攪拌系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用上

攪拌系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用上

1國內(nèi)關(guān)于攪拌設(shè)計的研究現(xiàn)狀從最初的非反應(yīng)單位操作到后續(xù)攪拌裝置的應(yīng)用，攪拌發(fā)揮了越來越重要的作用，關(guān)于攪拌的研究也越來越深入。根據(jù)傳統(tǒng)的概念,化學(xué)工業(yè)中工程技術(shù)人員的任務(wù)是開發(fā)、設(shè)計與操作,開發(fā)是研究步驟和將其經(jīng)濟合理的連接;設(shè)計是研究合適的設(shè)備型式、性能與尺寸;操作是對生產(chǎn)過程的管理、運轉(zhuǎn)并改進以提高效率。作為攪拌設(shè)備的研制生產(chǎn)企業(yè),攪拌設(shè)計及其應(yīng)用是主要任務(wù)。目前化工攪拌設(shè)備在化學(xué)、食品、造紙、石油、水處理、冶金等工業(yè)中均有廣泛的應(yīng)用,并已經(jīng)形成龐大的產(chǎn)業(yè),在世界范圍較有影響的知名企業(yè)如美國萊寧公司、德國EKATO公司等。很多研究者開始努力使攪拌設(shè)計在嚴密的理論指導(dǎo)下完成或?qū)⒁延械慕?jīng)驗變成專家系統(tǒng)軟件成為科學(xué)一致的設(shè)計依據(jù)。美國著名混合設(shè)備公司之一的CHEMINEER公司就報道了擁有渦輪式攪拌設(shè)備設(shè)計AgDesign知識庫軟件;芬蘭的LAPPEENRANTA工業(yè)大學(xué)也發(fā)表數(shù)篇關(guān)于混合設(shè)備初步設(shè)計的知識庫論文。在國內(nèi),浙江長城減速機有限公司是攪拌技術(shù)開發(fā)與攪拌設(shè)備設(shè)計、制造的龍頭企業(yè),2006年負責起草了《攪拌器》行業(yè)標準,并于2008年11月承辦了第一屆全國工業(yè)攪拌技術(shù)會議。公司下設(shè)溫州市長城攪拌設(shè)備設(shè)計研究所,擁有比較完善的攪拌研究儀器設(shè)備,包括用于流暢測量的PIV以及LDV等技術(shù)及設(shè)備,CFD技術(shù)也得到了應(yīng)用。攪拌設(shè)備屬于非標設(shè)備,設(shè)計過程包括工藝設(shè)計和機械設(shè)計,目前攪拌設(shè)計理論并不健全,以往的工作都是針對特定攪拌系統(tǒng)所進行的設(shè)計數(shù)據(jù)探索,致使很多文獻中出現(xiàn)各種攪拌器樣式以及采用諸多不同的設(shè)計計算公式,這也導(dǎo)致了目前大多數(shù)設(shè)計者依照自己的習慣和經(jīng)驗設(shè)計,結(jié)果因人而異,缺少科學(xué)性和一致性,更無最佳可言。本文力求通過總結(jié)前人的豐富經(jīng)驗,分析研究應(yīng)用中的一些規(guī)律,形成與眾多實踐數(shù)據(jù)以及理論接近一致的設(shè)計原則,形成一個科學(xué)合理的設(shè)計思路供設(shè)計者遵循借鑒。當然這種設(shè)想需要通過一個過程來完成,這里只是開始的探索。2攪拌混合技術(shù)攪拌設(shè)備組成包括攪拌槽、旋轉(zhuǎn)軸及軸上的攪拌器、輔助部件(密封裝置、機架及槽內(nèi)擋板等)。攪拌混合技術(shù)一直圍繞的兩個中心是:開發(fā)新型、高效攪拌設(shè)備;快速正確地選擇和設(shè)計攪拌設(shè)備。顯然,本文重點是第二項。下面對各個主要部分做綜合概括,并對某些環(huán)節(jié)加以適當?shù)姆治鲇懻摗?.1攪拌槽攪拌槽是盛裝被攪拌液體的容器,從避免停滯區(qū)、流動不暢區(qū)或固體沉降區(qū)考慮,一般不用錐底以及方形。2.2旋轉(zhuǎn)軸和軸上的攪拌2.2.1確定軸的基本尺寸很多文獻有關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計介紹,主要是確定危險截面處軸的最小尺寸,進行強度、剛度計算和校核、驗算軸的臨界轉(zhuǎn)速和撓度。單跨攪拌軸徑在單跨內(nèi)各處相等,而懸臂攪拌軸的跨間和懸臂可等可不等。等直徑段可存在的最大最小直徑差在5%以內(nèi)。旋轉(zhuǎn)軸最大扭矩發(fā)生在傳動側(cè)軸承處。確定實際直徑時還要考慮材料的腐蝕裕量,最后靠近標準軸徑。大部分攪拌設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)都擁有相關(guān)設(shè)計軟件。旋轉(zhuǎn)軸與攪拌槽的相對位置包括頂入式、底入式、側(cè)入式、斜入式和偏置式等幾種。旋轉(zhuǎn)軸又分為剛性軸和柔性軸設(shè)計,剛性軸n≤0.7ncr,柔性軸n≥1.3ncr,柔性軸轉(zhuǎn)速通常大于800r/min,制成空心。通常質(zhì)量越大,自身頻率越低;剛度越大,則自身頻率越高。要改變機械系統(tǒng)自身的頻率,改變剛性要比改變自身重量更容易。攪拌軸的允許轉(zhuǎn)速比列于表1。采用柔性軸應(yīng)注意滿足以下條件:轉(zhuǎn)速要快;不得在氣體介質(zhì)或氣液介質(zhì)中使用;攪拌槽充液高度不應(yīng)低于1/2容器直徑;單跨軸跨間段應(yīng)是等直徑軸段,懸臂軸的跨間和懸臂兩個軸段的直徑也必須相等;軸計算長度內(nèi)不應(yīng)該裝有可拆聯(lián)軸器;軸上只允許安裝開啟渦輪式、圓盤渦輪式、推進式和三葉后掠式等轉(zhuǎn)速較高的攪拌器。攪拌系統(tǒng)的主件是攪拌器。下面對此做進一步說明。2.2.2種除塵器的組合使用攪拌器選型主要依據(jù)下述因素:攪拌目的;物料黏度;攪拌槽容積大小。攪拌目的:一是兩種或多種可互溶的液體彼此混合均勻,比如稀釋過程;二是使不互溶的液體混合,便如萃取、制備乳濁液,屬于傳質(zhì)過程;三是使固體在液體中懸浮,如在液體中溶化固體顆粒,或從溶液中將固體結(jié)晶出來,或用固體吸附凈化液體以及將催化劑懸浮在液體中反應(yīng)等;四是促進液體與容器壁之間的傳熱并防止局部過熱過冷。五是氣-液分散,氣-液-固三相混合,屬于傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)過程。按照攪拌目的不同,根據(jù)每種攪拌器的特性加以分析選擇。物料粘度:一般認為,小于5Pa·s的液體為低粘度流體,5~50Pa·s的液體為中粘度流體,50~500Pa·s的液體為高粘度流體,大于500Pa·s的液體為超高粘度流體。各種攪拌器對應(yīng)著不同的適用粘度。攪拌槽容積:攪拌槽容積范圍很廣,決定著攪拌器的尺寸以及數(shù)量等。應(yīng)用最廣泛的攪拌槽是立式圓筒型頂入式,用于常壓或非常壓,配以擋板,通常L/D=1~1.3,最高可達到6。立式圓筒型或矩形斜入式,常用于3kW以下制成快裝可拆型。立式圓筒型或矩形側(cè)入式,用于大型儲油罐。攪拌器選型就是選擇流場和能量的匹配。除了極個別的情況以外,絕大多數(shù)普通液體攪拌操作都完全可以用槳式、渦輪式和推進式三種攪拌器完成,關(guān)鍵在于了解工藝過程對攪拌器中液體流型(軸向流、徑向流和切向流)、液體循環(huán)流量和剪切力大小幾方面的要求以及三種攪拌器可采用的具體構(gòu)形,從而定出尺寸和轉(zhuǎn)速的合理配合,產(chǎn)生所要求的流量(用排量數(shù)Nqd表征)和剪切力(高的Np/Nqd),并估算出功率損耗。不同攪拌器產(chǎn)生的液體流型、液體循環(huán)流量和剪切力不同。液體混合作用是主體對流擴散(循環(huán)流量)、渦流對流擴散(渦流或湍流)和液體分子擴散這三種擴散混合作用的綜合,前兩種是宏觀混合,后一種是微觀混合(分子水平上的混合),攪拌設(shè)備中前兩種起主要作用。軸向流利于宏觀混合,適宜均相液體混合和沉降速度低的固體懸浮。徑向流適宜高剪切作用攪拌,氣-液和液-液分散及固體溶解。切向流在平槳轉(zhuǎn)速不大沒有擋板時出現(xiàn),容易形成打旋,除了提高釜內(nèi)壁對流傳熱系數(shù)外,對其它攪拌過程是不利的,無法產(chǎn)生軸向流,通常在層流區(qū)使用。關(guān)于循環(huán)流量和剪切力以及排量數(shù)等概念在相關(guān)文獻中有詳細介紹,本文從略。(1)槳式攪拌器槳式攪拌器結(jié)構(gòu)簡單,一般由2塊平槳葉組成,是攪拌器中最簡單的一種,造價也最低。適用粘度范圍在50Pa·s以下,一般不超過2Pa·s使用,主要用于排出流是必要的場合,大葉徑,低轉(zhuǎn)速,用于液-液,固-液,不用于氣-液,可高粘度下多層使用。槳葉直徑與釜內(nèi)直徑之比為0.35~0.8,一般取0.5~0.8倍;寬度一般為其長度的1/16~1/10;轉(zhuǎn)速10~150r/min,一般為20~100r/min或小于3m/s。轉(zhuǎn)速很低時可不加擋板。低速切線流,高速徑向流,折葉槳產(chǎn)生軸向流。宏觀混合效果好,在200m3以下的攪拌槽使用。(2)渦輪式攪拌器渦輪(透平)式攪拌器形式多,按照有無圓盤分為圓盤渦輪攪拌器和開啟渦輪攪拌器兩大類,葉輪有平直葉、折葉、后彎葉等。中等黏度50Pa·s以下使用。葉輪直徑與釜內(nèi)直徑之比為0.2~0.5,以0.33為多。轉(zhuǎn)速一般400~800r/min,可低至10r/min,也可高達到1500r/min與電機同速或16m/s以下。在100m3以下的攪拌槽使用。折葉式可在1000m3以下攪拌槽使用。(3)推進式攪拌器推進式(螺旋槳)攪拌器,適用于低粘度2Pa·s以下。攪拌器直徑與釜內(nèi)直徑之比為0.2~0.5,一般控制直徑不超過450mm。轉(zhuǎn)速為100~500r/min,一般取轉(zhuǎn)速200~400r/min,排除液體能力強,不適用于要求高剪切力的分散反應(yīng)操作,在1000m3以下的攪拌槽使用。下面幾種攪拌器是針對高粘度或低雷諾數(shù)情況下的使用的。(4)錨式攪拌器攪拌物料粘度可達100Pa·s,容積小于100m3。攪拌器直徑與釜內(nèi)直徑之比為0.9~0.98,常用轉(zhuǎn)速1~100r/min。高粘度時錨式比螺帶式混合效果差的多,而低黏度時切應(yīng)力又不夠,軸向循環(huán)也很差,中間固體回轉(zhuǎn)部體積大,只用在對攪拌效果要求不高以傳熱為重要目的的場合。(5)錨框式攪拌器使用最高粘度達300Pa·s,常用轉(zhuǎn)速10~50r/min。(6)螺帶式攪拌器攪拌高粘度20~100Pa·s的流體,寬度為葉徑的5%~15%,分單雙、內(nèi)外、螺帶螺桿等。內(nèi)外相反,排量相等。螺距的高度約等于葉徑。用于50m3以下的場合。轉(zhuǎn)速不大于50r/min。(7)螺桿式攪拌器用于高粘度20~100Pa·s的流體,中央插入的螺桿式攪拌最好和導(dǎo)流筒配合使用,否則效果不好。轉(zhuǎn)速不大于50r/min。2.3輔助設(shè)備2.3.1各種密封裝置的標準根據(jù)工況和用戶要求,選擇合適的密封種類,釜用傳動密封包括液封、填料密封、機械密封以及磁力傳動密封,各種密封裝置都有相應(yīng)的標準。當攪拌介質(zhì)為劇毒、易燃、易爆或較為昂貴的高純度物料或需要在高真空狀態(tài)下操作,應(yīng)采用磁力傳動密封。2.3.2該框架根據(jù)工況和攪拌設(shè)備設(shè)計的整體結(jié)構(gòu)要求選擇標準機架或設(shè)計特殊機架。2.3.3下槽底—釜內(nèi)擋板擋板配合攪拌器實現(xiàn)攪拌效果。嚴格的全擋板條件是:一般安裝4~6個擋板,寬度為槽徑的1/10或1/12,下端至槽底,上端露出液面。Re小于100或黏度大于50Pa·s時不設(shè)擋板。對于中等黏度液體(粘度高于20Pa·s),擋板應(yīng)離壁置放(相距一個擋板寬度)避免出現(xiàn)停滯區(qū),擋板寬度可減小到原來的75%,較高粘度液體用擋板應(yīng)傾斜置放,并將寬度減少到槽徑的1/20。2.3.4導(dǎo)流筒設(shè)計方案推進式和螺桿式葉輪常采用導(dǎo)流筒導(dǎo)流。通常直徑為槽徑的0.7倍,高度和螺桿相等或略高,導(dǎo)流筒上端要抵于靜液中心,且筒身開有槽或孔,采用導(dǎo)流筒要有幾個尺寸相等:筒內(nèi)中心面積=對應(yīng)筒外環(huán)型面積=筒上流過柱面面積=筒下流過柱面面積。3層流與過度流和多元復(fù)合相3.1攪拌功率準數(shù)隨雷諾數(shù)的變化對于不打旋系統(tǒng),攪拌功率準數(shù)在湍流區(qū)為常量,并且只與攪拌器構(gòu)型有關(guān),對此,很多學(xué)者借助試驗手段對一些攪拌器功率準數(shù)進行了實驗測量,也有關(guān)于攪拌器功率準數(shù)的理論計算研究。實際應(yīng)用中,在過渡流區(qū)和層流區(qū)的攪拌也時有需要,其功率準數(shù)有不同于湍流區(qū)的特殊規(guī)律,了解和掌握這些規(guī)律,對攪拌研究和應(yīng)用具有同樣重要的意義。湍流區(qū)攪拌功率計算公式:其中帶下劃線為常數(shù),有時Np用K2代替,一些攪拌器的Np或K2在相關(guān)資料中可以查到。層流區(qū)攪拌功率計算公式:其中帶下劃線為常數(shù),一些攪拌器的K1在相關(guān)資料中可以查到。將式(2)變型為:式(3)是層流區(qū)攪拌功率計算公式,和湍流區(qū)攪拌功率計算公式具有相同的型式,只是湍流區(qū)攪拌功率準數(shù)Np或K2在層流區(qū)換成K1/Re代入計算。以上結(jié)論是當Re<10的層流區(qū),忽略重力影響的結(jié)果。10<Re<104時為過渡流,功率準數(shù)隨雷諾數(shù)以及佛魯?shù)聹蕯?shù)復(fù)雜變化。通過觀察分析還可以發(fā)現(xiàn),攪拌器在湍流區(qū)攪拌功率準數(shù)較大并不代表其在層流區(qū)攪拌功率準數(shù)也具有同等的水平。比如表2所列兩個攪拌器,編號1在湍流區(qū)功率準數(shù)比編號2大,而編號1在層流區(qū)功率準數(shù)卻比編號2小得多。表3是文獻介紹的幾種攪拌器的功率因子(K1/Re=Np;K2=Np),以K2從小到大排列為序。K1卻顯示了不同的規(guī)律。在過渡區(qū),功率準數(shù)值大部分介于層流區(qū)和湍流區(qū)之間,但也有例外,有些攪拌器功率準數(shù)在過渡區(qū)出現(xiàn)最小值。通過以下的分析我們來對上述現(xiàn)象加深理解。雷諾數(shù)物理意義是反映流體流動中慣性力與粘性力的對比關(guān)系。湍流區(qū),慣性力占主導(dǎo)地位;層流區(qū),粘性力占主導(dǎo)地位。在湍流區(qū),攪拌消耗的功率主要是克服慣性力,與主動力對宏觀流體在主動力驅(qū)動下的位移有關(guān)。在層流區(qū),攪拌消耗的功率主要是克服粘性力,與主動力驅(qū)動下流體運動波及的邊界摩擦有關(guān)。層流區(qū)的粘性力來自表面邊界的摩擦。邊界處的速度梯度最大,剪應(yīng)力也最大。在層流區(qū),因為粘性力占據(jù)主導(dǎo)地位,影響攪拌功率的主要因素是系統(tǒng)中邊界的多寡,比如,無擋板比有擋板在層流時消耗更多的功率,導(dǎo)流筒的使用也增加功率損耗以及層流區(qū)的錨筐式攪拌器具有更大的功率準數(shù)都說明了這點,表2中的編號2在層流區(qū)功率準數(shù)的大幅度提高也反映了這一規(guī)律。正如Rushton算圖的結(jié)果,層流區(qū)的功率準數(shù)項一定是大于湍流區(qū)的功率準數(shù)項,攪拌過程在層流區(qū)克服粘性力時仍然要克服慣性力驅(qū)動流體位移。通常情況下,在過渡區(qū)也是如此,但也有例外,比如六直葉開啟渦輪全擋板、六彎葉開啟渦輪全擋板以及平直葉全擋板從層流區(qū)進入過渡區(qū)引起流體運動波及的邊界摩擦作用已經(jīng)削弱,而在湍流區(qū)功率準數(shù)卻凸顯增加強烈,于是在過渡區(qū)出現(xiàn)凹陷現(xiàn)象。一般情況下,因為層流區(qū)功率準數(shù)隱含了湍流區(qū)功率準數(shù)的成分,所以湍流區(qū)功率準數(shù)大的攪拌器,其層流區(qū)功率函數(shù)也對應(yīng)較大。特殊情況是,當某些特征因素對湍流區(qū)功率準數(shù)和層流區(qū)功率準數(shù)起相反的作用,比如六葉閉式渦流或有導(dǎo)流筒,閉式和導(dǎo)流這些特征對湍流功率準數(shù)都有減小作用,而這些特征對層流功率準數(shù)都有增大作用,所以自然出現(xiàn)反常現(xiàn)象,其湍流區(qū)功率準數(shù)只有1.4,但層流區(qū)功率準數(shù)達到了極值。既然層流區(qū)攪拌器都具有較高的功率準數(shù),設(shè)備啟動時都要經(jīng)歷這個區(qū)間,是否影響正常運行呢?當然不會,影響攪拌功率的還有轉(zhuǎn)速,因為轉(zhuǎn)速以三次方影響功率,所以啟動時所經(jīng)歷的層流區(qū)功率準數(shù)的增加還是微不足道的。3.2攪拌與均相液體系統(tǒng)單元理論上把任何狀態(tài)(固,液,氣和半液)下物料均勻的摻和在一起的操作稱為混合,但習慣上把固態(tài)物料之間摻和或者固態(tài)物料加濕的操作稱為混合,而把固態(tài),液態(tài)或氣態(tài)物料與液態(tài)物料混合的操作稱為攪拌。可見攪拌并非都用于非化學(xué)反應(yīng)的均相液體系統(tǒng)單元操作,比如攪拌釜式反應(yīng)器就是化學(xué)工業(yè)中廣泛采用的反應(yīng)器之一,尤其在精細化學(xué)品的生產(chǎn)中,攪拌釜式反應(yīng)器約占反應(yīng)總數(shù)的90%。雖然攪拌功率準數(shù)的原始公式考慮了重力因素(通過佛魯?shù)聹蕯?shù))以及多元因素(通過韋伯準數(shù)),但實際應(yīng)用中,還是以簡化了的均相液體系統(tǒng)功率求導(dǎo)公式進行計算,用控制打旋來忽略重力,用求平均粘度以及平均密度來取代均相液體系統(tǒng)的對應(yīng)值。值得注意的是多元復(fù)相時粘度及密度的計算方法。3.2.1散相平均粘度計算兩相的平均密度采用如下公式計算:ρav為平均密度;ρd為分散相密度;ρc為連續(xù)相密度;準為分散相的體積分數(shù)。兩相平均粘度采用下面的方法進行計算:當兩