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一种新型的搪玻璃搅拌桨—搪玻璃翼型轴流搅拌桨

来源:中华搪玻璃网  |  日期:2008-1-9

              吴 民 权

(华东理工大学教授 淄博三田机械密封有限公司顾问  上海  200000)

                

摘    要:  搅拌反应釜反应在过程中通常由五种常见的基本混合过程组合而成,它们大多数
是属于循环控制或共同控制型,需要的是一种能产生大循环量而能耗又低的搅拌桨来完成;
淄博三田机械密封有限公司与作者合作,开发搪玻璃翼型轴流搅拌桨具有液体泵送能力强、
有一定的剪切、分布比较均匀、能耗很低、在搅拌反应釜内造成很好的全釜循环,对一些
传递控制的反应过程将给用户带来比较可观的经济效益。

一、    前言:

  在化工、石化、医药、食品、采矿、造纸、能源工业、工业和城市污水处理以及其他众多
的生产过程中,流体混合都是极为重要的。在这些生产过程中,大量使用着搅拌反应釜或其
他搅拌设备。其目的是使釜内物料间实现充分混合,以利反应的进行。而这一混合过程通常
是由搅拌桨来实现的,搅拌桨性能的优劣,对搅拌反应釜的性能有着重大影响。搅拌桨在运
转时,对反应釜内物料主要起二个作用:一是提供一定的循环量,使物料产生主体循环流动
,二是提供剪切,使物料形成小微团,有利于不同物料之间的反应。一个设计合理的搅拌反
应釜,其搅拌桨所提供的循环量和剪切量,以及二者之比,应能与工艺过程的要求相匹配。
为了说明问题,在这里简略介绍一些有关流体混合问题的概况。

    搅拌反应釜所处理的工艺过程往往很不相同,对混合的要求也不一样,从流体混合工艺的
角度看流体混合特性,可以用下列五种基本过程类型来表示:

1.          液—固混合。如:固体颗粒的悬浮;固体的溶解。

2.          液—气混合。如:气体在液体中的分散、分布和气体被液体吸收。

3.          不互溶液体混合。如:液体的乳化;液滴的分散(例如悬浮聚合)。

4.          互溶液体混合。互溶液体的混匀是常见的一种过程要求。

5.          流体运动。如:强化反应釜内传热等。

虽然搅拌反应釜处理的工艺过程可能各种各样,但从流体混合的角度看,它们都属于上
述五种基本过程类型中的一种或多种类型的组合。例如,液-固-气或液-液-固-气等。
通过对上述五种基本过程及其某些常见组合进行研究,就能使我们对流体混合特性
有比较深入的了解。而对上述五种基本过程类型及其常见组合的研究表明,要想比
较好地完成混合过程,它们需要搅拌桨提供的循环和剪切以及二者之比是不大相同的。

轴向流桨 


   径向流桨
                             图1

总起来说,可以分成三个类型:一是需要比较大的循环量,即所谓循环控制;二是需要比
较高的剪切,即 所谓剪切控制;三是既需要大的循环、又需要高的剪切,即所谓共同控制。
由此可见,虽然搅拌反应釜要面对的工艺过程可能各不相同,但根据上 径向流桨 面的分析,
只要对所处理的工艺过程有比较透彻的 了解,可以把其对混合的需求,归结为上述五种基
本过程类型中的一种或几种的组合,而根据其对循环和剪切的要求,确定其属于循环控制、
剪切控制抑或共同控制型,然后选配适宜的搅拌桨。搅拌桨有多种形式,但大致上可分成径
向流和轴向流两大类(参见附图1)。就实现全釜充分混合而论,使釜内物料形成轴向流动
比较有利。

二、    翼型轴流搅拌桨简介:

国内外专家的大量研究结果表明,对前面提到的五种基本混合过程及其常见组合而言,大多
数是属于循环控制或共同控制型,需要的是一种能产生大循环量而能耗又低的搅拌桨。因此,
国外的一些著名的搅拌公司先后开发研制成功高效节能的新型轴流桨,并推向市场。例如,
美国莱宁混合设备公司在上世纪八十年代中后期先后推出的A310、A315和A320等轴流搅拌桨,
到现在仍然是该公司的主打产品,应用十分广泛,取得很好的效果。我们根据自己的研究成
果,运用流体力学中的机翼理论,结合混合理论和反应工程的原理,自行开发成功一种高效
节能的新型轴流搅拌桨—翼型轴流搅拌桨。

它的特点是:

1.  桨叶的流体泵送能力强,产生的轴向速度比较均匀,能在反应釜中造成理想的轴
向流动,有利于全釜物料的充分混合。十分适用于固体颗粒悬浮、液滴分散、消除釜
内浓度和温度不均匀、互溶液体的迅速混匀等类的操作过程。

2.  桨叶产生的剪切的分布比较均匀,同时也比较温和。

3.  桨叶的功率准数小,能耗低。在造成釜内同样循环流动的情况下,翼型轴流桨的能
耗远低于其他类型的桨叶。

图2表示的是我们研制成功的一种型号的翼型轴流搅拌桨和流型示意图。图3是我们用激光
测速仪测得的翼型轴流桨的实际流型,以及直叶涡轮桨的实际流型。从图中可以看出,我
们开发的翼型轴流搅拌桨,能很好地实现全釜的混合。

                           

           图 3 激光测速仪测量结果

     为了验证翼型轴流桨的性能,我们将其与其他类型的搅拌桨作了对比试验。从试验结
果可以看出,我们开发的翼型轴流搅拌桨性能相当优异。

1.混合时间:

我们曾将此桨叶与锚桨及布尔马金桨作对比。结果见表1。

表1 混合时间与功率比较(对1—1000厘泊物系)    
 

 试验结果表明,翼型轴流桨的混合时间要比布尔马金桨和锚桨短很多,而同时其所需的功
率也最低。

    美国莱宁公司将他们的A320轴流搅拌桨与45º斜叶桨(PBT)做对比试验,试验结果见图4。
我们也有类似试验结果。上面几组试验数据表明,翼型轴流桨的全釜混合性能比其他类型的
搅拌桨都要优异。  

                                                      

                    

       图 4  A320桨和PBT桨混合时间比较

2.传质系数:

试验结果表明,在单位体积功率相同的情况下,翼型轴流桨的传质系数优于其他搅拌桨。

3.液滴分布:

翼型轴流桨由于其剪切分布比较均匀,因此将其应用于悬浮聚合等互不溶液体混合过程时,
会得到滴径比较均匀的液滴分布,从而可得到粒径分布比较均匀的聚合物颗粒,这是生产
企业所期盼的。表2列出了在1000升反应釜中应用翼型轴流桨(也称水翼桨)与平桨时得到
的聚苯乙烯颗粒的粒径分布情况。可以看到,应用翼型轴流桨后,其合格颗粒(粒径在0.9-
2.0mm之间)的百分比,较平桨高出十多个百分点。

                                     表2 应用不同类型搅拌桨时得到的聚苯乙烯颗粒粒径分布

以上这些试验结果的情况表明,翼型轴流搅拌桨的性能是很优异的。其他如固体颗粒悬浮等
过程,翼型轴流桨的应用也获得很好的结果。在对翼型轴流桨进行了深入的研究后,我们将
其应用于许多生产领域。现选取几个应用实例:

1.              6000L聚苯乙烯悬浮聚合釜:为互不溶液体混合的悬浮聚合过程。用翼型轴流桨取
代原来使用的平叶桨,使悬浮聚合后得到的聚苯乙烯颗粒粒径分布有明显改善,粒径在0。9
—2。0毫米的合格颗粒占总颗粒的百分比,从80%提高到90%。经济效益显著。本成果荣获
中国石化总公司1998年度科学技术进步奖。

2.              PIA氧化反应釜:其为液-固-气三相反应过程。用翼型轴流桨替代该釜原有的进口
的斜叶搅拌桨,取得良好效果,并解决反应釜原来存在的颗粒沉积问题。本成果经包括四位
工程院院士的专家组鉴定,认为已达到国际先进水平。

3.              聚环氧乙烷聚合反应釜:用翼型轴流桨替代该釜原本使用的螺旋搅拌桨,使产物
的转化率从80%提高到92%,并解决反应釜内的颗粒沉积问题。

4.              济南某中外合资制药厂的氯化醚化釜,用翼型轴流桨替代原使用的的搅拌桨后,
产品得率提高12%,达到全国最高水平,甚至超过技术引进国的水平,取得可观的经济效益。

5.              江苏某染料厂的硝化釜,用翼型轴流桨替代原搅拌桨后,硝化时间从10小时缩短
至6小时,同时节能23%。

这些成功的应用实例说明,翼型轴流搅拌桨的确性能优异,应用前景十分光明。

三、    翼型轴流搅拌桨在搪玻璃反应釜中的应用:

目前在搪玻璃搅拌反应釜中应用的的搅拌桨,大致为锚式桨(框式桨)、叶轮式桨和桨
叶式桨等几种形式。前二种可归属于径向流桨,后一种归属于轴向流桨。我们不妨对这些
形式的搅拌桨作一个简单的分析:

1.  锚式桨(框式桨)用于中低粘度液体的搅拌时,搅拌效果比较差,它们虽归属于径向
流桨,但运转时形成环向流动,使釜内液体“团团转”,而基本上很少有轴向流动,这不
利于全釜物料的快速混合,更不利于固体颗粒的悬浮。而且此搅拌桨能耗大。

2.  叶轮式桨(也称为三叶后掠式桨)属径向流桨。在搅拌釜内没挡板或挡板很小时,此类
桨叶产生的轴向流很弱。美国莱宁公司将他们的A310搪玻璃轴向流搅拌桨与叶轮式桨做了对
比试验。试验结果表明,A310桨的混合时间仅为叶轮桨的1/4,而此时其功率是叶轮桨的1/2。
我们现在开发的ZK型搪玻璃翼型轴流桨,性能与美国莱宁公司的A310轴向流搅拌桨相当。

3.  搪玻璃桨叶式桨应该属于45°斜叶透平桨一类,但由于加工制造等原因,其叶宽、叶片
数等结构参数远达不到斜叶透平桨的要求,因此在同样的操作参数时,难以造成很好的全釜
循环。而且即使是标准参数的斜叶透平桨也不是真正意义上的轴向流桨,它产生的是斜向流,
而且能耗也远大于翼型轴流桨。

从以上的简单分析可以看出,要想造成物料在全釜充分快速的混合,选用现有的这些搪玻璃
搅拌桨,并不理想或不太理想,且能耗也比较大。有鉴于此,淄博三田机械密封有限公司与
作者合作,开发搪玻璃翼型轴流搅拌桨。现在已试制成功,可供用户选用(图2为其中一种)。

搪玻璃翼型轴流搅拌桨具有我们在上面介绍的翼型轴流桨的特点:它的液体泵送能力强;有
一定的剪切,且分布比较均匀;能耗很低。因此,此桨叶能在反应釜内造成很好的全釜循环,
并具有一定的剪切能力。据统计,搅拌反应釜所面对的反应过程,80%以上需要搅拌桨能提
供充分的全釜循环,而这正是搪玻璃翼型轴流搅拌桨的长处,因此其应用前景将十分广阔。

对一些传递控制的反应过程,亦即反应釜内搅拌是否充分,是否符合反应过程的要求,将影
响产品的收率和质量,此时,翼型轴流搅拌桨或它与其他类型桨叶组成的组合型搅拌桨的应
用,将给用户带来比较可观的经济效益。

也有些反应过程与搅拌是否充分关系不大,此时翼型轴流搅拌桨的应用可以为用户节约能耗。
以2000L反应釜为例,应用翼型轴流桨可节约功率1-2瓩。就以1瓩为例,如反应釜每天运转20
小时,每年运转300天,则一年可节约6000度电。为用户节约的电费,也相当可观。由此看来,
无论何种情况,翼型轴流搅拌桨的应用都可为用户带来不同程度的经济效益。何况目前我国
能源并不充裕,而生产过程的能耗又比发达国家高很多。因此,十六届五中全会提出,在
“十一五”期间,要使我国单位国内生产总值能源消耗比“十五”期末降低20%。搪玻璃翼型
轴流搅拌桨的开发与应用,完全符合党和国家规划的发展方向。我们期待,我们开发的这一
产品,能为我国搪玻璃行业的进步,作一点微薄的贡献。

 

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