炼油污泥用斜桨式搅拌机的设计

炼油污泥用斜桨式搅拌机的设计

根据国内实际的原油精制工艺和生产水平，油宿油的残渣可分为两种类型：一种是可以二次精制，另一种是难以处理，无法二次精制。对于后者,少数炼油厂采用先进技术去除油渣中的催化剂等,将其加工作为橡胶填料。但是多数炼油厂则采用直接燃烧的方法用于发电、取暖,造成相当大的资源浪费。由于无法二次炼制的油渣粘性较高,在二次处理时与处理剂接触不够充分、反应不完全,造成二次处理效果不理想。为使二次处理更具经济效益,往往需要用搅拌机搅拌、加热等手段来加速和完善二次处理过程。而由于炼油废渣的特殊物理性质,国内专用于炼油废渣二次处理的搅拌机尚不多见,所以就需要完成该型搅拌机的结构设计和功率计算等工作。1适于假塑性类非牛顿流体的斜桨式粉碎机炼油废渣的主要化学成分为硫酸渣(约含胶质沥青80%、油10%、酸10%),密度约1.35g/cm3,由于该流体剪切变形规律不满足牛顿内摩擦规律,因此可判定该流体属于非牛顿流体,并且可归属为非牛顿流体中的假塑性流体类型。该类型流体为剪切稀化流体,剪速增大,粘度下降。剪速高时,接近牛顿流体,在中剪速下则表现假塑性。由此参照经典牛顿流体搅拌机类型中的斜桨式搅拌机,根据炼油废渣粘度较高的特性,设计了适于假塑性类非牛顿流体的斜桨式搅拌机,该搅拌机几何结构简单。其几何模型及结构参数如下:①搅拌器共设4层,每层间距400mm。②搅动臂相邻两层反时针90°交错,除第1层外其余5层叶片在搅动臂上分布位置相同。③每层焊接两只搅动臂(180°分布),并且含有4个叶片。④每件叶片高200mm、宽100mm、厚12mm,与垂直方向成30°,与径向方向成7°。⑤高5层的叶片距转动轴的距离为817、248、544、1090;底层的叶片距转动轴的距离为960、448、220、700(单位均为mm)。搅拌机几何模型见图1。2功率计算2.1搅拌功率的计算和测量表观粘度经典的假塑性类非牛顿流体搅拌功率的计算方法中最常用的是Metzner等人提出的表观粘度法。该方法是以非牛顿流体的表观粘度ηa代替牛顿流体的粘度η来计算雷诺准数,进而利用牛顿流体所用的那些公式和图线来计算非牛顿流体的搅拌功率。Metzner对表观粘度作了如下定义,有两台结构相同的搅拌槽,分别装入牛顿流体和非牛顿流体,两者以相同速度在层流状态下搅拌,其中牛顿流体的粘度可由稀释或增浓来调节,以使两个槽流体的搅拌功率相等。测量出的牛顿流体的粘度,就作为非牛顿流体的表观粘度。设计中表观粘度是按照与设计搅拌机具有大体相同几何模型的小型搅拌机的实验数据测定的。斜桨式搅拌机的功率P分成搅动臂的功率消耗PA和搅拌叶片的功率消耗PL两部分。将图1分解为图2。多层搅拌桨的功率计算又可分解为每1层搅拌桨功率消耗的叠加,而非标准单层搅拌桨功率可由标准单层搅拌桨的功率消耗乘以经验系数A得到,见图3。2.2平衡臂功率消耗的计算2.2.1流体密度计算标准单层双叶片斜桨搅拌器的几何模型见图4。其功率计算公式:式中,P为计算功率,W;NP为功率准数;Re为搅拌雷诺数;A、B、p为计算因子;ρ为流体密度,kg/m3;N为转速,n/s;D为搅拌槽内径,m;d为双叶片直径,m;b为叶片高,m;θ为叶片与竖直搅拌轴的夹角,(°)。2.2.2搅拌功率对底层扰动臂功率的影响在低粘度及中粘度液体场合(湍流范围)内,搅拌桨在槽内的安装高度Hp对搅拌功率没有多大影响;对高粘度(层流范围)的情况,最底层搅动臂功率通常要比标准搅动臂(图4)的搅动功率大10%～15%,而最高层搅动臂功率与之相比则要低10%～15%。中间各层搅拌臂功率基本上呈线性降低。2.2.3分离后的两组功率消耗假设斜桨式搅拌机层数为N,同等工况下标准单层斜桨式搅拌机消耗的功率为P0,则分离后的单层桨式搅拌器(设为第n层)的功率消耗为:则总功率消耗为:2.3叶片功率消耗计算2.3.1多层等效摆动臂功率的计算搅拌机中叶片消耗功率的计算思路与多层搅动臂的功率计算类似,它首先要将同一层上多个分布叶片的功率消耗之和简化为相应的等效搅动臂的功率计算,然后再采用搅动臂功率的计算思路和计算方法,将多层等效搅动臂消耗的功率叠加得到多层多叶片的搅动消耗功率。2.3.2叶片径向角度d搅拌机中各叶片的几何尺寸及运动方向的投影面积都相同。根据搅拌轴转一周简化前后功率应相等的简化规则,垂直纸面方向投影面积大小即等于叶片所受的阻力功,简化后双叶片模型的叶片转一周的面积应等于简化前同一层内各个叶片形成的圆环面积之和,见图5。简化公式:式中,de/2是单层多叶片的等效搅动半径,9/10是固体回转体影响系数。标准单层桨式叶片搅拌机在工作时,其搅拌叶附近的流体与搅拌叶以大致相同的角速度回转,形成强制涡部分,而随着离回转中心距离的增加流速减小,形成准自由涡部分。通常把与叶片以同一角速度回转流动部分称固体回转部分,它与外面的混合很差,它的存在使搅拌机的负荷增加。上述公式中,尚未考虑叶片与搅动臂的径向夹角β,因为几何因素对功率的贡献参量是叶片在运动方向的投影面积,所以计算叶片模型的功率时应乘以投影面积贡献因子AA,AA和标准单层叶片模型的叶片直径平方成正比,即AA∝d2,按照式(1)考虑径向夹角β影响后的功率应为:在这里忽略了在NP计算中d的影响,根据理论分析,当β较小时这种近似是可行的。由式(2)和式(3)即可得出搅拌机中所有叶片的功率消耗。3表观粘度试验和功率消耗试验结果四川某地区环保局在承接某炼油厂的炼油废渣处理工作后,采用上述设计方法、计算模型和设计数据,并在不同温度下测定废渣的表观粘度为3和13,计算出的搅拌机功率消耗分别为53.1kW和90.2k