搅拌桨性能对比试验研究

范金迪，靳兆文，仝源

（南京科技职业学院智能制造学院，江苏 南京 210048）

随着石油化学工业、生物医药工程、食品行业的不断发展，搅拌反应器的应用越来越广泛。搅拌桨是搅拌反应器的核心部件，它的研究对于上述工业生产将会产生很大的推动作用［1］。在完成相应搅拌的过程中，使反应物充分融合，混合均匀，缩短反应时间和提升生产效率是研究人员一直努力的方向［2］。搅拌桨根据流体流动的形式可以分为径向流动和轴向流动的搅拌桨。径向搅拌桨具有强剪切和易形成湍流扩散优点，但它同时也容易将反应器内的介质分成以搅拌桨叶面为界的上下几个自循环区，区间混合容易，而几个混合区之间的混合困难，结果使整个反应器内的循环混合变得更困难。而轴向流搅拌桨在罐体内流体产生轴向整体流动，流体循环能力强，但微观的剪切能力弱，局部混合效果不好。混合流组合桨的提出可以集轴向流搅拌桨和径向流搅拌桨优点于一身，在高黏度流体搅拌中得到了较为广泛的应用［3-4］。

1 组合桨介绍

本文提出的组合桨是由内、外桨两部分组成，内桨是由倾斜30°的二叶斜叶桨和推进桨组成。推进桨安装在底部有利于将底部物料整体向上翻滚，便于罐体物料整体循环；上部二叶斜叶桨对罐体循环过来进行剪切，有利于物料分子之间细化，增加接触几率，提高混合效率。外桨是一个类似的框式桨。在框式桨的内部设有一层横向挡板，挡板固定在外桨上随着外桨一起转动，既可以起到横向挡板作用，也可以辅助对流体进行搅拌和剪切，还可以避免了静止挡板带来的液体滞留死区问题，有利于液体的混合。见图1。

图1 组合桨结构

2 搅拌桨实验研究

2.1 实验装置

本实验装置如图2所示，是由主搅拌系统和辅助搅拌测量系统两部分组成。主搅拌系统主要由主电机、主变频器、搅拌轴、搅拌器和有机玻璃罐等组成。变频器可以主控制电机1转速，便于测定各种转速下搅拌桨性能；透明有机玻璃罐可以便于观察罐内物料的反应，能够测定反应时间以及观察混合的均匀度。

图2 搅拌实验装置图

2.2 实验介质及对比桨型

实验主要原料：江苏张家港三惠化工厂产品羧甲基纤维素 （CMC），牌号为FVH 6，用来配置成质量分数为1.5%水溶液，模拟高黏度流体。实验采用碘液褪色法测定测定混合时间［5］，反应物为碘和硫代硫酸钠；搅拌功率在控制触屏上直接读出。

与组合桨对比实验的是标准的涡轮式搅拌桨、推进式搅拌桨和二叶斜叶桨，其图形如图3所示。

图3 对比搅拌桨结构图

2.3 不同桨型在CMC溶液中混合时间对比实验

从图4中看出，组合搅拌桨与涡轮式搅拌桨较斜叶桨和推进桨比较，在低转速情况下，混合时间短。但随着转速增加，推进式搅拌桨混合时间明显下降，因而推进式搅拌桨在高转速情况下更有利于物料混合。组合桨在160r／min以下，平均搅拌时间比涡轮式搅拌桨节省4.67s，混合效率提高25%；比推进式搅拌桨节省4.39s，混合效率提高23.7%；比二叶斜叶桨节省7.49s，混合效率提高34.6%。这是由于组合桨内推进桨的对流体的整体混合加上层斜叶桨的剪切，使得液体整体混合和微观湍流程度更好，提高混合效果，更适用于低转速高黏度流体混合。

图4 1.5%WTCMC不同桨型混合时间对比图

从图5看出，在1.5%WTCMC溶液中，常规桨型中，在转速相同的情况下涡轮式搅拌桨功率最大，推进式搅拌桨次之，斜叶桨最小。而组合桨比功率最小斜叶桨节省10%功率，比涡轮桨节省10.4%功率，比推进搅拌桨节省16.7%功率。

图5 1.5%WTCMC溶液不同桨型搅拌功率对比图

2.4 组合桨内桨转速一定，在不同外桨转速中配比实验

组合桨内桨转速一定，在不同外桨转速中配比实验，见图6、图7。

图6 1.5%WTCMC溶液，内、外桨在不同转速情况下的混合时间图

图7 1.5%WTCMC溶液内外桨在不同转速情况下的搅拌功率图

由图6看出，在1.5%WTCMC溶液中，组合桨在内桨转速一定时，混合时间随外桨转速的升高出现先降低后升高的情况，在外桨45r／min时达到均匀混合时间用时最少；在外桨转速一定时，混合时间随着内桨转速增大混合时间在内桨达到160r／min时出现峰值，因此内桨转速应避开160r／min峰值区域。这是由于开始搅拌时，罐体内有 “柱状回转区”，随着外桨转速增加，内外桨搅拌液体步调一致，“柱状回转区”未消除，不利于混合；当转速持续增加会破坏这种回转区，使得罐内液体分子扩散加剧，又会改善混合效果。因此我们需要避开外桨为160r／min左右的转速，从而改善搅拌效果。

由图7可以看出，在1.5%WTCMC溶液中，组合桨搅拌功率随着内桨和外桨转速的提高，功耗进一步增大；外桨转速为23r／min时功耗增速较慢，外桨为45r／min和68r／min时功耗增幅较快。

3 研究结论

1）在黏度1.5%WTCMC溶液中，在160r／min以下，组合桨混合时间比涡轮式搅拌桨节省4.67s，混合效率提高25%；比推进式搅拌桨节省4.39s，混合效率提高23.7%；比二叶斜叶桨节省7.49s，混合效率提高34.6%。

2）在黏度1.5%WTCMC溶液中，组合桨比功率最小斜叶桨节省10%功率，比涡轮桨节省10.4%功率，比推进搅拌桨节省16.7%功率。

3）组合桨在内桨转速一定时，在外桨45r／min时达到均匀混合时间用时最少；在外桨转速一定时，混合时间随着内桨转速增大混合时间在内桨达到60r／min时出现峰值，因此内桨转速应避开160r／min峰值区域，从而改善搅拌效果。

4）组合桨搅拌功率随着内桨和外桨转速的提高，功耗进一步增大，外桨转速增加，功耗增幅较快。