攪拌系統(tǒng)的設計與應用上

攪拌系統(tǒng)的設計與應用上

1國內關于攪拌設計的研究現狀從最初的非反應單位操作到后續(xù)攪拌裝置的應用，攪拌發(fā)揮了越來越重要的作用，關于攪拌的研究也越來越深入。根據傳統(tǒng)的概念,化學工業(yè)中工程技術人員的任務是開發(fā)、設計與操作,開發(fā)是研究步驟和將其經濟合理的連接;設計是研究合適的設備型式、性能與尺寸;操作是對生產過程的管理、運轉并改進以提高效率。作為攪拌設備的研制生產企業(yè),攪拌設計及其應用是主要任務。目前化工攪拌設備在化學、食品、造紙、石油、水處理、冶金等工業(yè)中均有廣泛的應用,并已經形成龐大的產業(yè),在世界范圍較有影響的知名企業(yè)如美國萊寧公司、德國EKATO公司等。很多研究者開始努力使攪拌設計在嚴密的理論指導下完成或將已有的經驗變成專家系統(tǒng)軟件成為科學一致的設計依據。美國著名混合設備公司之一的CHEMINEER公司就報道了擁有渦輪式攪拌設備設計AgDesign知識庫軟件;芬蘭的LAPPEENRANTA工業(yè)大學也發(fā)表數篇關于混合設備初步設計的知識庫論文。在國內,浙江長城減速機有限公司是攪拌技術開發(fā)與攪拌設備設計、制造的龍頭企業(yè),2006年負責起草了《攪拌器》行業(yè)標準,并于2008年11月承辦了第一屆全國工業(yè)攪拌技術會議。公司下設溫州市長城攪拌設備設計研究所,擁有比較完善的攪拌研究儀器設備,包括用于流暢測量的PIV以及LDV等技術及設備,CFD技術也得到了應用。攪拌設備屬于非標設備,設計過程包括工藝設計和機械設計,目前攪拌設計理論并不健全,以往的工作都是針對特定攪拌系統(tǒng)所進行的設計數據探索,致使很多文獻中出現各種攪拌器樣式以及采用諸多不同的設計計算公式,這也導致了目前大多數設計者依照自己的習慣和經驗設計,結果因人而異,缺少科學性和一致性,更無最佳可言。本文力求通過總結前人的豐富經驗,分析研究應用中的一些規(guī)律,形成與眾多實踐數據以及理論接近一致的設計原則,形成一個科學合理的設計思路供設計者遵循借鑒。當然這種設想需要通過一個過程來完成,這里只是開始的探索。2攪拌混合技術攪拌設備組成包括攪拌槽、旋轉軸及軸上的攪拌器、輔助部件(密封裝置、機架及槽內擋板等)。攪拌混合技術一直圍繞的兩個中心是:開發(fā)新型、高效攪拌設備;快速正確地選擇和設計攪拌設備。顯然,本文重點是第二項。下面對各個主要部分做綜合概括,并對某些環(huán)節(jié)加以適當的分析討論。2.1攪拌槽攪拌槽是盛裝被攪拌液體的容器,從避免停滯區(qū)、流動不暢區(qū)或固體沉降區(qū)考慮,一般不用錐底以及方形。2.2旋轉軸和軸上的攪拌2.2.1確定軸的基本尺寸很多文獻有關于旋轉軸的設計介紹,主要是確定危險截面處軸的最小尺寸,進行強度、剛度計算和校核、驗算軸的臨界轉速和撓度。單跨攪拌軸徑在單跨內各處相等,而懸臂攪拌軸的跨間和懸臂可等可不等。等直徑段可存在的最大最小直徑差在5%以內。旋轉軸最大扭矩發(fā)生在傳動側軸承處。確定實際直徑時還要考慮材料的腐蝕裕量,最后靠近標準軸徑。大部分攪拌設備生產企業(yè)都擁有相關設計軟件。旋轉軸與攪拌槽的相對位置包括頂入式、底入式、側入式、斜入式和偏置式等幾種。旋轉軸又分為剛性軸和柔性軸設計,剛性軸n≤0.7ncr,柔性軸n≥1.3ncr,柔性軸轉速通常大于800r/min,制成空心。通常質量越大,自身頻率越低;剛度越大,則自身頻率越高。要改變機械系統(tǒng)自身的頻率,改變剛性要比改變自身重量更容易。攪拌軸的允許轉速比列于表1。采用柔性軸應注意滿足以下條件:轉速要快;不得在氣體介質或氣液介質中使用;攪拌槽充液高度不應低于1/2容器直徑;單跨軸跨間段應是等直徑軸段,懸臂軸的跨間和懸臂兩個軸段的直徑也必須相等;軸計算長度內不應該裝有可拆聯軸器;軸上只允許安裝開啟渦輪式、圓盤渦輪式、推進式和三葉后掠式等轉速較高的攪拌器。攪拌系統(tǒng)的主件是攪拌器。下面對此做進一步說明。2.2.2種除塵器的組合使用攪拌器選型主要依據下述因素:攪拌目的;物料黏度;攪拌槽容積大小。攪拌目的:一是兩種或多種可互溶的液體彼此混合均勻,比如稀釋過程;二是使不互溶的液體混合,便如萃取、制備乳濁液,屬于傳質過程;三是使固體在液體中懸浮,如在液體中溶化固體顆粒,或從溶液中將固體結晶出來,或用固體吸附凈化液體以及將催化劑懸浮在液體中反應等;四是促進液體與容器壁之間的傳熱并防止局部過熱過冷。五是氣-液分散,氣-液-固三相混合,屬于傳質和化學反應過程。按照攪拌目的不同,根據每種攪拌器的特性加以分析選擇。物料粘度:一般認為,小于5Pa·s的液體為低粘度流體,5~50Pa·s的液體為中粘度流體,50~500Pa·s的液體為高粘度流體,大于500Pa·s的液體為超高粘度流體。各種攪拌器對應著不同的適用粘度。攪拌槽容積:攪拌槽容積范圍很廣,決定著攪拌器的尺寸以及數量等。應用最廣泛的攪拌槽是立式圓筒型頂入式,用于常壓或非常壓,配以擋板,通常L/D=1~1.3,最高可達到6。立式圓筒型或矩形斜入式,常用于3kW以下制成快裝可拆型。立式圓筒型或矩形側入式,用于大型儲油罐。攪拌器選型就是選擇流場和能量的匹配。除了極個別的情況以外,絕大多數普通液體攪拌操作都完全可以用槳式、渦輪式和推進式三種攪拌器完成,關鍵在于了解工藝過程對攪拌器中液體流型(軸向流、徑向流和切向流)、液體循環(huán)流量和剪切力大小幾方面的要求以及三種攪拌器可采用的具體構形,從而定出尺寸和轉速的合理配合,產生所要求的流量(用排量數Nqd表征)和剪切力(高的Np/Nqd),并估算出功率損耗。不同攪拌器產生的液體流型、液體循環(huán)流量和剪切力不同。液體混合作用是主體對流擴散(循環(huán)流量)、渦流對流擴散(渦流或湍流)和液體分子擴散這三種擴散混合作用的綜合,前兩種是宏觀混合,后一種是微觀混合(分子水平上的混合),攪拌設備中前兩種起主要作用。軸向流利于宏觀混合,適宜均相液體混合和沉降速度低的固體懸浮。徑向流適宜高剪切作用攪拌,氣-液和液-液分散及固體溶解。切向流在平槳轉速不大沒有擋板時出現,容易形成打旋,除了提高釜內壁對流傳熱系數外,對其它攪拌過程是不利的,無法產生軸向流,通常在層流區(qū)使用。關于循環(huán)流量和剪切力以及排量數等概念在相關文獻中有詳細介紹,本文從略。(1)槳式攪拌器槳式攪拌器結構簡單,一般由2塊平槳葉組成,是攪拌器中最簡單的一種,造價也最低。適用粘度范圍在50Pa·s以下,一般不超過2Pa·s使用,主要用于排出流是必要的場合,大葉徑,低轉速,用于液-液,固-液,不用于氣-液,可高粘度下多層使用。槳葉直徑與釜內直徑之比為0.35~0.8,一般取0.5~0.8倍;寬度一般為其長度的1/16~1/10;轉速10~150r/min,一般為20~100r/min或小于3m/s。轉速很低時可不加擋板。低速切線流,高速徑向流,折葉槳產生軸向流。宏觀混合效果好,在200m3以下的攪拌槽使用。(2)渦輪式攪拌器渦輪(透平)式攪拌器形式多,按照有無圓盤分為圓盤渦輪攪拌器和開啟渦輪攪拌器兩大類,葉輪有平直葉、折葉、后彎葉等。中等黏度50Pa·s以下使用。葉輪直徑與釜內直徑之比為0.2~0.5,以0.33為多。轉速一般400~800r/min,可低至10r/min,也可高達到1500r/min與電機同速或16m/s以下。在100m3以下的攪拌槽使用。折葉式可在1000m3以下攪拌槽使用。(3)推進式攪拌器推進式(螺旋槳)攪拌器,適用于低粘度2Pa·s以下。攪拌器直徑與釜內直徑之比為0.2~0.5,一般控制直徑不超過450mm。轉速為100~500r/min,一般取轉速200~400r/min,排除液體能力強,不適用于要求高剪切力的分散反應操作,在1000m3以下的攪拌槽使用。下面幾種攪拌器是針對高粘度或低雷諾數情況下的使用的。(4)錨式攪拌器攪拌物料粘度可達100Pa·s,容積小于100m3。攪拌器直徑與釜內直徑之比為0.9~0.98,常用轉速1~100r/min。高粘度時錨式比螺帶式混合效果差的多,而低黏度時切應力又不夠,軸向循環(huán)也很差,中間固體回轉部體積大,只用在對攪拌效果要求不高以傳熱為重要目的的場合。(5)錨框式攪拌器使用最高粘度達300Pa·s,常用轉速10~50r/min。(6)螺帶式攪拌器攪拌高粘度20~100Pa·s的流體,寬度為葉徑的5%~15%,分單雙、內外、螺帶螺桿等。內外相反,排量相等。螺距的高度約等于葉徑。用于50m3以下的場合。轉速不大于50r/min。(7)螺桿式攪拌器用于高粘度20~100Pa·s的流體,中央插入的螺桿式攪拌最好和導流筒配合使用,否則效果不好。轉速不大于50r/min。2.3輔助設備2.3.1各種密封裝置的標準根據工況和用戶要求,選擇合適的密封種類,釜用傳動密封包括液封、填料密封、機械密封以及磁力傳動密封,各種密封裝置都有相應的標準。當攪拌介質為劇毒、易燃、易爆或較為昂貴的高純度物料或需要在高真空狀態(tài)下操作,應采用磁力傳動密封。2.3.2該框架根據工況和攪拌設備設計的整體結構要求選擇標準機架或設計特殊機架。2.3.3下槽底—釜內擋板擋板配合攪拌器實現攪拌效果。嚴格的全擋板條件是:一般安裝4~6個擋板,寬度為槽徑的1/10或1/12,下端至槽底,上端露出液面。Re小于100或黏度大于50Pa·s時不設擋板。對于中等黏度液體(粘度高于20Pa·s),擋板應離壁置放(相距一個擋板寬度)避免出現停滯區(qū),擋板寬度可減小到原來的75%,較高粘度液體用擋板應傾斜置放,并將寬度減少到槽徑的1/20。2.3.4導流筒設計方案推進式和螺桿式葉輪常采用導流筒導流。通常直徑為槽徑的0.7倍,高度和螺桿相等或略高,導流筒上端要抵于靜液中心,且筒身開有槽或孔,采用導流筒要有幾個尺寸相等:筒內中心面積=對應筒外環(huán)型面積=筒上流過柱面面積=筒下流過柱面面積。3層流與過度流和多元復合相3.1攪拌功率準數隨雷諾數的變化對于不打旋系統(tǒng),攪拌功率準數在湍流區(qū)為常量,并且只與攪拌器構型有關,對此,很多學者借助試驗手段對一些攪拌器功率準數進行了實驗測量,也有關于攪拌器功率準數的理論計算研究。實際應用中,在過渡流區(qū)和層流區(qū)的攪拌也時有需要,其功率準數有不同于湍流區(qū)的特殊規(guī)律,了解和掌握這些規(guī)律,對攪拌研究和應用具有同樣重要的意義。湍流區(qū)攪拌功率計算公式:其中帶下劃線為常數,有時Np用K2代替,一些攪拌器的Np或K2在相關資料中可以查到。層流區(qū)攪拌功率計算公式:其中帶下劃線為常數,一些攪拌器的K1在相關資料中可以查到。將式(2)變型為:式(3)是層流區(qū)攪拌功率計算公式,和湍流區(qū)攪拌功率計算公式具有相同的型式,只是湍流區(qū)攪拌功率準數Np或K2在層流區(qū)換成K1/Re代入計算。以上結論是當Re<10的層流區(qū),忽略重力影響的結果。10<Re<104時為過渡流,功率準數隨雷諾數以及佛魯德準數復雜變化。通過觀察分析還可以發(fā)現,攪拌器在湍流區(qū)攪拌功率準數較大并不代表其在層流區(qū)攪拌功率準數也具有同等的水平。比如表2所列兩個攪拌器,編號1在湍流區(qū)功率準數比編號2大,而編號1在層流區(qū)功率準數卻比編號2小得多。表3是文獻介紹的幾種攪拌器的功率因子(K1/Re=Np;K2=Np),以K2從小到大排列為序。K1卻顯示了不同的規(guī)律。在過渡區(qū),功率準數值大部分介于層流區(qū)和湍流區(qū)之間,但也有例外,有些攪拌器功率準數在過渡區(qū)出現最小值。通過以下的分析我們來對上述現象加深理解。雷諾數物理意義是反映流體流動中慣性力與粘性力的對比關系。湍流區(qū),慣性力占主導地位;層流區(qū),粘性力占主導地位。在湍流區(qū),攪拌消耗的功率主要是克服慣性力,與主動力對宏觀流體在主動力驅動下的位移有關。在層流區(qū),攪拌消耗的功率主要是克服粘性力,與主動力驅動下流體運動波及的邊界摩擦有關。層流區(qū)的粘性力來自表面邊界的摩擦。邊界處的速度梯度最大,剪應力也最大。在層流區(qū),因為粘性力占據主導地位,影響攪拌功率的主要因素是系統(tǒng)中邊界的多寡,比如,無擋板比有擋板在層流時消耗更多的功率,導流筒的使用也增加功率損耗以及層流區(qū)的錨筐式攪拌器具有更大的功率準數都說明了這點,表2中的編號2在層流區(qū)功率準數的大幅度提高也反映了這一規(guī)律。正如Rushton算圖的結果,層流區(qū)的功率準數項一定是大于湍流區(qū)的功率準數項,攪拌過程在層流區(qū)克服粘性力時仍然要克服慣性力驅動流體位移。通常情況下,在過渡區(qū)也是如此,但也有例外,比如六直葉開啟渦輪全擋板、六彎葉開啟渦輪全擋板以及平直葉全擋板從層流區(qū)進入過渡區(qū)引起流體運動波及的邊界摩擦作用已經削弱,而在湍流區(qū)功率準數卻凸顯增加強烈,于是在過渡區(qū)出現凹陷現象。一般情況下,因為層流區(qū)功率準數隱含了湍流區(qū)功率準數的成分,所以湍流區(qū)功率準數大的攪拌器,其層流區(qū)功率函數也對應較大。特殊情況是,當某些特征因素對湍流區(qū)功率準數和層流區(qū)功率準數起相反的作用,比如六葉閉式渦流或有導流筒,閉式和導流這些特征對湍流功率準數都有減小作用,而這些特征對層流功率準數都有增大作用,所以自然出現反?，F象,其湍流區(qū)功率準數只有1.4,但層流區(qū)功率準數達到了極值。既然層流區(qū)攪拌器都具有較高的功率準數,設備啟動時都要經歷這個區(qū)間,是否影響正常運行呢?當然不會,影響攪拌功率的還有轉速,因為轉速以三次方影響功率,所以啟動時所經歷的層流區(qū)功率準數的增加還是微不足道的。3.2攪拌與均相液體系統(tǒng)單元理論上把任何狀態(tài)(固,液,氣和半液)下物料均勻的摻和在一起的操作稱為混合,但習慣上把固態(tài)物料之間摻和或者固態(tài)物料加濕的操作稱為混合,而把固態(tài),液態(tài)或氣態(tài)物料與液態(tài)物料混合的操作稱為攪拌。可見攪拌并非都用于非化學反應的均相液體系統(tǒng)單元操作,比如攪拌釜式反應器就是化學工業(yè)中廣泛采用的反應器之一,尤其在精細化學品的生產中,攪拌釜式反應器約占反應總數的90%。雖然攪拌功率準數的原始公式考慮了重力因素(通過佛魯德準數)以及多元因素(通過韋伯準數),但實際應用中,還是以簡化了的均相液體系統(tǒng)功率求導公式進行計算,用控制打旋來忽略重力,用求平均粘度以及平均密度來取代均相液體系統(tǒng)的對應值。值得注意的是多元復相時粘度及密度的計算方法。3.2.1散相平均粘度計算兩相的平均密度采用如下公式計算:ρav為平均密度;ρd為分散相密度;ρc為連續(xù)相密度;準為分散相的體積分數。兩相平均粘度采用下面的方法進行計算:當兩