低黏度均相液液混合系统中两种搅拌器的对比分析

胡福恒

（中核第四研究设计工程有限公司，河北石家庄 050021）

低黏度均相液液混合系统中两种搅拌器的对比分析

胡福恒

（中核第四研究设计工程有限公司，河北石家庄 050021）

针对低黏度均相液液混合系统，从搅拌器的搅拌机理和常用搅拌器的结构类型方面进行详细论述，在相同混合时间下对两种搅拌器所需的转速、功率和扭矩进行了对比分析，提出了该类型混合系统中搅拌器的优选方案。

液液混合；搅拌器；转速；功率；扭矩

在化工和医药生产中，搅拌设备的应用非常广泛。搅拌槽内物料的混合均匀程度及混合速度是影响产品质量的重要因素，搅拌器所需转速和功率是搅拌设计的重要参数。搅拌器选用是否合理，将直接影响到搅拌效果和能耗，因此合理选用搅拌器在工程设计中是不可忽视的。对于低黏度液液混合系统，最常使用的是推进式搅拌器与折叶开启涡轮式搅拌器，本文对这两种搅拌器进行了结构型式方面的描述，并在相同的液液混合时间下比较两种搅拌器所需的转速、功率及扭矩。本文研究结果将为低黏度均相液液混合系统中搅拌器的选型提供参考。

1 均相液液混合系统的搅拌目的和机理

要合理地选用搅拌器，首先要了解搅拌目的和搅拌的混合机理。搅拌混合的目的概括起来可以分为二类：一是增强流体的循环流动能力；二是提高流体的湍动程度。对于均相液液混合系统而言，搅拌操作的目的实际上是使两种或两种以上的互溶物料达到分子级的均匀混合。若两种互相溶解的流体彼此掺合以后，首先两种液体被破碎成块团，随着搅拌过程的进行，块团尺寸逐渐减小，这个过程称为宏观混合过程。同时这两种流体间的扩散作用也将通过块团的边界进行，边界处的组成先发生变化，逐渐扩展至块团内部，最终达到两种液体分子级的混合，这个过程称为微观混合过程。对于低黏度的两种流体间的混合，两种物料块团间微观混合所需要的时间很短，因此，搅拌过程所需要的时间主要由宏观混合过程决定。因此对于湍流搅拌来说，只需研究宏观混合即可[1-2]。

混合效率和设备投资是选择搅拌器的重要依据。混合效率可以用混合时间和搅拌功率两个参数来表征。如要使不同的搅拌器在相同的混合时间下达到相同的混合效率，其搅拌转速、功率和扭矩必然会存在差异，而搅拌转速、功率和扭矩又会进一步影响设备的投资，所以笔者认为，混合效率和设备投资的评价可转化为相同混合时间下搅拌转速、功率和扭矩的研究。

2 常用搅拌器的结构类型

均相液液混合操作的对象是无明显分界面的两种液体，在混合过程中，对物料流动时的剪切速度要求不高，但要求达到充分的对流循环。当介质的混合黏度不大于0.2Pa·s时，可选推进式搅拌器和开启涡轮式搅拌器。

推进式搅拌器是一种典型的轴流式搅拌器，一般为3叶，广泛应用于低黏度流体的混合操作，在其旋转过程中，流体主要从轴向流出，对流体的剪切力很小，难以使高黏度流体充分搅拌混合。该搅拌器的容积循环效率高，在工作时能很好地使流体在随桨叶旋转的同时进行上下翻腾，很容易使低黏度流体处于湍流状态。推进式搅拌器的转速一般应在100～500r/min范围内[1]。

开启涡轮式搅拌器基本上是一种径流型搅拌器，其桨叶有平直叶、弯叶和折叶三种，平直叶对流体主要形成径向流，对液液混合系统的混合效率较差，还有一种弯叶，在搅拌中，此种叶片受损程度、消耗功率都低[5]。折叶开启涡轮式搅拌器的叶片倾角有30°、45°和60°三种，混合效果最好的是倾角为45°的叶轮搅拌器，其次是倾角为60°的叶轮搅拌器，最差的是倾角为30°的叶轮搅拌器。桨叶数量一般为4叶、6叶、8叶，桨叶数量越多，搅拌混合效果越好[2]。在工作时转速可高达300r/min，其桨叶边缘能对流体施加很强的剪切力。此种搅拌器也能在一定程度上使输出的流体沿轴向流动，改善了搅拌槽内的流体流动状态。同推进式搅拌器类似，折叶开启式涡轮也是一种高速型搅拌器，其工作时通常在搅拌槽内安装挡板。

图1 推进式搅拌器Fig.1 Propeller

图2 折叶开启涡轮式搅拌器Fig.2 Pitched blade open turbine impeller

3 搅拌器的对比分析

本文以3叶推进式搅拌器和8折叶开启涡轮式搅拌器（倾角45°）为例来比较两种搅拌器的各项数据。

某工程要求搅拌槽内两种互溶性物质进行混合，进料方式为中央进入式，并符合全挡板条件，物料参数如表1所示，要求完全混合时间在25s以内，两种物料无缔合作用。

表1 物料参数Tab. 1 The parameter of material

根据物料总体积可取搅拌罐直径1 200mm，静液面高度1.787m，取搅拌器直径为罐直径的1/3，则搅拌器直径dj=400mm。

日本永田进治等通过对实验数据进行分析，得到的结论是[3]：在给定搅拌器的结构尺寸和雷诺数Re ＞5×103的范围条件（即流体流动为湍流状态）下，完成液液混合操作所需要的时间Tm的计算公式如式（1）所示。

式中k——常数，可取k=0.092；

dj——搅拌器直径，mm；

D——搅拌槽内径，mm；

Nqd——排量特征数，无量纲；

Np——功率特征数，无量纲；

N——搅拌器的转速，r/s。

如采用3叶推进式搅拌器，查参考文献[2]中拉什顿算图（见图3，图中1号曲线为3叶推进式搅拌器雷诺数Re与功率特征数Np的关系曲线），暂取功率特征数Np=0.32，查常用叶轮的搅拌特性参数，取Nqd=0.43，根据式（1）可得：

取Tm=25s，则可得N=7.46r/s=448r/min

如采用8折叶开启涡轮式搅拌器，查参考文献[2]中拉什顿算图（见图3，图中2号曲线为8折叶开启涡轮式搅拌器雷诺数Re与功率特征数的关系曲线），暂取功率特征数Np=1.9，查常用叶轮的搅拌特性参数，取Nqd=0.87，根据式（1）可得：

图3 拉什顿算图Fig. 3 The abac of Rushton

取Tm=25s，则可得N=4.19r/s=251r/min

静液面高度与搅拌槽直径之比大于1.3，故采用两个搅拌器，如图4所示。两个搅拌器的总功率的计算公式如式（2）所示。

式中 P——搅拌器的总功率，W；

f——系数，无量纲；

Np——功率特征数，无量纲；

ρm——混合物料的密度，kg/m3；

N——搅拌器的转速，r/s；

dj——搅拌器的直径，m；

η——传动效率，无量纲，取0.88。

图4 搅拌示意Fig. 4 The diagram of stir

如单独采用两个3叶推进式搅拌器，层间距L与搅拌器直径dj的比值L/dj=1时，在湍流状况下，查参考文献[2]知f=1.36，则两个搅拌器所需的搅拌功率为：

如单独采用两个8折叶开启涡轮式搅拌器，层间距L与搅拌器直径dj的比值L/dj=1时，在湍流状况下，查参考文献[2]知f=2，则两个搅拌器所需的搅拌功率为：

扭矩的计算公式如式（3）所示。

在相同的混合时间Tm且层间距L与搅拌器直径dj的比值L/dj=1时，分别采用3叶推进式搅拌器与8折叶开启涡轮式搅拌器计算其转速、功率与扭矩，结果见表2。

4 分析与结论

结果表明，在相同的混合时间下，3叶推进式搅拌器所需转速高于8折叶开启涡轮式搅拌器，因此带动搅拌器的电动机极对数也低于后者。同时，3叶推进式搅拌器的扭矩低于8折叶开启涡轮式搅拌器，因此所需的转轴直径也低于后者。从能耗角度而言，3叶推进式搅拌器所需功率明显低于8折叶开启涡轮式搅拌器。推进式搅拌器的缺点在于叶轮的加工难度较高，但综合各种因素分析，对低黏度均相液液混合系统而言，推进式搅拌器优于开启涡轮式搅拌器。

表2 搅拌器计算结果对比Tab.2 The comparison between calculation results of agitators

[1]中国石化集团上海工程有限公司.化工工艺设计手册[M]. 第三版. 北京：化学工业出版社，2003.

[2]化工设备设计全书编辑委员会.化工设备设计全书·搅拌设备[M].北京：化学工业出版社，2003.

[3]山本一夫，永田进治.改订搅拌装置.别册化学工业[M]. 北京：化学工业出版社，1979.

[4]张志兵，戴干策，肖作兵.搅拌槽中四种浆型的混合效率[J].化学反应工程与工艺，1989，5（4）：104-108.

[5]华依青.搅拌器在化工单元设备中的选用[J].化工设计，2004，14（6）：10-14.

欢迎订阅《化工与医药工程》

（邮发代号4—910）

通讯地址：上海市延安西路376弄22号（永兴商务楼）11楼西 邮编：200040

订阅邮箱：1027288568@qq.com 电话：（021）32140428转122、108

Comparison and Analysis of Two Agitators Used in Low Viscosity Homogeneous Liquid-liquid Mixing System

Hu Fuheng
（The Fourth Research and Design Engineering Corporation of CNNC, Shijiazhuang 050021）

For low viscosity homogeneous liquid-liquid system, the mixing mechanism of agitator and the structures of commonly used agitators were described in detail in this article. Two agitators were compared with required rotary speed, power and torque in the same mixing time, and then the priority agitator for this mixing system was proposed.

liquid-liquid mixing; agitator; rotary speed; power; torque

TQ 051.7+2

：A

：2095-817X（2017）04-0038-004

2016-07-06

胡福恒（1984—），男，工程师，主要从事医药工程工艺设计及研究。