新型组合桨混合特性研究

仝 源，靳兆文，上官震，王家成

（南京科技职业学院，江苏 南京 210048）

搅拌设备在石油、化工、医药、农药、食品、日用化学品与化妆品等流程工业中占工艺设备的比重较大，如在化工三大合成产品的生产中，搅拌设备占反应设备的90%，占整个工艺设备的5%～25%[1]。搅拌桨按流体流动的流型可分为径向流搅拌桨、轴向流搅拌桨。径向流搅拌桨在桨叶端产生强剪切作用，形成湍流扩散，有利于混合，但它同时也容易将反应釜的介质分成以搅拌器为界的上下两个循环区，通常情况下，区间混合时间是区内混合时间的10倍以上，结果使整个釜内的循环混合变的更加困难。而轴向流搅拌桨可使流体产生轴向流动，循环能力强，但剪切能力相比较弱，局部混合效果较差。为了充分发挥每个单型桨的优点，开发了混合流组合桨[2]。

1 新型组合桨介绍

本组合桨是由内桨和外桨两部分构成，如图1。内桨是倾斜45°的斜叶桨叶和变倾角推进桨构成，推进桨三个叶片角度不同，搅拌时使得液体混合越趋于湍流，物料分子之间接触几率增加，混合效率提高。外桨是一个框式桨，在框式桨的内部设有两层挡板，挡板随着外桨一起转动，既可以起到挡板作用，也可以对流体进行搅拌和剪切，辅助搅拌，同时又避免了静止挡板带来的滞留死区问题，有利于液体的混合，该搅拌桨聚集了轴向流搅拌桨和径向流搅拌桨优点。

图1 新型组合桨

2 新型组合桨实验研究

2.1 实验装置

本实验装置（如图2所示），外围是一个钢架，由第一层钢板平台6、第二层钢板平台8、钢板支架9、活动平板12以及平板托架13组成。第一层钢板平台主要用于固定电机、变频器安放测量显示仪器用；第二平台主要安装轴承；第三层为活动平板主要支撑有机玻璃罐11和玻璃缸10自身及其内部液体重量，活动平板放在平板托架13上，不固定，在钢板支架9下方焊接2层或多层平板托架13。可以根据实验有机玻璃罐11形状，以及实验观察需要，方便调节第三层活动平板与第二平台之间的间距。

搅拌系统有主搅拌系统和辅助搅拌测量系统组成。主搅拌系统主要由主电机1、联轴器2、主变频器3、搅拌轴5、搅拌器14和有机玻璃罐11组成。变频器3可以主控制电机1转速，便于测定各种转速下搅拌桨性能；被测搅拌桨14都设计成对开式的结构（如图2所示），便于快速拆卸与更换；采用有机玻璃罐11作为罐体，透明可以便于观察罐内物料的反应，测定反应时间以及混合的均匀度。

图2 搅拌实验装置图

2.2 实验介质、对比桨型

实验主要原料：羧甲基纤维素（CMC），牌号为FVH 6，配置成质量分数为4.0%的和1.5%两种水溶液，江苏张家港三惠化工厂产品。实验采用混合实验，用碘液褪色法测定，反应物为碘和硫代硫酸钠，采用混合时间测定方法来比较各种桨型的混合搅拌效率。

与组合桨对比实验的是标准的框式桨，其尺寸如图3所示，新型组合桨内桨参数如图4所示。

图3 框式桨

图4 内桨结构图

2.3 新型组合桨与框式桨在不同CMC溶液中对比实验

新型组合桨与框式桨对比实验见图5。

图5 1.5%WTCMC溶液两种桨型比较

从图5中看出，框式桨平均搅拌时间17.67s，组合桨平均搅拌时间为4.35s，比较可得组合桨比框式桨节约了75%的搅拌时间。这是由于组合桨内推进桨的整体混合加上层斜叶桨的剪切，使得液体湍流程度更高，加速混合效果。

从图6看出，在黏度4.0%WTCMC溶液中，框式桨平均搅拌时间63.35s，组合桨平均搅拌时间为11.53s。比较可得，组合桨比框式桨节约了82%的搅拌时间，组合桨更适合于高粘度溶液混合。

图6 4.0%WTCMC溶液两种桨型比较

2.4 组合桨内桨转速一定，在不同外桨转速中配比实验

由图7看出，组合桨内桨一定时，在黏度1.5%WTCMC溶液中，混合时间随外桨转速的升高而升高，当转速达到6.5r/min左右达到一定峰值，混合时间开始降低。这是由于外桨转速增加到一定程度，罐体内“柱状回转区”加大，内外桨搅拌液体步调一致，不利于混合；当再增加转速后会破坏这种回转区，罐内液体分子相互扩散加剧，混合效果又会改善。所以需要避开外桨为6.5r/min左右的转速，从而改善搅拌效果。

图7 1.5%WTCMC溶液，内桨48.8r/min，外桨在不同转速情况下的混合时间图

由图8可以看出，组合桨内桨一定时，在黏度4.0%WTCMC溶液中，混合时间随外桨转速的升高而升高，当转速达到6.8r/min左右时，混合时间开始降低，所以需要避开外桨为6.8r/min左右的转速，从而改善搅拌效果。液体粘度增加，内外桨产生的柱状回转区的转速有所提高。

图8 4.0%WTCMC溶液，内桨48.8r/min，外桨在不同转速情况下的混合时间图

2.5 组合桨外桨转速一定，在不同内桨转速中配比实验

在外桨 6.5r/min，内桨在 4.0%WTCMC和1.5%WTCMC溶液不同溶液、转速下的混合时间图如图9所示。在内桨50r/min时，混合时间有明显下降，当内桨转速达到65r/min时，随着内桨转速提高，物料湍流程度达到一定程度时，提高内桨转速混合时间未见明显变化。此时提高内桨转速缩短混合时间已没有意义，故在外桨6.5rpm时，内桨匹配最佳转速在50～60r/min之间。

图9 外桨在6.5r/min，内桨在不同溶液、转速下的混合时间

3 结论

通过上述实验，得出如下结论：

1）在黏度1.5%WTCMC溶液中，框式桨平均搅拌时间17.67s，组合桨平均搅拌时间为4.35s，比较可得，组合桨比框式桨节约了75%的搅拌时间，更加高效。

2）在黏度4.0%WTCMC溶液中，框式桨平均搅拌时间63.35s，组合桨平均搅拌时间为11.53s，比较可得，组合桨比框式桨节约了82%的搅拌时间，更加高效；高黏度溶液更能体现组合桨优势。

3）内桨48.8r/min时，外桨应避开6.8r/min左右的转速，从而改善搅拌效果；

4）在外桨6.5r/min时，内桨匹配最佳转速在50～60r/min之间。