几种常用型形搅拌器扭矩与搅拌速率线性关系的研究

孙 昊 孙 波

(天津现代职业技术学院，天津 300350)

前言

搅拌器是使液体、气体介质强迫对流并均匀混合的器件。搅拌器的类型、尺寸及转速，对搅拌功率在总体流动和湍流脉动之间的分配都有影响。搅拌作为过程工业的基础单元操作,被广泛用于化工、石油化工、医药、食品、生化、化妆品、胶粘剂、印刷油墨、油漆、涂料等工业,在单元操作中搅拌叫做“混合”(Mixing)。因此,搅拌器也叫做Mixer,或叫做Agitator, Stirrer[1]。

近年来, 搅拌器和搅拌容器获得飞速发展的同时,正面临着必须满足合理利用资源、节能降耗和对环境保护要求的严峻挑战[1]。通过对常用的几种型形的搅拌器的搅拌效率进行比较研究，以期总结搅拌器扭矩与搅拌速率的线性关系，为实际生产提供理论基础和数据支持。

1 实验设备

选用四种常用的搅拌器，如下所示：

六平直叶圆盘涡轮式搅拌器；

双片涡轮板式搅拌器；

锚式搅拌器；

六斜叶开启涡轮式搅拌器。

2 理论计算

为了确定搅拌器的搅拌效率，需要绘制Re-Ne线性关系图。在层流体系中， Re-Ne[2]关系方程如下 :

Ne=A.Rea， a = -1 (1)

式中：Ne — 牛顿数(能量传递因子)；

Re—雷诺数 ；

N—搅拌速度；

P—搅拌效率。

P=2πN.M (4)

经分析可知,IL—6、TNF—α、Hs—CRP、BNP水平随心功能等级增加而升高,且任何两组相比P<0.05,详见表2。

式中：M— 搅拌轴的扭矩。

依据上式，可以推导出有关牛顿数的简化方程[4]：

3 实验装置

实验装置主体为一个体积为1L的圆形容器，该容器装备了加热夹层，并有温度传感器用于调节加热功率；可调式电动机(最快转速1500转/分钟)；应变计(用于测量转抽扭矩)；整个实验装置利用实验室软件 Labworldsoft进行控制[5]。

4 测定流体性质

4.1 六平直叶圆盘涡轮式搅拌器

测定使用的流体为聚醚(EMkarox HV45)[3],其物理性质如下：

ρ =1077 kg/m3

μ = 5,1 Pa.s

其形状如图1所示：

图1 六平直叶圆盘涡轮式搅拌器

其各参数的测量结果如表1所示：

表1 六平直叶圆盘涡轮式搅拌器的各参数的测量结果

其Re-Ne线性关系图如图2 所示：

图2 Re 与 Ne的线性关系图(六平直叶圆盘涡轮式搅拌器)

4.2 双片涡轮板式搅拌器

其形状如图3所示：

图3 双片式涡轮板式搅拌器

其各参数的测量结果如表2所示：

表2 双片式涡轮板式搅拌器的参数测量结果

其Re-Ne线性关系图如图4所示：

图4 Re 与 Ne的线性关系图(双片涡轮板式搅拌器)

4.3 锚式搅拌器

其形状如图5所示：

图5 锚式搅拌器

其各参数的测量结果如表3所示：

表3 锚式搅拌器的各参数的测量结果

其Re-Ne线性关系图如图6所示：

图6 Re 与 Ne的线性关系图(锚式搅拌器)

4.4 六斜叶开启涡轮式搅拌器

其形状如图7所示：

图7 六斜叶开启涡轮式搅拌器

其各参数的测量结果如表4所示：

表4 六斜叶开启涡轮式搅拌器的各参数的测量结果

其Re-Ne线性关系图如图8所示：

图8 Re 与 Ne的线性关系图(六斜叶开启涡轮式搅拌器)

5 结论

依据所选型的所有搅拌器的雷诺数与牛顿数的线性关系图，可以看到它们的斜率近似为-1 。这说明实验结果与理论计算是相吻合的。其中的微小差别可以用实验误差来解释。其中，对于六平直叶圆盘涡轮式搅拌器和六斜叶开启涡轮式搅拌器来说，斜率为-1更具有现实意义，因为实验过程中测量了更多的点。同样所产生的误差也就更明显。

图9 不同搅拌器运动模型的比较

图9所表示的是对于不同型形的搅拌器扭矩与搅拌速度的演变过程。如图所示，六平直叶圆盘搅拌器，六斜叶开启涡轮式搅拌器以及双片涡轮板式搅拌器在演变过程中有些区间是重叠的；而对于锚式搅拌器，其演变过程则是完全不同的。对于后者，可以看出低搅拌速度对于扭矩的增长更明显。这说明在低速搅拌时，锚式搅拌器能提供更多的搅拌动能。因此，锚式搅拌器更适用于搅拌粘稠的混合物，如高聚合物等等。综上，锚式搅拌器在所选型的四种搅拌器中具有较高的效率。

[1]陈登丰.搅拌器和搅拌容器的发展[J].压力容器,2008,(2):33-41.

[2]华依青,搅拌器在化工单元设备中的选用[J].化工设计,2004,(6):10-13.

[3]张平亮.搅拌器的选择与设计[J].石油化工设备技术,1996,(2):25-27.

[4]陈希志,谢明辉,周国忠,等.24种搅拌器的功率曲线[J].化学工程,2010,(3):38-43.

[5]方键,桑芝富,杨全保.侧进式搅拌器三维流场的数值模拟[J].石油机械,2009,(1):30-34.