孫 昊 孫 波

(天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350)

前言

攪拌器是使液體、氣體介質(zhì)強(qiáng)迫對(duì)流并均勻混合的器件。攪拌器的類(lèi)型、尺寸及轉(zhuǎn)速，對(duì)攪拌功率在總體流動(dòng)和湍流脈動(dòng)之間的分配都有影響。攪拌作為過(guò)程工業(yè)的基礎(chǔ)單元操作,被廣泛用于化工、石油化工、醫(yī)藥、食品、生化、化妝品、膠粘劑、印刷油墨、油漆、涂料等工業(yè),在單元操作中攪拌叫做“混合”(Mixing)。因此,攪拌器也叫做Mixer,或叫做Agitator, Stirrer[1]。

近年來(lái), 攪拌器和攪拌容器獲得飛速發(fā)展的同時(shí),正面臨著必須滿足合理利用資源、節(jié)能降耗和對(duì)環(huán)境保護(hù)要求的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1]。通過(guò)對(duì)常用的幾種型形的攪拌器的攪拌效率進(jìn)行比較研究，以期總結(jié)攪拌器扭矩與攪拌速率的線性關(guān)系，為實(shí)際生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

選用四種常用的攪拌器，如下所示：

六平直葉圓盤(pán)渦輪式攪拌器；

雙片渦輪板式攪拌器；

錨式攪拌器；

六斜葉開(kāi)啟渦輪式攪拌器。

2 理論計(jì)算

為了確定攪拌器的攪拌效率，需要繪制Re-Ne線性關(guān)系圖。在層流體系中， Re-Ne[2]關(guān)系方程如下 :

Ne=A.Rea， a = -1 (1)

式中：Ne — 牛頓數(shù)(能量傳遞因子)；

Re—雷諾數(shù) ；

N—攪拌速度；

P—攪拌效率。

P=2πN.M (4)

經(jīng)分析可知,IL—6、TNF—α、Hs—CRP、BNP水平隨心功能等級(jí)增加而升高,且任何兩組相比P<0.05,詳見(jiàn)表2。

式中：M— 攪拌軸的扭矩。

依據(jù)上式，可以推導(dǎo)出有關(guān)牛頓數(shù)的簡(jiǎn)化方程[4]：

3 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置主體為一個(gè)體積為1L的圓形容器，該容器裝備了加熱夾層，并有溫度傳感器用于調(diào)節(jié)加熱功率；可調(diào)式電動(dòng)機(jī)(最快轉(zhuǎn)速1500轉(zhuǎn)/分鐘)；應(yīng)變計(jì)(用于測(cè)量轉(zhuǎn)抽扭矩)；整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置利用實(shí)驗(yàn)室軟件 Labworldsoft進(jìn)行控制[5]。

4 測(cè)定流體性質(zhì)

4.1 六平直葉圓盤(pán)渦輪式攪拌器

測(cè)定使用的流體為聚醚(EMkarox HV45)[3],其物理性質(zhì)如下：

ρ =1077 kg/m3

μ = 5,1 Pa.s

其形狀如圖1所示：

圖1 六平直葉圓盤(pán)渦輪式攪拌器

其各參數(shù)的測(cè)量結(jié)果如表1所示：

表1 六平直葉圓盤(pán)渦輪式攪拌器的各參數(shù)的測(cè)量結(jié)果

其Re-Ne線性關(guān)系圖如圖2 所示：

圖2 Re 與 Ne的線性關(guān)系圖(六平直葉圓盤(pán)渦輪式攪拌器)

4.2 雙片渦輪板式攪拌器

其形狀如圖3所示：

圖3 雙片式渦輪板式攪拌器

其各參數(shù)的測(cè)量結(jié)果如表2所示：

表2 雙片式渦輪板式攪拌器的參數(shù)測(cè)量結(jié)果

其Re-Ne線性關(guān)系圖如圖4所示：

圖4 Re 與 Ne的線性關(guān)系圖(雙片渦輪板式攪拌器)

4.3 錨式攪拌器

其形狀如圖5所示：

圖5 錨式攪拌器

其各參數(shù)的測(cè)量結(jié)果如表3所示：

表3 錨式攪拌器的各參數(shù)的測(cè)量結(jié)果

其Re-Ne線性關(guān)系圖如圖6所示：

圖6 Re 與 Ne的線性關(guān)系圖(錨式攪拌器)

4.4 六斜葉開(kāi)啟渦輪式攪拌器

其形狀如圖7所示：

圖7 六斜葉開(kāi)啟渦輪式攪拌器

其各參數(shù)的測(cè)量結(jié)果如表4所示：

表4 六斜葉開(kāi)啟渦輪式攪拌器的各參數(shù)的測(cè)量結(jié)果

其Re-Ne線性關(guān)系圖如圖8所示：

圖8 Re 與 Ne的線性關(guān)系圖(六斜葉開(kāi)啟渦輪式攪拌器)

5 結(jié)論

依據(jù)所選型的所有攪拌器的雷諾數(shù)與牛頓數(shù)的線性關(guān)系圖，可以看到它們的斜率近似為-1 。這說(shuō)明實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算是相吻合的。其中的微小差別可以用實(shí)驗(yàn)誤差來(lái)解釋。其中，對(duì)于六平直葉圓盤(pán)渦輪式攪拌器和六斜葉開(kāi)啟渦輪式攪拌器來(lái)說(shuō)，斜率為-1更具有現(xiàn)實(shí)意義，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量了更多的點(diǎn)。同樣所產(chǎn)生的誤差也就更明顯。

圖9 不同攪拌器運(yùn)動(dòng)模型的比較

圖9所表示的是對(duì)于不同型形的攪拌器扭矩與攪拌速度的演變過(guò)程。如圖所示，六平直葉圓盤(pán)攪拌器，六斜葉開(kāi)啟渦輪式攪拌器以及雙片渦輪板式攪拌器在演變過(guò)程中有些區(qū)間是重疊的；而對(duì)于錨式攪拌器，其演變過(guò)程則是完全不同的。對(duì)于后者，可以看出低攪拌速度對(duì)于扭矩的增長(zhǎng)更明顯。這說(shuō)明在低速攪拌時(shí)，錨式攪拌器能提供更多的攪拌動(dòng)能。因此，錨式攪拌器更適用于攪拌粘稠的混合物，如高聚合物等等。綜上，錨式攪拌器在所選型的四種攪拌器中具有較高的效率。

[1]陳登豐.攪拌器和攪拌容器的發(fā)展[J].壓力容器,2008,(2):33-41.

[2]華依青,攪拌器在化工單元設(shè)備中的選用[J].化工設(shè)計(jì),2004,(6):10-13.

[3]張平亮.攪拌器的選擇與設(shè)計(jì)[J].石油化工設(shè)備技術(shù),1996,(2):25-27.

[4]陳希志,謝明輝,周?chē)?guó)忠,等.24種攪拌器的功率曲線[J].化學(xué)工程,2010,(3):38-43.

[5]方鍵,桑芝富,楊全保.側(cè)進(jìn)式攪拌器三維流場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].石油機(jī)械,2009,(1):30-34.