張敬堯

中國石油化工股份有限公司齊魯分公司，中國·山東 淄博 255000

1 引言

論文利用試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵煤蛿?shù)據(jù)計(jì)算的方式確定了聚合釜攪拌系統(tǒng)的功率消耗情況，利用A、B、C 三種類型槳葉的功率結(jié)果，計(jì)算了攪拌過程中的各類型槳葉的彎曲應(yīng)力，通過應(yīng)力的大小進(jìn)一步確定了鋁制聚合釜槳葉安全厚度，利用計(jì)算結(jié)果制定最佳的槳葉更換周期方案，彌補(bǔ)了美國杜邦工藝對聚合釜攪拌器槳葉在腐蝕后更換標(biāo)準(zhǔn)的空白，為設(shè)備正常運(yùn)行及備件的高效使用提供了理論依據(jù)。

2 聚合釜結(jié)構(gòu)

釜體為純鋁制造，攪拌器由攪拌軸和攪拌槳葉組成，攪拌槳葉共三層葉片，均為純鋁制造，從上至下依次為A 型、B 型、C 型。

A 型槳葉屬于折頁槳，安裝在攪拌軸最上側(cè)，槳葉葉片數(shù)量為4，槳面與運(yùn)動(dòng)方向夾角θ 為30°槳葉寬度為150mm，槳葉總長740mm，厚度為27mm。主要提供水平環(huán)流和軸向分流，只有少量的徑向分流。

B 型槳葉也是折頁槳，安裝在攪拌軸中間，槳葉葉片數(shù)量為4，槳面與運(yùn)動(dòng)方向夾角θ 為45°，槳葉寬度為143mm，槳葉總長1194mm，厚度為50mm。主要提供水平環(huán)流、軸向分流和徑向分流。

C 型槳葉為平槳，安裝在攪拌軸最下層，槳葉葉片數(shù)量為4，槳面與運(yùn)動(dòng)方向夾角θ 為90°，槳葉寬度為150mm，槳葉總長1194mm，厚度為50mm。主要提供水平環(huán)流和徑向分流[1]。

3 攪拌器功率計(jì)算

3.1 影響攪拌功率因素

攪拌器的功率與釜內(nèi)形成的液體流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，所以影響流動(dòng)狀態(tài)的因素必然也是影響攪拌器功率的因素。而對于密度一定的牛頓型流體，攪拌功率P 的一般表達(dá)式如下：

Np為功率準(zhǔn)數(shù)（雷諾準(zhǔn)數(shù)Re 和弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)Fr 的函數(shù)）。

3.2 全擋板條件驗(yàn)證和雷諾準(zhǔn)數(shù)計(jì)算

試驗(yàn)證明，當(dāng)擋板的條件符合下式時(shí)攪拌器的功率最大，這種擋板條件叫做全擋板條件，符合全擋板條件的攪拌器Fr 數(shù)的影響可以忽略不計(jì)。一般認(rèn)為，當(dāng)取4 塊擋板，其寬度時(shí)，即可認(rèn)為是接近全擋板條件。經(jīng)計(jì)算本釜符合全擋板條件，計(jì)算中可以忽略Fr 數(shù)的影響。而雷諾準(zhǔn)數(shù)Re根據(jù)下式計(jì)算：

Re=n·dj2·ρ/μ

3.3 確定功率因數(shù)Np

Bates 算圖提供了開啟式渦輪和圓盤式渦輪的計(jì)算依據(jù)。

初步利用Bates 功率曲線，查找確定對應(yīng)的Np值。本釜擋板數(shù)量為4 塊，所使用的A、B 型槳葉屬于折葉開啟渦輪，C 型槳葉屬于平直葉開啟渦輪。觀察Bates 曲線圖，在Re＞104以后，曲線功率準(zhǔn)數(shù)Np趨于恒定。根據(jù)聚合釜雷諾準(zhǔn)數(shù)，分別取各槳葉對應(yīng)的功率準(zhǔn)數(shù)Np值如下：

A 型：NpA1=5

B 型：NpB1=1.5

C 型：NpC1=2.5

3.4 功率因數(shù)Np 的相關(guān)修正

Bates 功率曲線是建立在相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上的，但在試驗(yàn)中所使用的攪拌器尺寸條件等與本論文中聚合釜實(shí)際尺寸還有很多不一致的地方。因此，需要對初步選定的功率準(zhǔn)數(shù)Np進(jìn)行一系列的修正，以保證最終計(jì)算出的結(jié)果符合實(shí)際情況。

3.4.1 對葉片角度進(jìn)行修正

對照相關(guān)表可以看到，A 型槳葉選擇了的對應(yīng)Bates 圖的2 號(hào)曲線，但2 號(hào)曲線在Bates 試驗(yàn)中為平直槳葉，即與運(yùn)動(dòng)方向夾角θ=90°，而A 型槳葉的夾角θ=30°，因此需要對所選擇的功率準(zhǔn)數(shù)NpA1作出修正。

在湍流區(qū)，即Re 數(shù)較大時(shí)，攪拌功率隨θ 角的增減變化較為明顯，其關(guān)系式如下：

帶入θ=30°，便得出經(jīng)過角度修正之后的NpA2。

B 型和C 型槳葉由于所選角度與Bates 試驗(yàn)中一致，因此不用進(jìn)行修正。從而有：

3.4.2 槳葉葉片數(shù)量修正

Bates 曲線使用的槳葉葉片數(shù)量均為6 片，而聚合釜單層槳葉葉片數(shù)量為4。因此需要進(jìn)行葉片數(shù)量修正。在全擋板條件下，圓盤渦輪槳槳葉的葉片數(shù)與功率準(zhǔn)數(shù)之間有如下關(guān)系：

因此將z=4 帶入上式中，便可得到進(jìn)行槳葉葉片數(shù)量修正之后的功率準(zhǔn)數(shù)NpA3=1.566，NpB3=1.08，NpC.3=1.8。

3.4.3 槳葉直徑的修正

Bates 曲線中的dj/D=1/3，而對比聚合釜的三種槳葉，只有A 型槳葉與曲線數(shù)據(jù)相符，因此B、C 型槳葉都要進(jìn)行修正。平槳與渦輪槳在湍流狀態(tài)下通過下式修正，修正后功率準(zhǔn)數(shù)NpA4=1.566，NpB3=0.609，NpC.3=1.015。

3.4.4 槳葉寬度修正

Bates 曲線的槳寬和槳直徑之比b/dj分別是0.2、0.125和0.125。而實(shí)際聚合釜三種槳葉對應(yīng)的槳寬和槳直徑比與曲線中所用槳葉一致，因此三種槳葉均不必對槳寬進(jìn)行修正。

3.4.5 槳葉安裝高度修正

對于有擋板的攪拌槽內(nèi)，攪拌所需動(dòng)力受攪拌槳葉安裝高度的影響，會(huì)有一定的變化。參照無擋板高粘度物料攪拌功率隨c/D 變化趨勢的分析及帶鉤窄葉槳隨c/D 變化表，考慮到聚合物淤漿底部可能會(huì)有體積相對較大的聚合物疤塊存在，從而會(huì)影響到局部的密度和粘度，因此其所消耗功率應(yīng)相對均一的溶液要稍大些，各種類型槳葉c/D 值依次為：A 型0.68，B 型0.45，C 型0.18。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)特點(diǎn)，分別取修正系數(shù)0.7、1.0、1.2，修正后功率準(zhǔn)數(shù)NpA5=1.096，NpB5=0.609，NpC5=1.218。

3.4.6 料層高度的修正

在湍流區(qū)，料層高度對功率準(zhǔn)數(shù)的影響隨著Re 數(shù)的增大而明顯。雖然在Re 數(shù)大時(shí)，功率準(zhǔn)數(shù)Np值隨著料層高度H 的增大而增大，但當(dāng)H 增加到一定數(shù)值后，Np值的變化便趨于緩和，最后成為一個(gè)定值。浙江大學(xué)針對六葉渦輪槳葉做過有擋板和無擋板情況下Np與H/D 的關(guān)系曲線，根據(jù)曲線本聚合釜W/D%=10.3%，由此可以初步判斷實(shí)際的聚合釜Np值與Bates 曲線中查詢得到的Np值相差不多，因此對于料層高度帶來的影響可以忽略，不必對功率準(zhǔn)數(shù)進(jìn)行修正。

3.4.7 槳葉層數(shù)和間距系數(shù)修正

Bates 試驗(yàn)曲線是建立在單層槳葉的基礎(chǔ)上的，當(dāng)攪拌器上安裝了多層槳葉的時(shí)候，攪拌功率的計(jì)算不應(yīng)簡單考慮單個(gè)槳葉情況，應(yīng)綜合考慮槳葉的層數(shù)和間距，并進(jìn)行修正。

對于本聚合釜，A、B 型槳葉間距約為0.93m，B、C型槳葉間距約為0.8m。經(jīng)過計(jì)算得到修正系數(shù)分別為1.0、0.74、0.74，修正后功率準(zhǔn)數(shù)為NpA6=1.096，NpB6=0.45，NpC6=0.90。這樣經(jīng)過功率準(zhǔn)數(shù)的初選和一系列修正之后，現(xiàn)可以標(biāo)記各攪拌槳葉對應(yīng)的功率準(zhǔn)數(shù)為NpA=1.096、NpB=0.45、NpC=0.90。

3.5 實(shí)際功率確定

確定了功率準(zhǔn)數(shù)后，利用式1 可以求得攪拌功率為PA=3.7(kw)、PB=16.6(kw)、PC=33.3(kw)。通常由于攪拌器功率計(jì)算所用的各種公式、數(shù)據(jù)存在一定誤差，同時(shí)考慮到操作因素、設(shè)備制造誤差以及物料性質(zhì)數(shù)據(jù)的誤差等，在確定點(diǎn)擊功率時(shí)還應(yīng)乘以備用系數(shù)K1，一般K1=1.3~1.8。由于聚合釜電機(jī)的總功率會(huì)相對較大，同時(shí)各種影響因素本次計(jì)算考慮得較為周全，K1 數(shù)值不必選擇特別大；但考慮到在確定功率準(zhǔn)數(shù)Np 時(shí)，進(jìn)行修正的系數(shù)比較多，各參數(shù)也會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，因此將備用系數(shù)K1 選擇為1.5[2]。

使用計(jì)算得出的功率進(jìn)行修正后分別得出各槳葉的功率：

PA′= PA·K1=5.55(kw)

PB′= PB·K1=24.9(kw)

PC′= PC·K1=49.95(kw)

4 槳葉強(qiáng)度計(jì)算

對于聚合釜A、B、C 三種類型槳葉，工作中所受彎曲應(yīng)力最大同時(shí)也是危險(xiǎn)系數(shù)最高的為C 型槳葉。C 型槳葉屬于平直葉開啟渦輪槳，其槳葉截面為矩形，攪拌時(shí)液體阻力作用在槳葉上，使槳葉產(chǎn)生彎矩，最大彎矩出現(xiàn)在輪轂處的槳葉根部，由于葉片數(shù)為4，所以每片葉片所受彎矩值為槳葉所受扭矩的四分之一。因此，可得知：

由于實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境并非理想化，釜內(nèi)物料密度可能會(huì)變化較大，同時(shí)還有可能產(chǎn)生大量的自聚疤塊對槳葉攪拌過程產(chǎn)生沖擊。同時(shí)，也考慮到槳葉可能的生產(chǎn)缺陷，因此需要使用安全系數(shù)對槳葉強(qiáng)度進(jìn)行修正。

同時(shí)考慮到腐蝕裕度問題，需要再在計(jì)算結(jié)果上加1mm。這樣便算出安全系數(shù)為4 的情況下C 型槳葉的安全厚度是38.3mm。同樣方法計(jì)算出A、B 型槳葉的安全厚度分別是18.6mm 和33mm[3]。

5 結(jié)語

為了保障實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行避免非計(jì)劃停車，同時(shí)最大限度地保障設(shè)備附件的安全，確定最佳的運(yùn)行周期，經(jīng)過計(jì)算，A、B、C 型槳葉的安全運(yùn)行厚度為18.6mm、33mm、38.3mm。

由于釜內(nèi)物料對鋁制槳葉會(huì)緩慢腐蝕，如發(fā)現(xiàn)槳葉厚度已經(jīng)接近計(jì)算的極限厚度，槳葉隨時(shí)有可能會(huì)被折彎損壞，為了保障生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)實(shí)際檢測到槳葉厚度即將減薄至安全厚度時(shí)，需及時(shí)對槳葉進(jìn)行更換。