行业推荐的搪玻璃搅拌器只有4种,即桨式、叶轮式、锚式和框式。桨式和叶轮式适合于低粘流体的搅拌,锚式和框式适合于高粘流体的搅拌。随着化学、医药和生物等行业技术的发展,对搅拌器的要求越来越高。对于生产过程中的流体常常跨2个粘度段,如果仍然应用以上4种搅拌器,搅拌效果就达不到工艺的要求。因此,开发新型搅拌器势在必行。本文提出的双叶片组合式搅拌器,采用实验的方法,分别在水和中高粘度的非牛顿流体羧甲基纤维素(CMC)水溶液中,对5种搅拌器的功率消耗、混合时间和混合特性等进行比较研究,以期为双叶片组合式搅拌器在工业中的应用提供基础数据。1实验1.1双叶片接触式分离器混合特性的测量与分析实验装置为直径为375mm的有机玻璃搅拌槽,底为椭圆形。测试的内容有:采用光电转速传感器的搅拌转速测量;采用应变式扭矩传感器的搅拌功率测量;采用温差法的混合时间测量等。对双叶片组合式搅拌器还作了开孔与不开孔的实验,分析其功率消耗,并对双叶片组合式搅拌器上下桨叶的间距进行了考察,以观察其对混合特性的影响。实验装置、原理和方法同文献。1.2双叶片组合器的结构4种搪玻璃搅拌器及双叶片组合式搅拌器的尺寸见表1,其中d/D为搅拌器直径与搅拌槽径之比,双叶片组合式搅拌器的直径取上下桨的平均值。4种搅拌器结构如图1所示。双叶片组合式为上下两层桨叶:上桨叶为π形,开方形孔,π形脚下伸至下桨叶一定深度;下桨叶的外部有后掠角。双叶片组合式搅拌器的上下桨叶成一定角度安装,其结构如图2所示。2结果分析2.1搅拌功率计算方法搅拌功率准数Np是反映搅拌功率消耗的指标。其定义为:Np=P/(ρn3d5)(1)式中P——功率,W;ρ——介质密度,kg/m3;n——转速,r/s;d——搅拌器直径,m。CMC水溶液是非牛顿假塑性流体,具有剪切稀化作用,对流型的影响不大。其粘度随切应变速率而变,计算搅拌功率时常常使用表观粘度ηa代替。对于搅拌操作,一般用幂律模型作为假塑性流体的流变模型,即:τ=Kγb(2)ηa=τ/γ=Kγb-1(3)式中τ——切应力,N/m2;K——稠度系数,N·s/m2;γ——切应变速率,1/s;b——流变参数;ηa——表观粘度,Pa·s。假塑性流体和牛顿流体在层流域的搅拌功率可用相同的关联式表示:P=KPn3d5ηa(4)式中KP——功率常数,根据搅拌器形式及几何参数可查表。经数据处理,5种搅拌器在水介质下的Np-Re曲线如图3所示。Np越小,意味着相同转速下的搅拌功率P越小。从图3可以看出,水介质中在相同雷诺数下,5种桨叶Np最小的为桨式,最大为双叶片组合式(不开孔)。在CMC水溶液中采用VT500哈克粘度计测试得:K=0.103N·s/m2b=0.97875在层流域,5种搅拌器的功率消耗可用下式进行关联:NpRe=KP(5)CMC水溶液的搅拌功率可按式(4)计算。5种搅拌器在转速110r/min时的搅拌功率见表2。2.2混合特性的测量混合时间θM是指介质在搅拌中达到一定混合要求所需要的时间,是反映搅拌混合效果的重要参数。在相同的实验条件下,5种搅拌器的混合时间与转速的关系如图4(水介质)和图5(CMC水溶液)所示,其中在水介质中,对双叶片组合式搅拌器功率准数测定时,还将搅拌器上下桨叶的间距进行了考察,分别以间距为L1=10mm、L2=25mm和L3=50mm3种情况进行实验,测量其混合特性。从图4和图5可以看出,不论是在水还是CMC水溶液中,桨式搅拌器的混合时间最长,叶轮式、锚式和框式相对较小,而双叶片组合式搅拌器的混合时间最短。在水介质中,对双叶片组合式搅拌器3种间距L比较,当间距L2=25mm时其混合时间最小。对新型搅拌器考察时,往往采用混合效率数Ce来比较和评价其混合效率的高低,混合效率数Ce表示单位体积搅拌器所需的混合能(Ce越小表示桨的混合效率越高):Ce=θ2MPV/η(6)式中PV——单位体积的功率,W/m3;η——物料的粘度,Pa·s。在不同转速下,5种搅拌器的混合效率数如图6(双叶片组合式指未开孔的情况)和图7(CMC水溶液)所示。由图6和图7可以看出,在转速相同情况下,不论是水还是CMC中,双叶片组合式搅拌器的混合效率数最小。而且在水介质中,双叶片组合式搅拌器的间距为L2时其混合效率数最小,其他依次为L3、L1。叶轮式、桨式的混合效率数居中,框式、锚式的混合效率数最大。3搅拌的综合性能指标3.15种搅拌器中双叶片组合式搅拌器不论是在水或是CMC中所需混合时间最小,且当上下桨间距采用L2时,即上桨的下延部分一半进入下桨区域时其混合时间最小。3.2采用搅拌的综合性能指标即混合效率数Ce对5种搅拌器进行评价时,水介质中混合效率数从大到小依次为锚式、框式、桨式、叶轮式。在CMC水溶液中从大到小依次为叶轮式、桨式、锚式