仝 源,靳兆文,上官震,王家成
(南京科技職業(yè)學院,江蘇 南京 210048)
攪拌設備在石油、化工、醫(yī)藥、農藥、食品、日用化學品與化妝品等流程工業(yè)中占工藝設備的比重較大,如在化工三大合成產品的生產中,攪拌設備占反應設備的90%,占整個工藝設備的5%~25%[1]。攪拌槳按流體流動的流型可分為徑向流攪拌槳、軸向流攪拌槳。徑向流攪拌槳在槳葉端產生強剪切作用,形成湍流擴散,有利于混合,但它同時也容易將反應釜的介質分成以攪拌器為界的上下兩個循環(huán)區(qū),通常情況下,區(qū)間混合時間是區(qū)內混合時間的10倍以上,結果使整個釜內的循環(huán)混合變的更加困難。而軸向流攪拌槳可使流體產生軸向流動,循環(huán)能力強,但剪切能力相比較弱,局部混合效果較差。為了充分發(fā)揮每個單型槳的優(yōu)點,開發(fā)了混合流組合槳[2]。
本組合槳是由內槳和外槳兩部分構成,如圖1。內槳是傾斜45°的斜葉槳葉和變傾角推進槳構成,推進槳三個葉片角度不同,攪拌時使得液體混合越趨于湍流,物料分子之間接觸幾率增加,混合效率提高。外槳是一個框式槳,在框式槳的內部設有兩層擋板,擋板隨著外槳一起轉動,既可以起到擋板作用,也可以對流體進行攪拌和剪切,輔助攪拌,同時又避免了靜止擋板帶來的滯留死區(qū)問題,有利于液體的混合,該攪拌槳聚集了軸向流攪拌槳和徑向流攪拌槳優(yōu)點。
圖1 新型組合槳
本實驗裝置(如圖2所示),外圍是一個鋼架,由第一層鋼板平臺6、第二層鋼板平臺8、鋼板支架9、活動平板12以及平板托架13組成。第一層鋼板平臺主要用于固定電機、變頻器安放測量顯示儀器用;第二平臺主要安裝軸承;第三層為活動平板主要支撐有機玻璃罐11和玻璃缸10自身及其內部液體重量,活動平板放在平板托架13上,不固定,在鋼板支架9下方焊接2層或多層平板托架13??梢愿鶕嶒炗袡C玻璃罐11形狀,以及實驗觀察需要,方便調節(jié)第三層活動平板與第二平臺之間的間距。
攪拌系統(tǒng)有主攪拌系統(tǒng)和輔助攪拌測量系統(tǒng)組成。主攪拌系統(tǒng)主要由主電機1、聯(lián)軸器2、主變頻器3、攪拌軸5、攪拌器14和有機玻璃罐11組成。變頻器3可以主控制電機1轉速,便于測定各種轉速下攪拌槳性能;被測攪拌槳14都設計成對開式的結構(如圖2所示),便于快速拆卸與更換;采用有機玻璃罐11作為罐體,透明可以便于觀察罐內物料的反應,測定反應時間以及混合的均勻度。
圖2 攪拌實驗裝置圖
實驗主要原料:羧甲基纖維素(CMC),牌號為FVH 6,配置成質量分數為4.0%的和1.5%兩種水溶液,江蘇張家港三惠化工廠產品。實驗采用混合實驗,用碘液褪色法測定,反應物為碘和硫代硫酸鈉,采用混合時間測定方法來比較各種槳型的混合攪拌效率。
與組合槳對比實驗的是標準的框式槳,其尺寸如圖3所示,新型組合槳內槳參數如圖4所示。
圖3 框式槳
圖4 內槳結構圖
新型組合槳與框式槳對比實驗見圖5。
圖5 1.5%WTCMC溶液兩種槳型比較
從圖5中看出,框式槳平均攪拌時間17.67s,組合槳平均攪拌時間為4.35s,比較可得組合槳比框式槳節(jié)約了75%的攪拌時間。這是由于組合槳內推進槳的整體混合加上層斜葉槳的剪切,使得液體湍流程度更高,加速混合效果。
從圖6看出,在黏度4.0%WTCMC溶液中,框式槳平均攪拌時間63.35s,組合槳平均攪拌時間為11.53s。比較可得,組合槳比框式槳節(jié)約了82%的攪拌時間,組合槳更適合于高粘度溶液混合。
圖6 4.0%WTCMC溶液兩種槳型比較
由圖7看出,組合槳內槳一定時,在黏度1.5%WTCMC溶液中,混合時間隨外槳轉速的升高而升高,當轉速達到6.5r/min左右達到一定峰值,混合時間開始降低。這是由于外槳轉速增加到一定程度,罐體內“柱狀回轉區(qū)”加大,內外槳攪拌液體步調一致,不利于混合;當再增加轉速后會破壞這種回轉區(qū),罐內液體分子相互擴散加劇,混合效果又會改善。所以需要避開外槳為6.5r/min左右的轉速,從而改善攪拌效果。
圖7 1.5%WTCMC溶液,內槳48.8r/min,外槳在不同轉速情況下的混合時間圖
由圖8可以看出,組合槳內槳一定時,在黏度4.0%WTCMC溶液中,混合時間隨外槳轉速的升高而升高,當轉速達到6.8r/min左右時,混合時間開始降低,所以需要避開外槳為6.8r/min左右的轉速,從而改善攪拌效果。液體粘度增加,內外槳產生的柱狀回轉區(qū)的轉速有所提高。
圖8 4.0%WTCMC溶液,內槳48.8r/min,外槳在不同轉速情況下的混合時間圖
在外槳 6.5r/min,內槳在 4.0%WTCMC和1.5%WTCMC溶液不同溶液、轉速下的混合時間圖如圖9所示。在內槳50r/min時,混合時間有明顯下降,當內槳轉速達到65r/min時,隨著內槳轉速提高,物料湍流程度達到一定程度時,提高內槳轉速混合時間未見明顯變化。此時提高內槳轉速縮短混合時間已沒有意義,故在外槳6.5rpm時,內槳匹配最佳轉速在50~60r/min之間。
圖9 外槳在6.5r/min,內槳在不同溶液、轉速下的混合時間
通過上述實驗,得出如下結論:
1)在黏度1.5%WTCMC溶液中,框式槳平均攪拌時間17.67s,組合槳平均攪拌時間為4.35s,比較可得,組合槳比框式槳節(jié)約了75%的攪拌時間,更加高效。
2)在黏度4.0%WTCMC溶液中,框式槳平均攪拌時間63.35s,組合槳平均攪拌時間為11.53s,比較可得,組合槳比框式槳節(jié)約了82%的攪拌時間,更加高效;高黏度溶液更能體現(xiàn)組合槳優(yōu)勢。
3)內槳48.8r/min時,外槳應避開6.8r/min左右的轉速,從而改善攪拌效果;
4)在外槳6.5r/min時,內槳匹配最佳轉速在50~60r/min之間。