1.2.1 搅拌槽
搅拌槽是以搅拌桨的机械运动,推动设备内物料运动,使物料混合、交换,而达到物料均匀化的设备。搅拌槽在化工等过程工业中执行物理类的操作,也常作为化学反应器使用。图1.2所示的搅拌槽的构成部件中,最重要的是搅拌桨1和搅拌轴2。还有一些辅助部件,也各有其功能,例如挡板3、气体分布器4(或加料器),以及换热器(盘管、夹套等,未画出)。工程上按其在工艺流程中的作用,搅拌槽的构型也是多种多样的。
图1.2 搅拌槽示意图
1—搅拌桨;2—搅拌轴;3—挡板;4—气体分布器
1.2.1.1 搅拌桨
搅拌槽的关键部件是搅拌桨(也称为叶轮):搅拌桨固定安装在搅拌桨轴上,由电动机通过减速机带动搅拌桨旋转,推动槽中流体的复杂流动,从而实现搅拌槽内的物料混合。
搅拌桨可大致分为轴流桨、径向流桨和向心桨3类,此外还有许多变形和组合,例如宽叶桨和组合桨。
(1)轴流桨 其特征是桨旋转产生的液体流动是沿旋转轴的轴线方向的。包括螺旋桨、斜叶桨以及它们的变形。螺旋桨设计基于叶片各处的螺距为常数的理念,由于叶片表面各点的径向位置不同,因此要求桨叶倾角从叶尖向轴的方向上逐渐增大,这样理论上叶片上不同径向位置的轴向排液线速度(m/s)相等[图1.3(a)]。由于桨叶的宽度也可以变化,因此桨的排液速率(m3/s)与桨叶设计、挡板以及转速等操作条件有关,不一定是常数值。斜叶桨的桨叶多数为平直板状,制造和装配简单,应用也很广泛[图1.3(b)],桨叶的倾角为定值,因而轴向排液速度是沿叶片径向逐渐增大的。
(2)径向流桨 此类桨旋转产生的是垂直于旋转轴的径向流动,也常称为径向桨,或径流桨。典型的桨型有直叶涡轮桨[Rushton桨,图1.4(a)]、平桨[图1.4(b)]以及它们的变形。由于它们桨叶的母线都平行于搅拌桨轴,所以桨叶仅推动流体做旋转运动,在离心力的作用下,流体也沿半径方向向外流动,形成径向流的基本特征。径向桨产生比轴流桨强得多的剪切作用,有利于流体的混合和离集尺度的减小,但它消耗的功率也远大于可比的轴流桨。
图1.3 螺旋桨和斜叶桨
桨叶形状可带来附加的作用和功能。曲面桨叶(母线仍与搅拌桨轴平行),如后掠式平桨,能降低搅拌功率。以半圆管、半椭圆管为桨叶也能减低功耗,它们每一片桨叶的形状和尺寸是关于桨平面对称的,所以不产生轴向流动。穿孔桨叶和桨叶边沿的锯齿有减少能耗、强化湍流的双重作用。
通常搅拌桨的结构是绕旋转轴轴对称的,使桨的旋转惯性矩的中心在旋转轴上,以免搅拌桨转动时发生振动。搅拌桨的主体部分也常常是上下对称的。但是有研究表明,桨叶上下不对称设置的错位桨[图1.4(c)]确有额外的好处。桨叶上下错位布置,使桨平面上下的流体交换并使湍流增强,混合时间缩短,错位桨的功率输入对通气最不敏感,在气液体系中的效率优于传统Rushton桨(王涛,2009;Yang FL,2015)。与标准Rushton桨相比,相同转速时,错位桨能减小尾涡尺寸、降低搅拌功耗(杨锋苓,2016)。错位桨仍然保持了一定程度的旋转对称性,圆盘上半和下半所受力矩也相等,因此其机械结构的设计是可行的。
图1.4 几种径向流桨
(3)向心桨 此类桨旋转产生的液体流动是向心的径向流(杨超,2009),如图1.5所示,桨叶有迎向旋转方向的偏角,迫使流体沿桨叶向搅拌轴流动。实验表明,向心流动有利于降低能耗、减少混合时间和改善液固混合状况(王涛,2011)。将向心桨和径向流桨组合,能形成两桨范围的大循环,反应器内的整体混合性能将会大大提升。
图1.5 向心桨
(4)宽叶桨 此类桨多数用于高黏度流体的混合。因为高黏度,所以桨转动受的阻力大,搅拌功率过高,而且搅拌桨产生的剪切能传递的距离也缩短,小尺寸、高转速桨不能胜任高黏度流体混合的任务。一般采用桨叶宽大、桨叶扫过体积大的低转速桨型,将搅拌作用直接分配到反应器内的各处。属于轴流桨和径向流桨的都有。典型、常用的搅拌桨形式有锚式桨、螺带桨、框式桨、泛能式桨、叶片组合式桨、最大叶片式桨等,它们的共同特点是桨径大小与设备直径接近(图1.6中有部分图示)。最大叶片式桨(Maxblend)适用黏度范围宽(10-3~100Pa·s),其能耗低,混合效率优于锚式、莱宁A320和六凹叶圆盘涡轮、水翼螺旋桨、六直叶和斜叶圆盘涡轮等(李健达,2014)。
(5)组合桨 搅拌混合的基本原则是整体循环+强剪切。强剪切是流体离集尺度(也称分隔尺度)减小、达到均匀化最有效的手段;而整体循环可以把均匀化程度低的流体循环回来接受剪切和分散。两个因素的联合作用,保证了全反应器内物料在一定的时间内达到要求的混合程度。在用一个搅拌桨难以同时满足良好剪切和整体循环两个要求时,就要考虑采用组合桨。
组合有三个层次。一是将几种功能组合到一个搅拌桨上。例如,斜叶Rushton桨[图1.7(a)]是给径向流中增添了轴向流的成分。图1.7(b)所示则将RT桨(Rushton桨)和PBT桨(斜叶桨)的特点结合,成为一种混合下压桨构型(mixed flow impeller),在牛顿流体中其功耗比Rushton桨更低;在非牛顿流体中,混合时间介于Rushton桨和45°斜叶桨之间(Ascanio G,2003)。图1.6(d)所示的Intermig桨的设计意图是在搅拌桨轴附近和搅拌槽壁处产生流向不同的轴向流动,以便形成全槽的整体轴向大循环,桨直径一般比RT桨更大。
图1.6 高黏度流体用的搅拌桨(宽叶桨)
图1.7 功能组合桨举例
组合的第二个层次是将几个搅拌桨组合到一个搅拌槽里。例如,同轴、同向推动流体的两个轴流桨有利于在高径比大于1的搅拌槽中建立整体的循环流动[图1.8(a)]。图1.8(b)中的径向桨(上)+轴流桨(下)组合保持了设备中高剪切的同时,也能形成整体的流动循环。错位桨(上)+向心桨(下)搅拌桨组合[图1.8(c)]可提高内部循环的整体性,降低了搅拌能耗,同时缩短了混合时间,也改善液固悬浮(王涛,2011)。
图1.8 多层组合桨举例
组合的第三个层次是一个搅拌槽里安装不止一个搅拌桨轴。在高黏度流体的搅拌槽里,一根轴上的两个搅拌桨要求不同的搅拌转速,搅拌中心区流体的搅拌桨直径小,要用较高的转速,而贴壁的大直径搅拌桨要用较低的搅拌转速,以达到搅拌槽内各处搅拌功率强度均衡,因而采用同轴异速的双桨设置[图1.9(a)]。不同轴的双轴搅拌也见于大横截面的搅拌槽[图1.9(b)]。侧进式搅拌槽也可以安装几个搅拌桨,图1.9(c)所示为两个桨共同推进槽内水平大循环的例子。双轴差速捏合机在软固体的混合中也常见[图1.9(d)]。
1.2.1.2 搅拌桨的位置
一般的搅拌槽为圆柱形,平底或椭球底,搅拌桨轴即圆柱的轴线[图1.10(a)]。这种对称的布置产生圆周方向的对称性流动,然而过分规则的流动也被认为不利于全槽的整体混合。在这种搅拌槽的壁面上加装垂直的条形挡板,可以打破规则的整体圆周环流,产生尺度较小的循环,增强壁面附近的湍流,可以增强混合效能。将搅拌桨轴偏离反应器的轴线[图1.10(b)],也是打破规则流型的措施,偏心的程度往往取一合适的中间值。高径比小的大型贮槽,往往采用侧进式搅拌器,以较低的搅拌强度(约10W/m3)来维持槽内的状态均匀。这时搅拌桨轴与容器的直径成7°~10°,且搅拌桨逆时针旋转时(从搅拌桨向搅拌电机方向看),搅拌桨的轴线向直径的左边偏斜[图1.10(c)]。
图1.9 多轴组合桨举例
图1.10 搅拌桨在搅拌槽中的安装位置
单个桨可在浸没深度0.5D~2D的范围内操作(D为搅拌桨直径)。对H/T=1的搅拌槽(T为搅拌槽直径,H为槽中液位高度),多数情况下将桨安装在距底T/3~T/2的高度混合效率较高。
高径比大的搅拌槽(高径比H/T>1)多采用多桨组合,桨间距是重要的参数。径向桨的桨间距一般大于1.5D,以充分发挥每个桨各自的搅拌能力,避免桨间的相互干扰使搅拌效率下降。桨间距合理,则能产生高效的整体循环,对全槽的均匀混合有利[图1.11(a)~(c)]。若间距过大[图1.11(d)],则内部循环没有整体性,两桨之间容易遗留一个弱搅拌区,会影响搅拌槽反应器的效率。图1.11(e)所示为间距过小的情况,内部循环也没有整体性,两桨之间液相缺少流体循环的来源,因而对流也很微弱。图1.11(f)所示也是间距过大,径向桨和轴流桨形成各自的循环圈,两桨之间的流体受到上下两桨相反的剪切力,流体速度小,都是于操作不利的因素。
图1.11 搅拌桨桨间距对流型的影响
如1.2.1.1节所述,各种桨产生的流动方式不同,这决定了单桨搅拌槽内整体流动的流型。采用多层桨构型时,桨间的相互影响使流型更加多种多样。总的原则是,既要充分发挥各个桨本身的特点和效能,也要注意各桨的配合,使槽内形成统一、对流强盛的整体循环,这会带来宏观混合时间短、湍流强度分布均匀、搅拌能量效率高的益处。关于搅拌槽流型更详细的叙述见第2章2.1.1节。
1.2.1.3 搅拌槽的操作特性指标
为了描述搅拌槽的工作状态,例如槽内流动湍流的强度,是否能够有效地悬浮固体颗粒,能否将加入的气体或不混溶的液体分散为细小的气泡和液滴等,需要定义以下一些参数。
(1)搅拌雷诺数 搅拌雷诺数可以用来描述搅拌桨推动槽内流体流动的快慢和激烈的程度,以区分槽内是层流,还是湍流流动。对牛顿流体,一般的定义为Re=ρUD/μ,式中,U和D分别为特征速度和特征尺寸;μ为流体黏度。对搅拌槽,一般取搅拌桨直径D为特征尺寸,以ND为特征速度(N为搅拌桨的转速),因此雷诺数的定义为
Re=
(1.1)
(2)搅拌功率 搅拌功率P与搅拌设备的结构和几何参数有关,和搅拌操作条件有关,还和体系的物理和化学性质有关。因此,关联式的一般形式为
P=f(ρ,μ,g,N,D,T,H,其它几何和操作参数)(1.2)
式中,ρ为流体密度;μ为流体黏度;g为重力加速度;N为搅拌桨转速;D为搅拌桨直径;T为搅拌槽直径;H为液位高度。搅拌槽和搅拌桨的其它参数也对混合能耗有一些次要的影响,可以视情况作为自变量列入关联式中。
利用量纲分析法,可以将上述多自变量公式转化为自变量数目更少的无量纲关联式:
=f
(1.3)
亦即
Po=f(Re,Fr,几何参数)(1.4)
式中,Po为功率数Po=P/(ρN3D5)。雷诺数Re=ρND2/μ,它和操作条件有关,也体现了体系的物理性质。一般地,弗劳德数Fr=N2D/g的影响比较小。多数报道的关联式仅针对具体的搅拌桨型和槽型,都简单地表示为Po和Re间的函数关系:
Po=f(Re)(1.5)
当体系的流动状态由层流向高雷诺数条件过渡时,功率数先下降比较快,后来逐渐减慢,当进入充分湍流时,Po逐渐趋向一常数值。例如,对圆柱形搅拌槽,H=T,D=T/3,桨距底间距为C=T/3的标准条件下,Po随Re的变化如图1.12所示。充分湍流时,Rushton桨的Po为5.8~6.0的常数值。
图1.12 标准Rushton桨和螺旋桨功率数与雷诺数间的关系
(3)排出流量 一个桨的排出流量Q(m3/s)是搅拌桨的能力和效率的标志参数之一,Q越大,表示槽内的流体循环越快,搅拌桨的宏观混合时间则越小。无量纲排出流量数Fl一般定义为
Fl=Q/(ND3)(1.6)
式中,D为桨直径,m;N为转速,r/s。
在搅拌槽中测量排出流量,原则上应该测量恰好能包裹整个搅拌桨的最小圆柱面上各处的流速,累计法向速度为正(离开包裹面,速度为正值)的全部流率得到
Q=∫Ωmax(u·n,0)dS(1.7)
式中,u为包裹面上的速度矢量;n为包裹面的外法线单位矢量;dS为包裹面的面积微元。周向速度分量对Q没有贡献。若测量面为图1.13中的圆柱面Ω2,则流束a的贡献没有计量在内,测量有一定的偏差。
图1.13 确定排出流量Q的包裹面位置
实验测定排出流量数可以用的方法很多,例如非浸入式的粒子成像法和激光多普勒法,浸入式的电导率法、毕托管法、热电偶法、示踪粒子法等(许世艾,2000)。LDV法(激光多普勒测速法)和PIV法(粒子图像测速法)可测量桨包络面上的径向和轴向速度分量用于计算。更早的简单实验方法是示踪粒子法,肉眼观察毫米级大小、密度与被测液相相近的小球,在单位时间里往返于液面(容易肉眼观察)与搅拌桨间的次数m,以近似地代表从搅拌桨到器壁和液面的大循环。则排出流量的估计值Q =mV (m3/min,V 为搅拌槽内液体总体积)。或是用电导率法示踪,测量示踪电解质测得循环一次所需时间t,则循环流量Q=V/t。热电偶法测循环时间,方法与电导率法相似。这些方法的原理不严密,测量误差大,现在已经极少应用。
其实搅拌槽内的液体总循环流量,还应包括远离搅拌桨区的孤立循环。对不同的搅拌构型,由于产生的流型不同,涡心的个数和位置不同。图1.14中,经过搅拌桨的2个循环A和B计入了式(1.7)算出的排量Q中,但循环C是孤立在外的,未被计入。因此它的循环流量QC应该计入总循环流量QT之内。计算QC的积分范围比较难以确定,首先要确定循环的涡心,然后确定涡的外边界,那里的涡量从涡心的极大值降低到0。搅拌槽中可能存在多个孤立(或次级)循环,但次级循环往往比主循环弱得多,在工程研究中视情况可不考虑。
图1.14 确定液体总循环流量的主循环和孤立循环
评议:无量纲排出流量数Fl的定义式(1.6)建议改为更有物理意义的
Fl=Q/(ND2w)(1.8)
式中,w为桨叶的最大高度;D2w可以理解为桨的包络圆柱的体积。这样的无量纲排出流量数Fl数值在不同的桨型间可能更有可比性。
(4)搅拌桨的循环特性指标 一般是指搅拌桨的功率数与排出流量数之比值Po/Fl。这个比值大,表示桨的剪切作用强,比值小则说明搅拌桨的泵送效率高。因此也可以作为不同型式的搅拌桨性能的一个特征参数(Oldshue JY,1991)。
(5)临界转速 临界转速也是评价搅拌桨和搅拌槽性能的指标之一,通常应用于多相体系的搅拌。
液固体系中,随着搅拌转速增大,沉积在槽底的固体颗粒层的表面受到的流体运动的剪切力逐渐增大,表面颗粒开始运动,并被悬浮。临界悬浮转速是指全部固体颗粒被悬浮时的转速Njs。由于实验中难以准确地判断是否所有颗粒都被悬浮,或是少数颗粒尚未离底,现在普遍采用Zwietering TN(1958)的定义:在液⁃固搅拌槽中,所有固体颗粒均处于运动中,且没有任何颗粒在槽底停留超过1~2s时的搅拌转速为临界搅拌转速。另一个临界转速是均匀悬浮转速,指固体在搅拌槽内分布达到一定的均匀度时的转速,一般用全槽固相相含率(固含率)均方差的大小来判断。这个临界转速的用处小一些,因为实验测定均匀度(浓度的方差)比较困难,而且实际操作中往往不需要固相悬浮得很均匀。王峰对液固搅拌槽的临界悬浮转速进行实验测定和数值模拟(王峰,2004)。
气液体系中,搅拌的主要目的是:破碎气泡,使气液界面积增大;尽量将气泡均匀地分散到反应器各处;夹带气泡,使气泡跟随液相循环,延长气相停留时间。常用的一个临界转速是指气泡开始被循环流动夹带,使搅拌槽下部气含率明显增加的转速Njs(Nienow AW,1977),即图1.15中达到图1.15(d)所示状态的搅拌转速。
图1.15 转速增大时气体分布型态的变化(Nienow,1977)
液液体系中,随着搅拌转速增大,相含率较小的液相开始被流体剪切而形成液滴,直至该液相全部分散为大大小小的液滴,跟随另一液相运动,此时的转速称为完全分散临界转速Njs。液滴均匀分散的临界转速不常用。
其它多相体系,如气液固三相体系,也类似地定义出一些临界转速Njs,在科学研究和工程设计中应用。