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1.2.1 攪拌槽

攪拌槽是以攪拌槳的機械運動,推動設(shè)備內(nèi)物料運動,使物料混合、交換,而達到物料均勻化的設(shè)備。攪拌槽在化工等過程工業(yè)中執(zhí)行物理類的操作,也常作為化學(xué)反應(yīng)器使用。圖1.2所示的攪拌槽的構(gòu)成部件中,最重要的是攪拌槳1和攪拌軸2。還有一些輔助部件,也各有其功能,例如擋板3、氣體分布器4(或加料器),以及換熱器(盤管、夾套等,未畫出)。工程上按其在工藝流程中的作用,攪拌槽的構(gòu)型也是多種多樣的。

圖1.2 攪拌槽示意圖

1—攪拌槳;2—攪拌軸;3—擋板;4—氣體分布器

1.2.1.1 攪拌槳

攪拌槽的關(guān)鍵部件是攪拌槳(也稱為葉輪):攪拌槳固定安裝在攪拌槳軸上,由電動機通過減速機帶動攪拌槳旋轉(zhuǎn),推動槽中流體的復(fù)雜流動,從而實現(xiàn)攪拌槽內(nèi)的物料混合。

攪拌槳可大致分為軸流槳、徑向流槳和向心槳3類,此外還有許多變形和組合,例如寬葉槳和組合槳。

(1)軸流槳 其特征是槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的液體流動是沿旋轉(zhuǎn)軸的軸線方向的。包括螺旋槳、斜葉槳以及它們的變形。螺旋槳設(shè)計基于葉片各處的螺距為常數(shù)的理念,由于葉片表面各點的徑向位置不同,因此要求槳葉傾角從葉尖向軸的方向上逐漸增大,這樣理論上葉片上不同徑向位置的軸向排液線速度(m/s)相等[圖1.3(a)]。由于槳葉的寬度也可以變化,因此槳的排液速率(m3/s)與槳葉設(shè)計、擋板以及轉(zhuǎn)速等操作條件有關(guān),不一定是常數(shù)值。斜葉槳的槳葉多數(shù)為平直板狀,制造和裝配簡單,應(yīng)用也很廣泛[圖1.3(b)],槳葉的傾角為定值,因而軸向排液速度是沿葉片徑向逐漸增大的。

(2)徑向流槳 此類槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的是垂直于旋轉(zhuǎn)軸的徑向流動,也常稱為徑向槳,或徑流槳。典型的槳型有直葉渦輪槳[Rushton槳,圖1.4(a)]、平槳[圖1.4(b)]以及它們的變形。由于它們槳葉的母線都平行于攪拌槳軸,所以槳葉僅推動流體做旋轉(zhuǎn)運動,在離心力的作用下,流體也沿半徑方向向外流動,形成徑向流的基本特征。徑向槳產(chǎn)生比軸流槳強得多的剪切作用,有利于流體的混合和離集尺度的減小,但它消耗的功率也遠大于可比的軸流槳。

圖1.3 螺旋槳和斜葉槳

槳葉形狀可帶來附加的作用和功能。曲面槳葉(母線仍與攪拌槳軸平行),如后掠式平槳,能降低攪拌功率。以半圓管、半橢圓管為槳葉也能減低功耗,它們每一片槳葉的形狀和尺寸是關(guān)于槳平面對稱的,所以不產(chǎn)生軸向流動。穿孔槳葉和槳葉邊沿的鋸齒有減少能耗、強化湍流的雙重作用。

通常攪拌槳的結(jié)構(gòu)是繞旋轉(zhuǎn)軸軸對稱的,使槳的旋轉(zhuǎn)慣性矩的中心在旋轉(zhuǎn)軸上,以免攪拌槳轉(zhuǎn)動時發(fā)生振動。攪拌槳的主體部分也常常是上下對稱的。但是有研究表明,槳葉上下不對稱設(shè)置的錯位槳[圖1.4(c)]確有額外的好處。槳葉上下錯位布置,使槳平面上下的流體交換并使湍流增強,混合時間縮短,錯位槳的功率輸入對通氣最不敏感,在氣液體系中的效率優(yōu)于傳統(tǒng)Rushton槳(王濤,2009;Yang FL,2015)。與標準Rushton槳相比,相同轉(zhuǎn)速時,錯位槳能減小尾渦尺寸、降低攪拌功耗(楊鋒苓,2016)。錯位槳仍然保持了一定程度的旋轉(zhuǎn)對稱性,圓盤上半和下半所受力矩也相等,因此其機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計是可行的。


圖1.4 幾種徑向流槳

(3)向心槳 此類槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的液體流動是向心的徑向流(楊超,2009),如圖1.5所示,槳葉有迎向旋轉(zhuǎn)方向的偏角,迫使流體沿槳葉向攪拌軸流動。實驗表明,向心流動有利于降低能耗、減少混合時間和改善液固混合狀況(王濤,2011)。將向心槳和徑向流槳組合,能形成兩槳范圍的大循環(huán),反應(yīng)器內(nèi)的整體混合性能將會大大提升。

圖1.5 向心槳

(4)寬葉槳 此類槳多數(shù)用于高黏度流體的混合。因為高黏度,所以槳轉(zhuǎn)動受的阻力大,攪拌功率過高,而且攪拌槳產(chǎn)生的剪切能傳遞的距離也縮短,小尺寸、高轉(zhuǎn)速槳不能勝任高黏度流體混合的任務(wù)。一般采用槳葉寬大、槳葉掃過體積大的低轉(zhuǎn)速槳型,將攪拌作用直接分配到反應(yīng)器內(nèi)的各處。屬于軸流槳和徑向流槳的都有。典型、常用的攪拌槳形式有錨式槳、螺帶槳、框式槳、泛能式槳、葉片組合式槳、最大葉片式槳等,它們的共同特點是槳徑大小與設(shè)備直徑接近(圖1.6中有部分圖示)。最大葉片式槳(Maxblend)適用黏度范圍寬(10-3~100Pa·s),其能耗低,混合效率優(yōu)于錨式、萊寧A320和六凹葉圓盤渦輪、水翼螺旋槳、六直葉和斜葉圓盤渦輪等(李健達,2014)。

(5)組合槳 攪拌混合的基本原則是整體循環(huán)+強剪切。強剪切是流體離集尺度(也稱分隔尺度)減小、達到均勻化最有效的手段;而整體循環(huán)可以把均勻化程度低的流體循環(huán)回來接受剪切和分散。兩個因素的聯(lián)合作用,保證了全反應(yīng)器內(nèi)物料在一定的時間內(nèi)達到要求的混合程度。在用一個攪拌槳難以同時滿足良好剪切和整體循環(huán)兩個要求時,就要考慮采用組合槳。

組合有三個層次。一是將幾種功能組合到一個攪拌槳上。例如,斜葉Rushton槳[圖1.7(a)]是給徑向流中增添了軸向流的成分。圖1.7(b)所示則將RT槳(Rushton槳)和PBT槳(斜葉槳)的特點結(jié)合,成為一種混合下壓槳構(gòu)型(mixed flow impeller),在牛頓流體中其功耗比Rushton槳更低;在非牛頓流體中,混合時間介于Rushton槳和45°斜葉槳之間(Ascanio G,2003)。圖1.6(d)所示的Intermig槳的設(shè)計意圖是在攪拌槳軸附近和攪拌槽壁處產(chǎn)生流向不同的軸向流動,以便形成全槽的整體軸向大循環(huán),槳直徑一般比RT槳更大。

圖1.6 高黏度流體用的攪拌槳(寬葉槳)

圖1.7 功能組合槳舉例

組合的第二個層次是將幾個攪拌槳組合到一個攪拌槽里。例如,同軸、同向推動流體的兩個軸流槳有利于在高徑比大于1的攪拌槽中建立整體的循環(huán)流動[圖1.8(a)]。圖1.8(b)中的徑向槳(上)+軸流槳(下)組合保持了設(shè)備中高剪切的同時,也能形成整體的流動循環(huán)。錯位槳(上)+向心槳(下)攪拌槳組合[圖1.8(c)]可提高內(nèi)部循環(huán)的整體性,降低了攪拌能耗,同時縮短了混合時間,也改善液固懸浮(王濤,2011)。

圖1.8 多層組合槳舉例

組合的第三個層次是一個攪拌槽里安裝不止一個攪拌槳軸。在高黏度流體的攪拌槽里,一根軸上的兩個攪拌槳要求不同的攪拌轉(zhuǎn)速,攪拌中心區(qū)流體的攪拌槳直徑小,要用較高的轉(zhuǎn)速,而貼壁的大直徑攪拌槳要用較低的攪拌轉(zhuǎn)速,以達到攪拌槽內(nèi)各處攪拌功率強度均衡,因而采用同軸異速的雙槳設(shè)置[圖1.9(a)]。不同軸的雙軸攪拌也見于大橫截面的攪拌槽[圖1.9(b)]。側(cè)進式攪拌槽也可以安裝幾個攪拌槳,圖1.9(c)所示為兩個槳共同推進槽內(nèi)水平大循環(huán)的例子。雙軸差速捏合機在軟固體的混合中也常見[圖1.9(d)]。

1.2.1.2 攪拌槳的位置

一般的攪拌槽為圓柱形,平底或橢球底,攪拌槳軸即圓柱的軸線[圖1.10(a)]。這種對稱的布置產(chǎn)生圓周方向的對稱性流動,然而過分規(guī)則的流動也被認為不利于全槽的整體混合。在這種攪拌槽的壁面上加裝垂直的條形擋板,可以打破規(guī)則的整體圓周環(huán)流,產(chǎn)生尺度較小的循環(huán),增強壁面附近的湍流,可以增強混合效能。將攪拌槳軸偏離反應(yīng)器的軸線[圖1.10(b)],也是打破規(guī)則流型的措施,偏心的程度往往取一合適的中間值。高徑比小的大型貯槽,往往采用側(cè)進式攪拌器,以較低的攪拌強度(約10W/m3)來維持槽內(nèi)的狀態(tài)均勻。這時攪拌槳軸與容器的直徑成7°~10°,且攪拌槳逆時針旋轉(zhuǎn)時(從攪拌槳向攪拌電機方向看),攪拌槳的軸線向直徑的左邊偏斜[圖1.10(c)]。

圖1.9 多軸組合槳舉例

圖1.10 攪拌槳在攪拌槽中的安裝位置

單個槳可在浸沒深度0.5D~2D的范圍內(nèi)操作(D為攪拌槳直徑)。對H/T=1的攪拌槽(T為攪拌槽直徑,H為槽中液位高度),多數(shù)情況下將槳安裝在距底T/3~T/2的高度混合效率較高。

高徑比大的攪拌槽(高徑比H/T>1)多采用多槳組合,槳間距是重要的參數(shù)。徑向槳的槳間距一般大于1.5D,以充分發(fā)揮每個槳各自的攪拌能力,避免槳間的相互干擾使攪拌效率下降。槳間距合理,則能產(chǎn)生高效的整體循環(huán),對全槽的均勻混合有利[圖1.11(a)~(c)]。若間距過大[圖1.11(d)],則內(nèi)部循環(huán)沒有整體性,兩槳之間容易遺留一個弱攪拌區(qū),會影響攪拌槽反應(yīng)器的效率。圖1.11(e)所示為間距過小的情況,內(nèi)部循環(huán)也沒有整體性,兩槳之間液相缺少流體循環(huán)的來源,因而對流也很微弱。圖1.11(f)所示也是間距過大,徑向槳和軸流槳形成各自的循環(huán)圈,兩槳之間的流體受到上下兩槳相反的剪切力,流體速度小,都是于操作不利的因素。

圖1.11 攪拌槳槳間距對流型的影響

如1.2.1.1節(jié)所述,各種槳產(chǎn)生的流動方式不同,這決定了單槳攪拌槽內(nèi)整體流動的流型。采用多層槳構(gòu)型時,槳間的相互影響使流型更加多種多樣。總的原則是,既要充分發(fā)揮各個槳本身的特點和效能,也要注意各槳的配合,使槽內(nèi)形成統(tǒng)一、對流強盛的整體循環(huán),這會帶來宏觀混合時間短、湍流強度分布均勻、攪拌能量效率高的益處。關(guān)于攪拌槽流型更詳細的敘述見第2章2.1.1節(jié)。

1.2.1.3 攪拌槽的操作特性指標

為了描述攪拌槽的工作狀態(tài),例如槽內(nèi)流動湍流的強度,是否能夠有效地懸浮固體顆粒,能否將加入的氣體或不混溶的液體分散為細小的氣泡和液滴等,需要定義以下一些參數(shù)。

(1)攪拌雷諾數(shù) 攪拌雷諾數(shù)可以用來描述攪拌槳推動槽內(nèi)流體流動的快慢和激烈的程度,以區(qū)分槽內(nèi)是層流,還是湍流流動。對牛頓流體,一般的定義為ReUD/μ,式中,UD分別為特征速度和特征尺寸;μ為流體黏度。對攪拌槽,一般取攪拌槳直徑D為特征尺寸,以ND為特征速度(N為攪拌槳的轉(zhuǎn)速),因此雷諾數(shù)的定義為

Re=(1.1)

(2)攪拌功率 攪拌功率P與攪拌設(shè)備的結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)有關(guān),和攪拌操作條件有關(guān),還和體系的物理和化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。因此,關(guān)聯(lián)式的一般形式為

P=f(ρ,μ,g,N,D,T,H,其它幾何和操作參數(shù))(1.2)

式中,ρ為流體密度;μ為流體黏度;g為重力加速度;N為攪拌槳轉(zhuǎn)速;D為攪拌槳直徑;T為攪拌槽直徑;H為液位高度。攪拌槽和攪拌槳的其它參數(shù)也對混合能耗有一些次要的影響,可以視情況作為自變量列入關(guān)聯(lián)式中。

利用量綱分析法,可以將上述多自變量公式轉(zhuǎn)化為自變量數(shù)目更少的無量綱關(guān)聯(lián)式:

=f(1.3)

亦即

Po=f(Re,Fr,幾何參數(shù))(1.4)

式中,Po為功率數(shù)Po=P/N3D5)。雷諾數(shù)ReND2/μ,它和操作條件有關(guān),也體現(xiàn)了體系的物理性質(zhì)。一般地,弗勞德數(shù)Fr=N2D/g的影響比較小。多數(shù)報道的關(guān)聯(lián)式僅針對具體的攪拌槳型和槽型,都簡單地表示為PoRe間的函數(shù)關(guān)系:

Po=f(Re)(1.5)

當體系的流動狀態(tài)由層流向高雷諾數(shù)條件過渡時,功率數(shù)先下降比較快,后來逐漸減慢,當進入充分湍流時,Po逐漸趨向一常數(shù)值。例如,對圓柱形攪拌槽,H=T,D=T/3,槳距底間距為C=T/3的標準條件下,PoRe的變化如圖1.12所示。充分湍流時,Rushton槳的Po為5.8~6.0的常數(shù)值。

圖1.12 標準Rushton槳和螺旋槳功率數(shù)與雷諾數(shù)間的關(guān)系

(3)排出流量 一個槳的排出流量Q(m3/s)是攪拌槳的能力和效率的標志參數(shù)之一,Q越大,表示槽內(nèi)的流體循環(huán)越快,攪拌槳的宏觀混合時間則越小。無量綱排出流量數(shù)Fl一般定義為

Fl=Q/(ND3)(1.6)

式中,D為槳直徑,m;N為轉(zhuǎn)速,r/s。

在攪拌槽中測量排出流量,原則上應(yīng)該測量恰好能包裹整個攪拌槳的最小圓柱面上各處的流速,累計法向速度為正(離開包裹面,速度為正值)的全部流率得到

Q=∫Ωmax(u·n,0)dS(1.7)

式中,u為包裹面上的速度矢量;n為包裹面的外法線單位矢量;dS為包裹面的面積微元。周向速度分量對Q沒有貢獻。若測量面為圖1.13中的圓柱面Ω2,則流束a的貢獻沒有計量在內(nèi),測量有一定的偏差。

圖1.13 確定排出流量Q的包裹面位置

實驗測定排出流量數(shù)可以用的方法很多,例如非浸入式的粒子成像法和激光多普勒法,浸入式的電導(dǎo)率法、畢托管法、熱電偶法、示蹤粒子法等(許世艾,2000)。LDV法(激光多普勒測速法)和PIV法(粒子圖像測速法)可測量槳包絡(luò)面上的徑向和軸向速度分量用于計算。更早的簡單實驗方法是示蹤粒子法,肉眼觀察毫米級大小、密度與被測液相相近的小球,在單位時間里往返于液面(容易肉眼觀察)與攪拌槳間的次數(shù)m,以近似地代表從攪拌槳到器壁和液面的大循環(huán)。則排出流量的估計值Q?=mV?(m3/min,V?為攪拌槽內(nèi)液體總體積)。或是用電導(dǎo)率法示蹤,測量示蹤電解質(zhì)測得循環(huán)一次所需時間t,則循環(huán)流量Q=V/t。熱電偶法測循環(huán)時間,方法與電導(dǎo)率法相似。這些方法的原理不嚴密,測量誤差大,現(xiàn)在已經(jīng)極少應(yīng)用。

其實攪拌槽內(nèi)的液體總循環(huán)流量,還應(yīng)包括遠離攪拌槳區(qū)的孤立循環(huán)。對不同的攪拌構(gòu)型,由于產(chǎn)生的流型不同,渦心的個數(shù)和位置不同。圖1.14中,經(jīng)過攪拌槳的2個循環(huán)A和B計入了式(1.7)算出的排量Q中,但循環(huán)C是孤立在外的,未被計入。因此它的循環(huán)流量QC應(yīng)該計入總循環(huán)流量QT之內(nèi)。計算QC的積分范圍比較難以確定,首先要確定循環(huán)的渦心,然后確定渦的外邊界,那里的渦量從渦心的極大值降低到0。攪拌槽中可能存在多個孤立(或次級)循環(huán),但次級循環(huán)往往比主循環(huán)弱得多,在工程研究中視情況可不考慮。

圖1.14 確定液體總循環(huán)流量的主循環(huán)和孤立循環(huán)

評議:無量綱排出流量數(shù)Fl的定義式(1.6)建議改為更有物理意義的

Fl=Q/(ND2w)(1.8)

式中,w為槳葉的最大高度;D2w可以理解為槳的包絡(luò)圓柱的體積。這樣的無量綱排出流量數(shù)Fl數(shù)值在不同的槳型間可能更有可比性。

(4)攪拌槳的循環(huán)特性指標 一般是指攪拌槳的功率數(shù)與排出流量數(shù)之比值Po/Fl。這個比值大,表示槳的剪切作用強,比值小則說明攪拌槳的泵送效率高。因此也可以作為不同型式的攪拌槳性能的一個特征參數(shù)(Oldshue JY,1991)。

(5)臨界轉(zhuǎn)速 臨界轉(zhuǎn)速也是評價攪拌槳和攪拌槽性能的指標之一,通常應(yīng)用于多相體系的攪拌。

液固體系中,隨著攪拌轉(zhuǎn)速增大,沉積在槽底的固體顆粒層的表面受到的流體運動的剪切力逐漸增大,表面顆粒開始運動,并被懸浮。臨界懸浮轉(zhuǎn)速是指全部固體顆粒被懸浮時的轉(zhuǎn)速Njs。由于實驗中難以準確地判斷是否所有顆粒都被懸浮,或是少數(shù)顆粒尚未離底,現(xiàn)在普遍采用Zwietering TN(1958)的定義:在液?固攪拌槽中,所有固體顆粒均處于運動中,且沒有任何顆粒在槽底停留超過1~2s時的攪拌轉(zhuǎn)速為臨界攪拌轉(zhuǎn)速。另一個臨界轉(zhuǎn)速是均勻懸浮轉(zhuǎn)速,指固體在攪拌槽內(nèi)分布達到一定的均勻度時的轉(zhuǎn)速,一般用全槽固相相含率(固含率)均方差的大小來判斷。這個臨界轉(zhuǎn)速的用處小一些,因為實驗測定均勻度(濃度的方差)比較困難,而且實際操作中往往不需要固相懸浮得很均勻。王峰對液固攪拌槽的臨界懸浮轉(zhuǎn)速進行實驗測定和數(shù)值模擬(王峰,2004)。

氣液體系中,攪拌的主要目的是:破碎氣泡,使氣液界面積增大;盡量將氣泡均勻地分散到反應(yīng)器各處;夾帶氣泡,使氣泡跟隨液相循環(huán),延長氣相停留時間。常用的一個臨界轉(zhuǎn)速是指氣泡開始被循環(huán)流動夾帶,使攪拌槽下部氣含率明顯增加的轉(zhuǎn)速Njs(Nienow AW,1977),即圖1.15中達到圖1.15(d)所示狀態(tài)的攪拌轉(zhuǎn)速。

圖1.15 轉(zhuǎn)速增大時氣體分布型態(tài)的變化(Nienow,1977)

液液體系中,隨著攪拌轉(zhuǎn)速增大,相含率較小的液相開始被流體剪切而形成液滴,直至該液相全部分散為大大小小的液滴,跟隨另一液相運動,此時的轉(zhuǎn)速稱為完全分散臨界轉(zhuǎn)速Njs。液滴均勻分散的臨界轉(zhuǎn)速不常用。

其它多相體系,如氣液固三相體系,也類似地定義出一些臨界轉(zhuǎn)速Njs,在科學(xué)研究和工程設(shè)計中應(yīng)用。

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