【正文】 ， r/s d 一葉輪的直徑， m 在離心泵中，壓頭 (揚(yáng)程 )就是離心泵對(duì)單位重量 (1N)液體所提供的有效能量，單位為 J/N 或 m。與離心泵葉輪的作用相似，攪拌器的葉輪在旋轉(zhuǎn)時(shí)既能使液體產(chǎn)生流動(dòng)又能產(chǎn)生用來(lái)克服摩擦阻力的壓頭。一般用速度頭的倍數(shù)來(lái)表示壓頭。液體離開葉輪的速度U nd? ，于是壓頭可表示為 ： 2 222uH n dg?? 式（ ） 式中 H 一 壓頭， m； u 一 液體離開葉輪的速度， m/s 由于攪拌器葉輪的排液量和壓頭均與離心泵的流量和壓頭存在相似的關(guān)系，所以攪拌器葉輪所消耗的功率 N 和離心泵的功率計(jì)算式相類似 ： N HQ? 式（ ） 把上三式綜合可得 ： 35N nd? 式（ ） 沈陽(yáng)航空 工業(yè) 學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 由上式可知，攪拌功率 消耗于液體在罐內(nèi)的循環(huán)流動(dòng)和剪切流動(dòng)兩個(gè)方面。不同工藝過(guò)程中液體流動(dòng)方式各異，兩種流動(dòng)所消耗的功率之比也各異，常常近似地用 Q/H 表示兩種方式所消耗功率之比。該比值對(duì)攪拌效果具有重要意義。 QdHn? 式（ ） 當(dāng)功率一定時(shí)， 35nd 也為定值，由此可得 ： 53nd?? 35dn?? 將上兩式分別代入 83Q dH? 85Q nH? 從上兩式可看出葉輪操作的基本原則，即 :在消耗相同功率的條件下，如采用低轉(zhuǎn)速、大直徑的葉輪，可用增大液體循環(huán)量和循環(huán)速度，同時(shí)減少液體受到的剪切作用，有利于宏觀混合。反之，如采用高轉(zhuǎn)速、小直徑的葉輪，結(jié)果與此相反。 所以初設(shè)定攪拌器的直徑 dj =800mm。 由于存在兩相問(wèn)題，固一液相攪拌問(wèn)題要比均相液體的攪拌復(fù)雜得多。這種攪拌過(guò)程對(duì)流動(dòng)狀態(tài) 的要求是使固體顆粒在液相中懸浮起來(lái)不沉降，這就是要求攪拌液流的上升速度大于固體顆粒的沉沈陽(yáng)航空 工業(yè) 學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 15 降速度。固體沉降速度的影響因素除了與固一液重度差、固體顆粒幾何形狀、固相在液相中的濃度等有關(guān)，還與攪拌時(shí)流體產(chǎn)生的湍流狀態(tài)有關(guān)。實(shí)驗(yàn)證明，固一液相攪拌過(guò)程中存在一個(gè)使固相懸浮的最低攪拌轉(zhuǎn)速，其計(jì)算公式如下。這個(gè)臨界速度與固液密度差、固液相密度、液相粘度、粒徑等物性條件有關(guān)。 21 3933 PcpPVn K D d V???? ??? ??? ? ? ??? ??? ? ? ?? ? ? ? ?? 式（ ） 21 639633 10200 3 ( 10 ) 10?? ??? ????? ? ? ?? ? ? ? ??? ? ? ? ?? ? ? ? ?? = 式（ ） 式中： K系數(shù)，與攪拌槽形狀、攪拌器形式與尺寸有關(guān)，約為200— 250； D攪拌槽的內(nèi)徑（ m）； dp固體顆粒直徑（ m）； ?? 固體顆粒與液體密度差（ g/cm3）； ? 液 體密度（ g/cm3）； ? 液體粘度（ cp）； VP固體顆粒的真實(shí)體積（ m3）； VP。 固體顆粒視體積（ m3）； 由于使固體充分混合在液體中所需要的流動(dòng)速度和實(shí)際需要速度差距很大，所以可以不考慮。 當(dāng)氣體從攪拌器下部通入攪拌槽內(nèi)，會(huì)形成逐漸增大的氣泡從槽底上升。當(dāng)進(jìn)行攪拌并將轉(zhuǎn)速提高到一定的程度時(shí)，在槳葉附近沈陽(yáng)航空 工業(yè) 學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 16 由于剪力和動(dòng)壓變動(dòng)的力使氣體分散為更小的氣泡，并隨著液體的循環(huán)流動(dòng)而散布 到槽的全部容積內(nèi)。氣泡的大小和數(shù)量決定了氣一液的接觸面積。液體單位體積中氣泡的表面積大小以及達(dá)到這一指標(biāo)所需的攪拌操作時(shí)間，可以作為氣一液攪拌的評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)于一定的攪拌槽和給定的氣體空槽速度，攪拌器有一個(gè)最低的使用轉(zhuǎn)速。同樣，在一定的攪拌轉(zhuǎn)速下氣體流速也有一個(gè)最適宜的范圍，在此范圍氣一液的分散效果較為理想。 粘度反映了流體運(yùn)動(dòng)時(shí)剪切應(yīng)力和剪切速度梯度的比值關(guān)系。攪拌器攪拌低粘度液時(shí)，在槽內(nèi)造成湍流狀態(tài)并不困難，但是當(dāng)粘度上升到一定數(shù)值，由于粘滯力的影響液體只能出現(xiàn)層流狀態(tài)，而且層流也只能出現(xiàn)在槳葉的附近，離 槳葉遠(yuǎn)些的高粘度液體仍然是靜止的。高粘度液體攪拌的首要問(wèn)題就是要解決液體流動(dòng)和循環(huán)的問(wèn)題 [5]。此時(shí)不能依靠增大攪拌轉(zhuǎn)速來(lái)提高攪拌器的循環(huán)流量，如果轉(zhuǎn)速過(guò)高還會(huì)在高粘度液體中形成溝流，周圍液體仍然為死區(qū)。若要使槳葉能夠推動(dòng)更大范圍的液體，在設(shè)計(jì)攪拌設(shè)備的過(guò)程中需要注意相應(yīng)增大攪拌器直徑與槽徑之比與槳葉寬度與槽徑之比，有時(shí)還需要增加攪拌器的層數(shù)，以增大攪拌的范圍。 以上各類攪拌過(guò)程存在一定的共性和各自的特點(diǎn)，攪拌槽內(nèi)對(duì)流循環(huán)的流動(dòng)狀態(tài)也有一定的差異，這些是由攪拌過(guò)程的目的及物料性質(zhì)所決定的 . 攪拌器的形狀 不同型式的攪拌器能夠提供不同的流動(dòng)場(chǎng)、供給相應(yīng)的能量，沈陽(yáng)航空 工業(yè) 學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 17 進(jìn)而達(dá)到一定的攪拌目的。攪拌器的攪拌作用是通過(guò)槳葉不停歇的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的，槳葉的形狀、尺寸、數(shù)量以及轉(zhuǎn)速都會(huì)不同程度地影響著攪拌器的功能。攪拌介質(zhì)的物性差異、攪拌器在攪拌槽內(nèi)的安裝位置以及攪拌器的工作環(huán)境，都會(huì)在一定程度上對(duì)攪拌器的功能產(chǎn)生影響。其中攪拌器的工作環(huán)境，包括攪拌槽的形狀尺寸、擋板的設(shè)置情況、物料的進(jìn)出方式等方面。攪拌介質(zhì)物性方面的因素已在上文加以了一定的闡述，本節(jié)將主要討論工作環(huán)境對(duì)攪拌器功能的影響。 設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)攪拌器 的過(guò)程中，務(wù)必考慮攪拌介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)、攪拌器與攪拌槽徑的幾何關(guān)系，以及攪拌器排出性能、剪切性能與混合性能等多方面的因素。 典型的機(jī)械攪拌器型式有槳式、渦輪式、推進(jìn)式、錨式、框式、螺帶式、螺桿式等。攪拌器按槳葉形狀可分為三類，即平直葉、折葉和螺旋面葉。槳式、渦輪式、錨式和框式等攪拌器的槳葉為平直葉或折葉，而推進(jìn)式、螺帶式和螺桿式攪拌器的槳葉則為螺旋面葉。 根據(jù)攪拌操作時(shí)槳葉主要排液的流向 (又稱流型 )，又可將攪拌器分為徑流型葉輪和軸流型葉輪兩類。平直葉的槳式、渦輪式是徑流型，螺旋面葉的推進(jìn)式、螺桿式是軸流型，折 葉槳面則居于兩者之間，一般認(rèn)為它更接近于軸流型。 沈陽(yáng)航空 工業(yè) 學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 18 平直葉單槳式 折葉槳式 圓盤渦輪式 推進(jìn)式 特殊框式式 （圖 ） 幾種典型的攪拌葉槳形式 平葉的槳面與運(yùn)動(dòng)方向垂直，即運(yùn)動(dòng)方向與槳面的法線方向一致。折葉的槳面與運(yùn)動(dòng)方向成一個(gè)傾斜角度。，一般 0 為 45“或 600 ,螺旋面葉是連續(xù)的螺旋面或者是其中的一部分，槳葉曲面與運(yùn)動(dòng)方向的角度逐漸變 化。 對(duì)于平直葉型攪拌器，由于槳葉的運(yùn)動(dòng)方向與槳面垂直，所以當(dāng)槳葉低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，流體的主體流動(dòng)為水平環(huán)向流動(dòng)。當(dāng)槳葉轉(zhuǎn)速增大時(shí)，流體的徑向流動(dòng)將逐漸增大，槳葉轉(zhuǎn)速越高，由平直葉排出的徑向流則越強(qiáng)，而此時(shí)槳葉本身所造成的軸向流仍是很弱的。對(duì)折葉攪拌器，由于槳面與運(yùn)動(dòng)方向成一定傾斜角 B,所以在槳葉運(yùn)動(dòng)時(shí)，除有水平環(huán)向流外，還產(chǎn)生軸向分流。在槳葉轉(zhuǎn)速增大時(shí)，沈陽(yáng)航空 工業(yè) 學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 19 還有漸漸增大的徑向流。螺旋面可看成許多折葉的組合，這些折葉的角度逐漸變化，所以螺旋面所造成的流向也有水平環(huán)向流、徑向流和軸向流，其中軸向流最大 。 在選擇攪拌器 時(shí)，應(yīng)考慮的因素很多，最基本的因素是介質(zhì)的粘度、攪拌過(guò)程的目的和攪拌器能造成的流動(dòng)狀態(tài)。由于流體的粘度對(duì)攪拌狀態(tài)有很大的影響，所以根據(jù)攪拌介質(zhì)粘度的大小來(lái)選型是一種基本的方法。一般隨著粘度的提高，各種攪拌器的使用順序?yàn)橥七M(jìn)式、渦輪式、槳式、錨式、螺帶式和螺桿式等。根據(jù)攪拌過(guò)程的目的來(lái)選擇攪拌器是另一種基本的方法。低粘度均相流體混合消耗功率小、循環(huán)容易，是難度最小的一種攪拌過(guò)程，只有當(dāng)攪拌槽的容積很大并且要求混合時(shí)間很短時(shí)才比較困難。由于推進(jìn)式攪拌器的循環(huán)能力強(qiáng)并且消耗功率小，所以最為適用。而渦輪式攪拌器因其 功率消耗大，其雖有高的剪切能力，但對(duì)于這種混合過(guò)程并無(wú)太大的必要，所以若用在大容量槽體的混合就不太合理。槳式攪拌器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在小容量流體混合中仍廣泛采用，但在大容量槽體混合時(shí)，其循環(huán)能力就有點(diǎn)不足了。 由于槳式攪拌器的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單，制造簡(jiǎn)便并易于表明其尺寸，故廣泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)中，并且由上表可知槳式攪拌器能夠滿足生化反應(yīng)中的對(duì)流循環(huán)混合和強(qiáng)化傳熱的要求，所以選擇槳式攪拌器。根據(jù)具體條件對(duì)比選擇大體形狀為如圖的形式攪拌器。 沈陽(yáng)航空 工業(yè) 學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 20 （圖 ）雙平直槳結(jié)構(gòu)示意圖 此類型為最基本的一種槳型，低速時(shí)為水 平環(huán)流型，層流區(qū)操作：高速時(shí)為徑流型。上下循環(huán)流，湍流強(qiáng)，適用于低粘度液的混合、分散、固體懸浮、傳熱、液相反應(yīng)等過(guò)程。μ＜ 2021cp， n=1－100rpm， V＝ 1－ 50m/s。 攪拌器的具體參數(shù)確定 功率的計(jì)算 任何一種型式的攪拌器在具有一定物性的介質(zhì)中以一定的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，必須依靠一定的動(dòng)力才能獲得理想的流動(dòng)狀態(tài)并完成操作達(dá)到預(yù)期的攪拌目的。攪拌過(guò)程中所需 要的的動(dòng)力就是攪拌器的功率。通常情況視達(dá)到攪拌目的所消耗的軸功率為攪拌過(guò)程從攪拌器得到的功率，而不討論這種能量供給的是否過(guò)多 或過(guò)少，是否為系統(tǒng)的最佳狀態(tài)。 沈陽(yáng)航空 工業(yè) 學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 21 攪拌器功率實(shí)際上包括著兩個(gè)不同而又有一定內(nèi)在聯(lián)系的概念，即攪拌器功率和攪拌作業(yè)功率。 以一定轉(zhuǎn)速運(yùn)行的攪拌器對(duì)攪拌介質(zhì)進(jìn)行攪拌時(shí)，對(duì)液體作功并使之發(fā)生流動(dòng)。使攪拌器連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)所消耗的功率就是攪拌器功率。攪拌器功率應(yīng)該是攪拌器幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)、物料物性參數(shù)以及攪拌器運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)等的函數(shù)，其中不包括機(jī)械傳動(dòng)與軸封部分所造成的動(dòng)力 消耗。 影響攪拌器功率的因素 攪拌器的功率與槽內(nèi)造成的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，影響流動(dòng)狀態(tài)的因素必然是影響攪拌器功率的因素。其中包括： 攪拌器的幾何參數(shù) 與運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)：槳徑 d、槳寬 b、槳葉角度 e、槳轉(zhuǎn)速 n、槳葉數(shù)量 2，槳葉距離槽底的安裝高度 c 等。 攪拌槽的幾何參數(shù)：槽內(nèi)徑 D，液體深度 H，擋板寬度 W，擋板數(shù)量 z,，以及導(dǎo)流筒的有關(guān)尺寸等。 攪拌介質(zhì)的物性參數(shù) :液相密度 p、液相粘度 cP、以及重力加速度 q 等。以上的許多參數(shù)都直接會(huì)對(duì)攪拌形成的流動(dòng)狀態(tài)以及攪拌器功率造成一定的影響。 根據(jù)前面所計(jì)算，初設(shè)定攪拌器的轉(zhuǎn)速 n=100r/min 計(jì)算攪拌器外緣線速度 ： ??n π d 1 0 0 3 . 1 4 0 . 8v = = = 4 . 1 8 7 m / s6 0 6 0 式（ ） 沈陽(yáng)航空 工業(yè) 學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 22 攪拌器旋轉(zhuǎn)角速度 ?? ? ?2 v 2 4 . 1 8ω 1 0 . 4 7 r a d / sd 0 . 8 式（ ） 雷諾數(shù) 的計(jì)算 攪拌過(guò)程中我們使用雷諾數(shù)來(lái)表示流體粘滯力對(duì)流動(dòng)的影響，以此表示液體的流動(dòng)狀態(tài)雷諾數(shù)。根據(jù)雷諾數(shù) Re 數(shù)值的大小范圍，攪拌槽流動(dòng)狀態(tài)可劃分為層流、過(guò)渡流和湍流等三種情況。 當(dāng)槳葉轉(zhuǎn)速很低 的時(shí)候， Re 的數(shù)值很小，流動(dòng)處于層流狀態(tài) 。加速后 Re 的值有所增大，在 Re 1030 的范圍內(nèi)，仍為層流 .當(dāng)轉(zhuǎn)速提高使得 Re=10 的時(shí)候，流動(dòng)為過(guò)渡流狀態(tài) .當(dāng)槳葉轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高至Re10 的時(shí)候，液體流動(dòng)呈現(xiàn)為湍流狀態(tài)。攪拌液體達(dá)到湍流狀態(tài)，液體的軸向流動(dòng)增加，攪拌的效果比較理想。所以當(dāng)流動(dòng)處于層流區(qū)域內(nèi)時(shí)，攪拌器功率與液體粘度成正比，與槳葉轉(zhuǎn)速的二次方、槳徑的三次方也都成正比。 Re 的數(shù)值在 3010 范圍的時(shí)候，攪拌處于過(guò)渡流區(qū)域 .此時(shí)的功率因數(shù)曲線隨著 Re 的變化而呈現(xiàn)出曲線狀的變化。在這一區(qū)域中，各種槳型 攪拌器的曲線并不一致，且存在比較大的差異。如果攪拌棺內(nèi)沒有安裝擋板，隨著 Re 數(shù)值的增大液面中心將出現(xiàn)漩渦。 2Re jnd ???? 式（ ） 1 0 0 0 . 8 0 . 0 9 9 8R e 7 . 9 9 6 30 . 9 9 8???? n攪拌器轉(zhuǎn)速（ rpm） 沈陽(yáng)航空 工業(yè) 學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 23 dj