电导法测定搅拌槽内桨体系混合时间

电导法测定搅拌槽内桨体系混合时间

本混合装置广泛应用于化工、生物化工、制药、精细材料、环保等行业的过程。这些过程通常伴随着反应和热量。溶液的混合速率决定了搅拌器中的浓度和温度分布，并影响着相关反应的速度、选择性和操作的稳定性。混合时间是混合速率的主要象征。搅拌槽内宏观混合特性的研究多以单层搅拌桨为主,对多层搅拌桨的研究主要是针对粘稠物系、六直叶涡轮及斜叶桨、宽叶翼型桨等,比较二层六直叶涡与二层斜叶桨的混合时间,而对于工业中低粘度物系的混合广泛应用的窄叶翼型搅拌桨则研究得较少,窄叶翼型搅拌桨的层数对混合时间的影响未见有文献报导,缺乏多层径向流桨与轴向流桨混合时间的差异随桨叶层数变化的定量描述。混合时间的测试方法较多,较为常用的方法有电导法、脱色法、热电偶法等。对于中高粘度液体的混合常采用脱色法,而对于低粘度液体常采用电导法,该方法具有成本低、使用简便等优点。为此本文采用电导法,分别对标准六叶涡轮、窄叶及宽叶翼型桨在单层及多层操作时对混合特性的影响进行了系统的实验研究。本文的研究结果可为多层桨工业搅拌槽/反应器的优化设计提供参考。1实验部分1.1实验物系的制备实验在槽径(T)为0.476m的有机玻璃槽中进行,槽底采用椭球型封头,槽内设有4块挡板,挡板宽度为槽径的1/10,如图1所示。以自来水作为实验物系,分别采用六直叶涡轮(DT-6)、三叶窄叶翼型桨(CBY)、三叶宽叶翼型桨(WH-3)、五叶宽叶翼型桨(WH-5)等进行实验研究。桨叶的具体参数见表1,实验中分别对单层、二层及三层搅拌桨的混合时间进行了研究,其中底层桨离底距离为槽径的1/3,层间距与桨径相同,顶层桨与液面的距离为槽直径的2/3。1.2混合时间的测定本实验采用电导法测定混合时间。以饱和KCl溶液作为示踪剂,在釜的一侧液面处加入。电导电极则放置于釜的另一侧接近釜的底部,用于测定釜内液体的电导率随时间的变化,这样可以测到釜内的最长的混合时间。电导电极输出信号经放大及A/D转换后由计算机进行数据采集处理。由于电导率仪的输出信号总是有一定的波动,因此通常取电导率仪的输出信号与最后稳定输出平均值相差在±5%以内即认为混合均匀,所需的时间即为混合时间θm,如图2所示。对某一个操作条件重复5次实验并取其平均值即可得该操作条件下的混合时间,其平均相对误差在±10%以内,这样可以减少实验误差。此外,本工作采用光电转速计测定搅拌转速,功率的测定采用高精度的扭矩传感器。2结果与讨论2.1混合时间关联为比较不同的桨型对混合时间的影响,本文分别对单层WH-3、WH-5、CBY及DT-6这4种不同的轴向流及径向流桨的混合时间进行了实验测定,实验结果如图3所示。图中可以看出,对于单层桨而言,在相同的时间体积功率PV下,不同桨型所需的混合时间θm是一样的,即不同桨型的混合效率是一样的。对混合时间的实验结果进行关联可得如下的关联式:θm=6.4T2/3Pm−1/3(D/T)−1/3(1)θm=6.4Τ2/3Ρm-1/3(D/Τ)-1/3(1)Ruszkowski和Grenville等对于单层桨(C=T/3,H=T)的混合时间进行系统的实验研究,得到了如下的关联式:θm=5.9T2/3Pm−1/3(D/T)−1/3(2)θm=5.9Τ2/3Ρm-1/3(D/Τ)-1/3(2)本文的实验结果与文献值的比较也绘制在图3中,从图中可以看出,实验结果与文献值非常吻合。这一部分工作主要是为了通过与文献值的比较来验证实验的可靠性。2.2混合过程中多层和多层流CBY及DT-6单层、双层及三层桨混合时间的比较如图4所示。从图中可以看出,对于CBY桨在相同的单位体积功耗情况下,三层桨的混合时间与双层桨和单层桨的混合时间几乎相同。而对于DT-6桨,相同的单位体积功耗情况下,三层桨的混合时间比双层桨的混合时间长约一倍,双层桨的混合时间比单层桨的混合时间长约一倍。对比图中两种桨型可以看出,在其他条件相同的情况下,多层CBY桨的混合时间要远小于多层DT-6桨的混合时间,在相同的功率消耗情况条件下,二层DT-6桨的混合时间是二层CBY桨混合时间的2倍左右,这一结果与文献相吻合;而三层DT-6桨的混合时间则是三层CBY桨混合时间的4倍左右。这主要是由于在搅拌槽内不同的桨型所形成的流体流型不同所引起的,对于多层径向流DT-6桨而言,在槽内形成多个流动子区,如图5(a)所示,子区与子区间的质量交换较少,且子区的数量随桨叶层数的增加而增加,从而导致了混合时间随桨叶层数的增加而加长。与此相反,对于多层轴向流CBY桨而言,在槽内形成一个大的整体的循环流动,如图5(b)所示,从而导致了在相同的功率消耗下一层、二层、三层CBY桨的混合时间基本相同。对于多层DT-6桨,其混合时间的实验结果可用下式进行关联:Nθm=0.8P−1/30(DT)−2(HD)2.22(3)Νθm=0.8Ρ0-1/3(DΤ)-2(ΗD)2.22(3)上式的最大相对误差14.5%,平均相对误差为8.5%。3多层桨结构的混合时间对于多层CBY翼型搅拌桨,三层CBY桨的混合时间与双层和单层CBY桨的基本相同;对于多层DT-6涡轮桨,混合时间随着桨叶层数的增加而加长,其混合时间可用下式进行关联:θm=0.8P−1/30(DT)−2(HD)2.22N−1(4)θm=0.8Ρ0-1/3(DΤ)-2(ΗD)2.22Ν-1(4)多层CBY桨的混合时间比多层DT-6涡轮桨的要小得多。二层和三层CBY桨的混合时间分别比双层和三层DT-6桨的混合时间降低了大约50%和75%。本文的研究结果表明:对于液体混合过程,采用多层轴流式桨要比多层径向流桨的混合效率高,在桨间距相同的情况下随着桨叶层数的增加,两者混合时间的差距将进一步拉大。搅拌槽内液体高度C1