搅拌器设计-连载4】搅拌器的选型和转速计算---固液悬浮

一、搅拌器的选型

1、固液悬浮搅拌应使固相粒子悬浮于液相中，故应尽量使液相的流动状态为湍流，搅拌器选型能使流体有较好的对流循环。因此，四叶折叶开式涡轮是较合适的搅拌器桨型。当选择这种桨型时，其结构尺寸和安装尺寸如下：

① 搅拌器直径与槽内径的比值约为1/3。

② 当液面高度H与槽内径D之比超过1.2时，应考虑采用两个搅拌器。

③ 搅拌器叶轮中心线至槽底部的距离c可取槽内径的1/4。

④ 应安装挡板，并符合全挡板条件。

2、如液相流体的黏度不大于1Pa·s，固相的体积分数不大于5%，且固、液相的密度之比不大于1.5，则也可考虑选用推进式搅拌器。其结构尺寸和安装尺寸可参照【搅拌器设计之一】。

 

二、转速计算

固体物料在液体物料中的悬浮操作的目的是使固体的分布较为均匀，从而按工艺要求完成溶解、结晶、混合调配等化工过程。如无搅拌器的作用，每一种固体颗粒放在一定黏度的液体中，存在一个极端沉降速度ut，该数值与固体颗粒的大小有关，实验得到的两者关系如（图1）所示。固体物料在搅拌器的旋转作用下获得一定的运动速度，以克服其极端沉降速度而悬浮在液相物料中。

图1

 

 

图中（Sg）s—固体颗粒的密度，g/cm3；

（Sg）l—无固体存在时的液体密度，g/cm3

在工程应用中，可以依固体颗粒在槽内的分布程度将固液悬浮操作分为10个搅拌级别，其分级效果见(表1)。

表1

 

表1中所列的10个搅拌级别，级别越高，液体中固体颗粒的分布越均匀。决定固体颗粒在液体中悬浮程度的主要因素是液体的湍流程度，即液体的流速。对于一定固体颗粒所具有的沉降速度，槽内液体必须达到一定的流速，才能使得固体悬浮操作对应于表1中所列的某一级别。另外，如槽内液体仅进行圆周流动，则要使固体悬浮操作达到较高的级别，往往难以做到。对于5级以上的操作，槽内液体还需具有一定的轴向流动速度，或者在搅拌槽内有多个搅拌器沿槽高按一定的间距分布，以使液体能带动固体颗粒在液体中分布得比较均匀。

搅拌槽内流体的流速和湍流强度是由搅拌器转速决定的，而为了完成某一级别的固液悬浮操作，固体颗粒的极端沉降速度越大，显然所需要的搅拌器转速也越大。因此，有文献对于四叶折叶开式涡轮给出了关联(式1)

式中　ud---固体颗粒的设计沉降速度，m/min，ud=fw·ut ；

ut---固体颗粒的极端沉降速度，m/min；

fw---校正系数，见下表2；

?---系数，查下图2；

dj---搅拌器直径，m；

N---搅拌器转速，r/min。

表2

对于推进式搅拌器，保证固体颗粒全部离开槽底的临界转速可用下面的式2计算。

式中D---搅拌槽内径，m；

dj---搅拌器直径，m；

Nc---搅拌器的临界转速，r/s；

dp---固体颗粒直径，m；

Ga---Galileo数；

 

ρ1---液体密度，kg/m3；

ρs---固体密度，kg/m3；

μ1---液体黏度，Pa·s；

ε---固液悬浮液中液体体积分率；

a,b,c---常数，c=1.2，b=1.0~0，a=24~0.44(对应于b)

式2的误差为10%～15%，当要求固体颗粒全部离开槽底时，可取实际搅拌器转速为：N=1.15Nc

使固体颗粒完全悬浮的搅拌器转速也可用以下的式3估算

式中Ncl---临界浮游转速，r/min；

K---系数，与搅拌槽的结构有关，无挡板时K=189，有挡板时K=199，有底部挡板时K=142；

Dp---固体颗粒直径，mm；

ρ1---液体密度，g/cm3；

ρs---固体密度，g/cm3；

Vp---固体颗粒的真比容，m3/kg；

V’p---固体颗粒的假比容，m3/kg。

转速计算总结：

1、当要求搅拌激烈，能使所有固体颗粒较均匀地悬浮于液相中时，可按式1计算所需要的搅拌转速。在计算时，可按表1中的搅拌等级的9级或10级查图2选取?值。

2、当要求搅拌不太激烈，仅使固体颗粒离开槽底时，四叶折叶开式涡轮和推进式搅拌器的转速都可按式3估算。然后，考虑该式的误差，乘以1.15。也可按式1计算转速，这时可按搅拌等级的3～5级查?值。