三相搅拌器叶片数和安装高度对搅拌效率的影响*

吴煜斌 郝惠娣 郭玉婷

(西北大学化工学院)

气液固三相的搅拌混合是指气体被通入液体时有固相溶解/生成，或三者都参与化学反应的过程，对于有气体排出的行为一般不需要搅拌。气液固三相的搅拌混合过程主要关注由搅拌器产生的流型，也就是容器中的气体分散受固体颗粒浓度和粒径分布的影响，同时固体颗粒的悬浮受气体速率和气泡大小的影响。三相搅拌器广泛应用于石油、化工及生物发酵等领域，影响搅拌效果的因素主要有电机转速、搅拌桨类型及反应物性质等[1]。

笔者认为搅拌桨叶片数对搅拌功率有影响，但搅拌功率并不是随着叶片数的增加而无限增大，而是存在一个最佳峰值。搅拌桨叶片数无穷大时，搅拌桨接近于圆柱，此时搅拌效果最差，因此，若能找到这个最佳叶片数，既能提高效率，又能降低成本。同时，笔者认为搅拌桨的安装高度也是一个影响搅拌功率的因素。对搅拌器内部的混合性能进行预测需借助计算流体力学方法进行模拟仿真。笔者利用Ansys CFX 12.0软件对涡轮搅拌器内的气液固三相混合性能进行数值模拟，考察在相同时间内，搅拌桨不同叶片数和安装高度对搅拌效果的影响规律，并找到搅拌效果最佳的叶片数和安装高度。

1 实验过程

1.1实验设备

三相搅拌器是底部加定子(气体分布器)的中心龙卷流型搅拌器，桨叶为直叶圆盘涡轮桨，底部安装有4块对数螺旋线导流板。桨叶安装高度L=280mm，搅拌器内径D=300mm，搅拌器高度H=400mm，液体高度H1=300mm，导流板高度H2=25mm，气体分散装置高度H3=35mm，入口直径D1=35mm，气体分散孔的直径为1mm。

三相搅拌器模型网格划分如图1所示。采用非结构四面体对网格进行划分，并对网格数量进

图1 三相搅拌器模型网格划分

行优化以满足流场分析的要求。对桨叶、螺旋导流板和槽壁面处采用Inflation处理使网格细化，以便更好地描述流场的流动性能[2]。

1.2实验方法

本实验主要探究搅拌桨叶片数和安装高度对搅拌效果的影响，因此采用控制变量法进行研究，即在物料相同、电机转速一定的情况下，通过改变叶片数N(6、10、14、22)和安装高度L(120、160、200、240、280mm)研究三相搅拌器的混合效果。最后用Origin绘出搅拌器内某一点固相体积分数的变化曲线，找出最佳搅拌桨叶片数和安装高度。

2 结果与分析

搅拌功率是指搅拌时单位时间内输入釜内物料的能量，它不包括在轴封和传动装置中损耗的能量。影响搅拌功率的因素很多，主要有几何因素和物理因素两大类，共包括4个方面[3,4]：

a. 搅拌器的几何尺寸与转速n。几何尺寸包括搅拌器直径d、桨叶宽度B、桨叶倾斜角、单个搅拌器叶片数及搅拌器安装高度等。

b. 搅拌器结构。包括容器内径D、液面高度H、挡板数、挡板宽度b及导流筒尺寸等。

c. 搅拌介质特性。包括液体密度ρ和粘度μ。

d. 重力加速度g。

雷建勇等已将容器内径D及挡板宽度b等对搅拌功率的影响归结到功率准数NP，并得到功率准数和雷诺数的关系[5]：

NP=4.5154Re-0.4631

对于粘度一定的液体，最佳搅拌桨叶片数和安装高度就是搅拌效果出现拐点的时候。

2.1搅拌桨叶片数

图2a给出了6种搅拌桨叶片数(6、10、14、18、22、26)在相同转速和搅拌时间(10s)内，相同位置观测点的固相体积分数变化情况，由图2a可知：固相体积分数在10s时随搅拌桨叶片数的增加而增加，但叶片数增加到22时，固相体积分数开始下降。由此可见，在某一阶段流体的湍动程度随叶片数的增加而增加，但叶片数增加到一定程度时，叶片之间的距离减小，叶片之间就会抵消相互产生的动能，因此搅拌桨叶片并不是越多越好。如图2b所示，在相同的电机转速下，随着叶片数的增加，桨叶周围的液相速度呈下降趋势，因此叶片增加有利于产生湍流，但同时会使液相速度减小。因此涡轮搅拌桨叶片数为22时，搅拌效果最佳。

a. 固相体积分数

同理，观察气相体积分数的变化(图3)得出了相同的结论，搅拌桨叶片数为22时，气相体积分数最大。

图3 气相体积分数随叶片数的变化曲线

2.2搅拌桨安装高度

图4为搅拌桨安装高度对搅拌器流场的影响，由图4可知：搅拌桨安装高度L=120mm时，搅拌器内形成两大稳定的循环流动，并在搅拌桨下方形成一个小型的低速环流区，此时搅拌流场稳定；搅拌桨安装高度L=200mm时，搅拌器内部循环流区域变小，液体流动速度减小，搅拌桨下部的低速环流区消失，槽内无法形成轴向环流，并在搅拌器底部出现回流现象[6]。在搅拌桨下部区域，流体从底部中心区域向上流动，而在此区域外是向下速度较大的液流，由伯努利方程可知该区域的压强会变小，导致速度减小。压强较大的底部中心区域的流体发生向上流动的现象，当到达叶轮附近后又随周围速度较大的流体向下流动[7]。

a. L=120mm

b. L=200mm

搅拌槽底部存在低速区，物料在此区域堆积，起不到混合的作用，这就要求在实际设计时尽量消除这一区域。增加安装高度可以减小这一区域，但距离底部固体过远也不利于固相的混合。在对不同安装高度的混合效果进行模拟之后发现，在此工作情况下存在一个最佳的安装高度，即160mm(图5)。

图5 固相体积分数随安装高度的变化曲线

由于搅拌器的中心龙卷流型会使其中心凹陷，导致气体很快到达液面，并使搅拌桨露出液面造成功率的浪费，因此对于气相的混合，搅拌桨安装高度越低越好，但也存在一个最佳高度，即160mm(图6)。

图6 气含率随安装高度的变化曲线

从图6还可以看出，搅拌桨安装高度L为280、240、200mm时，气相体积分数最后呈现稳定趋势，这是因为在这些高度下，观测点已露出液面。

3 结论

3.1搅拌器的搅拌功率不仅与搅拌器的几何尺寸、转速、搅拌器结构和搅拌介质特性有关系，还与单个搅拌器的叶片数和安装高度有关。在本气液固三相搅拌器中，经过实验发现，涡轮搅拌桨叶片数为22时，搅拌效果最佳。

3.2对于固相的混合，搅拌桨的安装高度太低会在底部产生一个低速区，使固相大量堆积；安装高度太高不利于固相的混合，因此存在一个最佳的安装高度，且这个高度不能太低。本实验中安装高度为160mm时搅拌效果最佳。

3.3对于气相的混合，中心龙卷流型太强会使气相到达液面的距离缩短，因此要采用较低的安装高度。本实验中安装高度为160mm时搅拌效果最佳。

[1] 张炎，黄为民.气泡大小对反应器内氧传递系数的影响[J].应用化工，2005，34(12)：734～736，740.

[2] Chung Kenneth H K, Simmons Mark J H, Barigou M. Angle- Resolved Particle Image Velocimetry Measurements of Flow and Turbulence Fields in Small- Scale Stirred Vessels of Different Mixer Configurations [J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2009, 48(2)：1008～1018.

[3] 王凯，虞军.化工设备设计全书——搅拌设备[M]．北京：化学工业出版社，2003．

[4] Perry R H．Perry化学工程手册[M]．北京：化学工业出版社，1992．

[5] 雷建勇，郝惠娣，翟甜.新型柱形圆盘涡轮搅拌桨性能的实验研究[J]. 化工机械，2014，41(3)：278～281.

[6] 苗一，潘家祯，牛国瑞，等．多层桨搅拌槽内的宏观混合特性[J]．华东理工大学学报(自然科学版)，2006，32(3)：357～360．

[7] 彭珍珍，赵恒文，郭聪聪，等．双曲面搅拌机流场的数值模拟研究[J]. 中国给排水，2009，25(19)：91～94.