同心双轴复合式搅拌釜用于牛顿流体时的功耗及混合特性VIP免费

第10卷第3期过程工程学报Vol.10No.32010年6月TheChineseJournalofProcessEngineeringJune2010收稿日期：2010−02−03，修回日期：2010−03−16作者简介：谢泳(1982−)，男，山西省运城市人，硕士研究生，化学工程与技术专业；包雨云，通讯联系人，Tel:010-64419171,E-mail:baoyy@mail.buct.edu.cn.同心双轴复合式搅拌釜用于牛顿流体时的功耗及混合特性谢泳1，包雨云1，刘涛2，张忠东2，高雄厚2(1.北京化工大学化学工程学院，北京100029；2.中石油兰州化工研究中心，甘肃兰州730060)摘要：在直径0.48m的椭圆底搅拌槽内，液位与槽径比(H/T)为0.6，采用不同粘度的牛顿流体糖浆溶液，研究了分别以CBY,45o四斜叶桨及Rushton涡轮桨作为快速分散桨、锚式桨作为慢速桨构成的同心双轴搅拌系统，在快、慢速轴同向和异向2种旋转方式操作时的功率特性和混合性能.结果表明，分散桨对锚式桨的功率消耗影响较大.两轴同向旋转时，分散桨会使锚式桨的功耗降低，转速比RN增加，降低幅度也增大，RN=14时，锚式桨功率可降至单独旋转时的约10%；异向旋转时锚式桨的功率随RN增加而增加，RN=14时，锚式桨功率可增至单独旋转时的2倍左右.但锚式桨对分散桨的功率消耗影响很小，在±5%以内.计算同心双轴复合搅拌系统的复合功率准数和复合雷诺数关系时考虑了RN的影响，使在实验条件下不同转向及RN的功率曲线较好吻合.混合效果同向旋转优于异向旋转，在牛顿流体中，达到相同混合效果时，CBY桨的能量消耗仅为其他2个分散桨的20%~30%.关键词：牛顿流体；同心双轴搅拌器；搅拌功率；混合时间；混合特性中图分类号：TQ027.2;TQ027.35;O373文献标识码：A文章编号：1009−606X(2010)03−0424−071前言搅拌釜式反应器在石油化工、高分子材料等过程工业中应用广泛，其中很多反应过程涉及高粘度流体的混合，尤其是某些间歇反应过程中，流体粘度可能会随反应进行由初始的低粘物料最终达到几Pa⋅s以上，反应器内的流体力学特性也会发生变化.对于上述过程，采用单一快速分散搅拌系统，在高粘流体搅拌时可能会在槽壁区域存在死区；而采用单一近壁桨，在槽中心区域可能会混合不佳；即使采用内外双螺带等兼顾全槽混合的搅拌桨，在反应初期体系粘度较低时也可能会有混合效率差的缺点.为此研究者开发出双轴异速复合搅拌设备，并在近年来进行了大量研究.Tanguy等[1]研究了由涡轮桨和螺带桨组成的同心双轴复合搅拌器的混合特性，指出该结构的混合时间比单螺带桨短，特别是流体流变特性非线性变化时更加明显.Espinosa-Solares[2]的研究得出相同结论.Thibault等[3]研究了由锚式桨和斜叶涡轮桨组成的搅拌体系，指出总功率消耗受快速桨和慢速桨转速比影响显著.Foucault[4,5]对内径0.38m的搅拌槽的研究指出，对于牛顿及非牛顿流体，在单位体积流体输入功率相同的条件下，同向旋转所需混合时间比逆向旋转和单桨旋转更短.靳兆文[6]在内径为0.5m的搅拌槽中研究了中心双层斜叶桨和近壁斜叶锚式桨复合搅拌器的混合特性，指出该复合结构比单桨混合时间短且没有死区，还具有节能的优点.Foucault[4,7]指出近壁锚式桨的转速对中心分散桨功率消耗没有影响，但中心分散桨对近壁锚式桨的功率消耗有影响.已有的对同轴异速搅拌系统的研究中，对快速桨的选择主要集中在径向流桨型，而对不同流型快速桨的优化研究并不充分.另外，对复合桨型中复合雷诺数及复合功率准数的描述并无一致的观点.进一步寻找适当的方法对不同分散桨与慢速桨复合使用时的总功率及各桨功率相互影响关系进行研究并对其混合性能进行评价，对同轴复合搅拌器的工业设计具有重要意义.本工作选用同心双轴异速搅拌装置，采用径向流、混合流及轴流式3种不同流型的搅拌桨作为快速分散桨，研究其分别与锚式桨组合在牛顿流体中的混合及功率特性，优选出适合该流体的桨型组合.本研究结果可为同轴复合搅拌设备设计提供参考.2实验2.1搅拌槽与搅拌桨本实验在直径T=0.48m的椭圆底有机玻璃搅拌槽内进行，如图1所示，釜底为标准椭圆封头.搅拌桨内物料液位高度H与槽径T之比为0.6.顶部及底部分别由电机控制2种搅拌桨，能进行同向和异向旋转，顶伸搅拌轴上固定着直径较小的中心分散桨高速旋转，底伸轴上...