8種攪拌器攪拌特性的實(shí)驗(yàn)研究

摘 要 在 375mm 的攪拌釜內(nèi), 對(duì) 8種攪拌器進(jìn)行實(shí)驗(yàn), 考察了攪拌器槳型、轉(zhuǎn)速及密度等操作因素對(duì)各種攪拌器的攪拌功率和攪拌時(shí)間的影響。研究表明, 綜合考慮單位體積的攪拌功率和混合時(shí)間, 所提出的二層組合槳的混合效率數(shù) C_e **小, 混合效率**高。

固液懸浮是機(jī)械攪拌技術(shù)中**常見(jiàn)的單元操作之一, 應(yīng)用的攪拌器有徑向流的, 也有軸向流型的。本文研究的物料為含固量約 10% 的懸浮液,
 
其密度為 1. 055kg /m³, 粘度為 27. 5m Pa s。攪拌要求固體均勻懸浮, 罐外壁有加熱夾套, 攪拌時(shí)物料溫度分布均勻, 攪拌的剪切作用要小, 且筒體內(nèi)不宜設(shè)置擋板。為此, 選擇了六直葉圓盤(pán)渦輪、 45 斜槳以及 M IG 型的攪拌器共 8種進(jìn)行比較實(shí)驗(yàn)。其中 M IG 型攪拌器屬于斜葉槳的改型, 在 45 斜槳的前端增加一個(gè)與主槳傾斜 90 的小斜葉, 經(jīng)攪拌軸的旋轉(zhuǎn), 在釜內(nèi)形成中心液流向上,周邊液流向下的軸向循環(huán)流。本文用實(shí)驗(yàn)的方法, 對(duì) 8種攪拌器的功率消耗、混合時(shí)間和混合特性等進(jìn)行研究比較。在此基礎(chǔ)上, 取懸浮液麥汁進(jìn)行了攪拌特性的比較, 從而選擇**佳的攪拌器應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。
 
1  實(shí)驗(yàn)
 
1. 1 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置如圖 1。攪拌釜是直徑為 375mm
 
的橢圓底有機(jī)玻璃釜, a、b、c 3點(diǎn)溫度計(jì)分別位于釜底、液面高的一半及液面下 50mm 處。單層攪拌器實(shí)驗(yàn)時(shí)液位高 375mm, 即液位高與釜徑比為 1 1; 二層組合槳實(shí)驗(yàn)時(shí), 液位高為 412mm, 與釜徑比為 1. 1 1。實(shí)驗(yàn)介質(zhì)分別為清水、食鹽水和麥汁。本文主要介紹用清水時(shí)的實(shí)驗(yàn)情況。
時(shí), 作為達(dá)到攪拌要求時(shí)的混合時(shí)間。圖中的 AB 段就是筆者測(cè)量的混合時(shí)間。
光電傳感器獲得的基準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)過(guò)整型電路變換成矩形的基準(zhǔn)信號(hào); 扭矩傳感器的信號(hào)經(jīng)動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀變換與放大的信號(hào)以及溫度傳感器得到的溫度信號(hào)等都經(jīng) AD 采集卡的數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸入計(jì)算機(jī)處理, 進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量、顯示和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。 1. 3 攪拌器的構(gòu)造與尺寸
 
主要從攪拌器的槳型、槳葉數(shù)與釜徑比 d /D ( 表 1) 等方面考察其功耗和混合特性等。其尺寸比例取自目前生產(chǎn)上常用的比例, 結(jié)構(gòu)形狀如圖3所示。六直葉圓盤(pán)渦輪為徑流型, 其余為軸流型。具有很大剪切力的六直葉圓盤(pán)渦輪用于該物料的攪拌是不合適的, 這里主要為測(cè)量其功率準(zhǔn)數(shù) Np 值, 用于和標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較。 STNC 槳和 HUM 槳為G外裝置的攪拌器, 其余為G內(nèi)設(shè)備常用槳型。上下二層槳為筆者提出的組合槳, 二層組合槳可改變其高徑比, 縮少筒體直徑, 有利于換熱面積的布置等優(yōu)點(diǎn)。

由攪拌功率計(jì)算式 P = Np /( n³D ⁵ )可知, 功率準(zhǔn)數(shù)N p 越小, 功率 P 也越小。從圖 4和圖 5可以看出, 在相同的雷諾數(shù)下, HUM 槳的功率準(zhǔn)數(shù)
為 0. 17, STNC槳為 0. 21, **大的是六直葉圓盤(pán)槳
 
為 5. 8。可見(jiàn)軸流型槳的攪拌功率明顯小于徑流型槳。HUM 槳的 d /D 大于大雙斜葉槳, 而功率
 
反而小, 原因是攪拌槳葉上的開(kāi)孔, 明顯降低了功率。二層組合槳的攪拌功率大, 是其液面高, 裝液量多, 比較時(shí)應(yīng)考慮其單位體積的功率消耗。
 
2. 2 攪拌器的混合特性混合時(shí)間是反映攪拌釜內(nèi)液體混合效果的重
 
要參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)采用溫差法進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量, 精度較高, 溫度傳感器信號(hào)也便于記錄、存儲(chǔ)和整_理[ 1] _。
 
混合時(shí)間 M 是指物料通過(guò)攪拌使之達(dá)到規(guī)定混合程度所需的時(shí)間。為便于比較, 本實(shí)驗(yàn)測(cè)量的 M 數(shù)值是在相同的測(cè)試條件下進(jìn)行的, M 與 n的關(guān)系如圖 6所示。
 

 
圖 6  不同轉(zhuǎn)速下所需的混合時(shí)間
 
大雙斜葉槳和小雙斜葉居后, 再次是 45 斜槳和
 
STNC槳, **大的是六直葉圓盤(pán)渦輪。在評(píng)價(jià)攪拌器的混合性能時(shí), 常常采用混合效率數(shù) C e 來(lái)比較混合效率的高低^{[ 2]} , C e 表示流體在一定的流體粘度和混合時(shí)間下, 攪拌器所需的單位體積混合能, Ce 越小, 混合效率越高。其定義為:
Ce = M² PV  /
 
式中 P V 單位體積的功率, W /m ³;
 
M 混合時(shí)間, s;
 
物料的粘度, Pa  s。
 
當(dāng)物料的粘度相同時(shí), 只需考慮混合時(shí)間的平方和單位體積功率的乘積。在不同轉(zhuǎn)速下 8種攪拌槳的混合效率數(shù)如圖 7所示。
 
型攪拌器的攪拌功率明顯小于徑流型。
 
3. 2 HUM 槳的 d /D **大, 而功率消耗反而**小, 這是由于攪拌槳葉上開(kāi)孔, 既增加攪拌效果又降低攪拌功率。
 
3. 3 當(dāng)采用攪拌器的綜合性能指標(biāo)即混合效率數(shù) C e 進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí), 筆者提出的二層組合槳的設(shè)計(jì)是一種很好的選擇。具有提高混合效率, 減少占地面積及降低設(shè)備投資等優(yōu)點(diǎn)。