搅拌器功率的常用计算方法
2017-03-24肖赞李利娟
肖赞+李利娟
摘 要：搅拌器功率的计算是设计搅拌设备的关键，文章对常用的几种搅拌器功率计算方法进行总结，并给出各自的适用范围。
关键词：搅拌器功率；搅拌设备；计算方法
1 搅拌器功率的概念
具有一定结构形状的设备中装有一定物性的液体，其中用一定型式的搅拌器以一定转速进行搅拌时，将对液体做功并使之发生流动，这时为使搅拌器连续运转所需要的功率就是搅拌器功率。
2 影响搅拌器功率的因素
搅拌器的功率与槽内造成的流动状态有关，所以影响流动状态的因素必然也是影响搅拌器功率的因素。如：
搅拌器的几何参数与运转参数：浆径dj，浆宽b，浆叶角度θ，浆转速n，浆叶数量z，浆叶离槽底安装高度c等等。
搅拌槽的几何参数：槽内径D，液体深度H，挡板宽度W，挡板数量z1，导流筒尺寸等。
搅拌介质的物性参数：液相的密度ρ，液相的黏度μ，还有重力加速度g等。
在研究搅拌器功率的时候，有两个重要的参数，雷诺准数Re和弗鲁德准数Fr的函数。其中Re=n·dj2·ρ/μ表示流体惯性力与粘滞力之比，Fr=n2·dj/g表示流体惯性力与重力之比。
3 几种常见的功率计算方法
搅拌设备常用的功率计算方法有公式法、算图法、实验推荐值法及按搅拌等级决定功率法等。
3.1 公式法
通用的搅拌功率计算公式为：
公式（1）适用于无挡板且300
最常用的计算功率准数NP的公式是永田进治公式，对于无挡板搅拌罐的情况，永田进治对双叶平浆或双叶斜浆得到如下的搅拌功率计算式：
永田公式的适用范围：在有挡板的情况下，永田公式可解决单层的二叶浆式、直叶涡轮、折页涡轮、盘式涡轮、锚式、框式等许多常用搅拌叶轮在全雷诺数域的搅拌功率问题；在无挡板情况下，还能用于多层浆式、直叶涡轮、折叶涡轮。
永田公式不适用的范围：不能计算弯曲形叶片，如三叶后掠式、布鲁马金式、螺带式和螺杆式等叶轮；对于低粘度物系不能用于有挡板情况下计算多层叶轮的搅拌功率。
由于永田公式基本上包含了常用的搅拌型式，所以对于永田公式适用范围外的搅拌型式的搅拌功率计算方法，本文不再做详细介绍。
3.2 算图法
除了用公式法计算功率准数NP之外，还可以利用算图法计算功率准数NP，进而求的搅拌功率。目前常用的算图方法主要有三种，Rushton算图、Bates算图和EKATO算图。Rushton算图主要给出了推进式、涡轮式和浆式搅拌器的NP算图，详见文献[3]中的图3-1；Bates算图主要给出了开启式涡轮、圆盘涡轮搅拌器的NP算图，且都是用于罐内有4块挡板的全挡板条件的，且d/D=1/3、C/D=1/3、H=D，详见文献中的图3-2；EKATO公司的算图详见文献[3]的图中的3-3，它给出了6片折叶开启式涡轮，锚式，锯齿圆盘涡轮等多种浆型的NP算图。
3.3 推荐值法
推荐值法是从搅拌作业功率的观点决定搅拌过程的功率。通过从生产和小型试验得到的功率数据（这些数据都和具体的搅拌过程、搅拌器型式相联系），来确定能满足这一功率要求的搅拌器的尺寸与运转参数，进而归纳总结，给出几种常用的搅拌过程对应的搅拌功率。
搅拌过程中的功率值不仅与液体宏观的循环流动相联系，而且与微观的流体动力过程相联系。液体的单位体积的平均搅拌功率的大小，常以用来反映搅拌的难易程度。同样一种搅拌过程，取液体单位体积的平均搅拌功率可参考文献[1]和文献[2]中NV的推荐值。
根据表中数据，只要操作时液体体积一定，就可求出某种搅拌过程所需要的搅拌功率。
文献[1]中单位体积物料的平均搅拌功率单位为马力/m3，搅拌用途亦较本表少3种，并规定了以上为推荐数据，且用于Re>104的涡轮搅拌器；而文献[2]则要求最小轴功率宜大于表中数据，但未规定Re的适用范围。尽管推荐值法在文献[1]中规定了适用于涡轮搅拌器，但事实上，对于更节省功率的推进式搅拌器来说，也是可以参考的。
3.4 按搅拌等级决定搅拌功率的方法
按搅拌等级决定搅拌功率的方法使用于涡轮（下转第179頁）式搅拌器。首先对多种搅拌过程按物料相态区分为三大类：互溶液体的混合（液-液相）、固相悬浮（液-固相）和气体分散（液-气相）。每种搅拌过程都有其要求的生产效果，如混合时间、传热速率、传质速率、固体溶解速度或气体吸收速度等，达到这一生产效果的搅拌作业功率的大小可以通过搅拌器在介质中搅拌时的所谓“动力特性”来作为一种表征。对于采用涡轮式搅拌器的这三类搅拌，按动力特性各自区分为10个等级，叫做搅拌等级，可查文献[1]给出的搅拌分级表。搅拌等级确定后再一一确定搅拌器型式、数量、浆径与转速、功率消耗、挡板条件等，然后根据这些条件算得搅拌功率。
根据以往的设计经验表明：对于Re>300的各种搅拌状态，其搅拌作业功率（气体扩散除外）均在表1推荐值范围内（即0.1～2KW/m3）。所以说，若所得单位体积物料的搅拌功率超出表1范围，便可能造成功率不足或浪费电能。
3.5 按搅拌过程求搅拌功率的算图
算图的用法简便，从液体容积值与液体粘度值连线，交于参考线Ⅰ上某点，由该点与液体比重连线，交于参考线Ⅱ上某点，将该点与某一搅拌过程连线，交于搅拌功率线，即可由此求得该过程的搅拌功率。知道了搅拌功率之后，即可按搅拌过程的特点选择搅拌器型式，选择浆叶尺寸与浆的转速。预定出这些数据后，用计算搅拌器功率的方法，试求出搅拌器的功率准数NP和搅拌器功率，应该使这个搅拌器功率适当地大于搅拌功率，而且最终选择的结果应该是浆型合理、规格合宜。
4 结语
上述介绍的几种搅拌器功率的计算方法各有利弊和局限性，我们在实际应用时，可具体情况具体分析，根据实际情况选择合适的计算方法。在依据经验和对比确定搅拌器功率的同时，亦可通过理论计算，得出搅拌器功率，并将计算所得作为一个重要的参考依据。
另外，现在流体力学的数值计算方法（CFD）已经非常成熟，利用流体仿真计算来测算搅拌器功率的方法，亦非常接近实际情况；用经验公式进行计算可以与数值计算进行相互间的验证，以保证结果更加接近实际应用情况。
参考文献
[1] 陈乙崇.搅拌设备设计.上海：上海科技出版社，1985.
[2] 化工部设备设计技术中心站.机械搅拌设备.北京：化工部工程建设标准编辑中心，1994.
[3] 王凯，虞军等.搅拌设备.北京：化学工业出版社，2003.
