筒式搅拌器开发及性能研究

化学工程筒式搅拌器开发及性能研究陈明义、曾庆军2（1.青岛科技大学中德科技学院，山东青岛266061；2.青岛海湾集团有限公司，山东青岛266043）成，搅拌时使介质同时产生强大的径向流和轴向流。从理论上分析了液体质点在筒式搅拌器翅片内的运动规律。

筒式搅拌叶轮的各部位尺寸设计取决于液体性质、混合要求、容器直径和转速等因素。测试采用德国IKAEUROSTARpowercontrol搅拌装置和Labword软件，介质为水。筒式搅拌器的排液量和循环流量大，具有极强的混合效果。通过测试整理得到搅拌器功率和功率准数经验公式以及排液量和循环量的基本估算式。筒式搅拌器叶轮各部尺寸对搅拌效果影响较大，有待继续深入研究。

搅拌是化学工程和生物工程中*常见的也是*重要的单元操作之被广泛应用于物料的混合、分散、缩合及聚合等过程。搅拌器又称搅拌桨或搅拌叶轮，是搅拌反应器的关键部件，其功能是提供过程所需要的能量和适宜的流动状态。

本文介绍的筒式搅拌器的结构、设计原理及性能测试研究结果，是作者等发明的实用新型专利、1结构和工作原理筒式搅拌器的结构如所示1.筒式搅拌器的叶轮为圆筒形，在筒上有序开槽，并按一定角度向筒内方向安装流线型叶片。传动轴主要用于传递动力；联结件的作用是将联结套固定在传动轴上，用于传递扭矩；加强筋用于联结套4与筒体6的联接，对称安装在筒体的上下两端，可根据筒体直径和扭矩大小设置3?5根；紧固件将联结套固紧在传动轴上用于锁紧并承重。当搅拌器旋转时，在叶片的作用下，流体通过槽隙向外高速流出，在搅拌器附近形成高湍动的充分混和区。高速流体在外围流体间进行能量转换，部分动能转变为流体的压力能，然后推动液体在搅拌容器内循环流动。由于筒内液体被喷出同时筒体内部压力降低，流体便会经筒体上下端进入内部，形成以圆周运动速度u（m/S）：搅拌叶轮带动液体质点作圆周运动的速度，向与液体质点所在处的圆周切线方向一致。

相对运动速度w：液体质点沿叶片从叶轮的圆筒中心流向外缘的运动速度。

####运动速度c：圆周运动速度u与相对运动速度w的合速度。

速度三角形如（b）所示，a为c与u之间的夹角，为w与u反方向延长线之间的夹角，a，称为流动角，其大小与圆筒叶片的结构有关。根据余弦定理，则若将c分解为径向分量Cr和圆周分量Cu，则分别为=，qT为液体流由于叶轮的混合性能与叶轮的排出性能、剪切性能有关。排出性能高可以造成液体的快速循环流动，而剪切性能高又能造成液体强烈的湍流扩散0.筒式搅拌叶轮的叶片型式一般采用大角度的后弯叶片，搅拌低黏度液体时0值大些，这样可以增大排出量、降低湍流强度。

2.2搅拌叶轮各部尺寸与转速根据筒式搅拌器的工作原理，自搅拌器叶轮处排出的高速流液体，对其周围的低速流液体具有吸引夹带作用。叶轮的排液量为qd，叶轮排出的高速流对低速流吸引挟带的量为这二者之和形成全部的循环流量q.，这种循环流动，涉及到整个搅拌容器，起着体积循环作用。从叶轮排出的液体把来自叶轮的能量传递到容器各处，同时，在静压能和动能的联合作用下，容器内液体从叶轮上下顺次循环到具有强烈搅拌作用的叶轮内部和近旁，所以，叶轮的排出性能对搅拌过程有非常重要的意义。筒式搅拌器叶轮类似于双吸离心泵叶轮，因此排液量qd大小与叶轮的流通面积A和叶轮出口处液体的径向速度cr有关系，即qd=Acr，而A=m f，其中：m为叶轮筒壁开槽孔数目，m=2?8；1为槽孔周向弧长，m，g2.3搅拌器有效功率由流体力学可知，单位时间内搅拌桨对液体所作的功为有效功率Ne，它可以描述为单位时间内液体力矩增量与搅拌桨旋转角速度的乘积，因此作用给介质的总能量为分析中液体从搅拌叶轮进口1流到出口2的过程中单位时间内动量矩的增量AM，叶片进口1处，液体在单位时间内动量矩=pqTC111，叶片出口2处，液体在单位时间内动量矩M2=pqTC2l2，其中，qT，分别表示理想液体流量和密度，所以力矩增量为AM=-2 =r2cosa2，r1fr2分别表示叶片内外圆半径。因此，搅拌器的有效功为3性能测试，对，由可以看出，在不同直径比和相同转速下（n拌器混合时间t约为推进式搅拌器的65%. 3.3混合时间数n，tm为混合时间，s.试验测定采取着色法，标准是达到充分混合，测得3种型式搅拌器混合时间数曲线如所示。

3.4排出流量数和循环流量数搅拌器的排液量qd和循环量q.分别定义如下5对于筒式搅拌器，般叶轮出口处液体径向分速度Cr大于叶轮出口处液体周向分速度即Cr> cu，且当yS接近以nnd代入式（14），则可以得到*保守的排出流量数：由曲线可知，混合时间*短时所对应的筒式搅拌器较其他常用搅拌器的Nqd，Nq.值高。

4结论筒式搅拌器结构简单，便于加工制造，对于黏度不大的流体具有良好的搅拌性能，特别对于液面较深、容器高径比较大的容器搅拌效果更好。筒式搅拌器在结构上主要由筒体和内弯叶片组成，当搅拌器旋转时，使介质同时产生强大的径向流和轴向流。筒式搅拌器的排液量和循环流量大，具有极强的混合效果。

由于搅拌器具有较高的排液量，属于轴向流型搅拌器，在同等条件下测试，该搅拌器较其他型式的搅拌器功耗低，混合时间短。在介质为水的情况下，测得了筒式搅拌器功率和功率准数经验公式。

筒式搅拌器叶轮各部尺寸对搅拌效果影响较大，有待继续深入研究。叶轮转速增大，不仅会使搅拌功率增加，有时还可以降低循环量。因此，搅拌叶轮的叶片设计应同时考虑转速大小、液体性质和混合要求等因素。