如何确定工业化放大过程中搅拌器的放大

2016-09-18许龙浙江新农化工股份有限公司浙江仙居317300

化工管理 2016年21期

关键词：次方小试搅拌器

许龙(浙江新农化工股份有限公司，浙江　仙居　317300)

如何确定工业化放大过程中搅拌器的放大

许龙(浙江新农化工股份有限公司，浙江仙居317300)

本文简述了从实验室工艺到工业生产放大过程中，在生产操作效果不变的原则下，依据搅拌器的放大准则，如何进行搅拌器的放大。

操作效果；工业化放大；搅拌器放大；放大准则；

从化工行业的发展来看，各种新产品、新技术、新工艺，几乎都是从实验室研究开始的，但在实验室研究和工业化生产之间，由于物料投料、传质传热、设备形式等不同，都会带来不同的“放大效应”。如何消除或减弱放大效应的影响，搅拌器放大的确定就显得尤为重要，但所有的放大应保证在放大后操作效果不变准则下完成。

1　搅拌器放大准则

1.1保持搅拌的雷诺数（Re=nd2ρ/μ）不变

因放大前后物料相同，ρ（物料密度kg/m3，下同）、μ（物料粘度Pa·s，下同）不变，由此可导得小试和放大后的搅拌器之间应满足下列关系：

式中，n、d分别代表搅拌器的转速和直径，下标1、2分别代表小试和放大后情况。下同。

1.2保持叶端圆周速度Πnd不变

由此可导得：

n1d1=n2d2（1-2）；

1.3保持单位体积所消耗的搅拌功率P/V不变

在湍流时，搅拌功率正比于转速的3次方、搅拌的5次方，即P∝n3d5；而釜径是叶轮直径的一定倍数，这样釜的体积就正比于叶轮直径的3次方，即V∝d3。将上述两式相除，得（P/V）∝n3d2，所以单位体积的搅拌功率与转速的3次方、直径的平方成正比。

保持P/V不变，则有：

1.4保持传热膜系数相等

因此，对于给定的系统，可以在恒定的叶轮直径与不同转速下通过试验确定m的值。通常带夹套的搅拌釜，m为0.67；带蛇管的搅拌釜，m为0.5～0.67。要保持小试与放大后的传热膜系数相等，则由（1-4）式可得：

n2/n1=（d1/d2）（2m-1）/m（1-5）；

2　搅拌器经验放大法

2.1根据多年中试放大经验，对于没有热量传递的过程体系

对非均相系统中，如固体的悬浮、液滴的分散等，要求放大后单位体积的接触面积保持不变，可以采用单位体积搅拌功率不变的准则，按公式1-3计算进行放大；如要求固体颗粒更加破裂利于溶解、悬乳，则可以按照叶端圆周速度不变的准则，按公式1-2计算进行放大；依赖分散度的传质过程，比如气体吸收、液液萃取等，则可以按照搅拌的雷诺数不变的准，按公式1-1计算进行放大。

2.2在均相搅拌系统的放大中，有热量传递过程：

要使反应保持在适当的温度范围内，传热速率是最核心的控制因素。此时，采用传热膜系数相等的准则进行放大，不仅能使放大后具有和中试时同样的传热状态，而且也不过分改变其他变量（如P/V和nd）的大小。

例如，当m=0.65时，代入公式（1-5）中，得n2/n1=（d1/ d2）（2m-1）/m=（d1/d2）0.46（2-1）；

（1）按照P/V不变，将（2-1）代入（1-3）中，得（d2/d1）0.62；

（2）按照nd不变，将（2-1）代入（1-2）中，得（d2/d1）0.54；

由此可见，在保持传热膜系数相等的情况下放大，叶端圆周速度和单位体积所消耗的搅拌功率等重要变量的改变都不大，而这三者对间歇反应器是尤为重要的。

3　逐级放大试验

至于在搅拌过程中采用哪个准则放大比较合适，需通过逐级放大试验来确定，在几个（一般为三个）几何相似大小不同的试验装置中，改变装置的转速来进行试验，以获得同样满意的搅拌效果。比如，在原有试验仪器的基础上，在保持同样搅拌效果下，依次进行釜号三次放大1、2、3，以公式（1-1）为准则所得放大结果为n1、n2、n3；以公式（1-2）为准则所得放大结果n1d1、n2d2、n3d3；以公式（1-3）为准则所得放大结果、；

根据同组数据进行比较，哪一组数据变化最小，则说明三台试验设备在生产效果相同时，该放大效应影响最小，因此，确定用该种放大准则进行工业化生产放大。进而根据该种放大准则所对应的公式，推算出生产设备的所需直径和转速。