自浮颗粒三相体系搅拌混合的临界转速

徐世艾　冯连芳　顾雪萍　王凯

摘要:考察了釜径为386mm的搅拌釜内搅拌桨的类型、挡板和气体分布器等对自浮颗粒三相体系搅拌混合临界搅拌转速的影响，得到了回归的关联式:Ncr=CVSawbdcdSe，相对误差为3.34％～11.58％。该式可用于指导工业过程的设计和放大。
关键词:自浮颗粒；三相体系；临界转速；搅拌桨；挡板；气体分布器
中图分类号:TQ051.7＋2 文献标识码:A
文章编号:1000－1255(2000)02－0088－04

Critical speed for suspension of gas－liquid－floating particle

Xu Shi′ai,Feng Lianfang,Gu Xueping and Wang Kai
(Polymer Reaction Engineering National Key Lab,Zhejiang University, Hangzhou)

Abstract:The influences of impeller types, baffle configurations and gas sparger on critical speed of floating particle in an agitated vessel were investigated.The correlations of critical speed were obtained:
　　Ncr=CVSawbdcdSe
which could be used in the scale－ up of this kind of process.
Keywords:floating particle; three－ phase system;critical speed;impeller; baffle;gas sparger

　　搅拌釜中的固液临界悬浮转速是搅拌过程设计的重要参数。自浮颗粒悬浮分散的难点在于颗粒下拉很困难，因此与下沉颗粒的悬浮分散在釜底的1～2s规则对应，可以颗粒在液面上的停留时间小于1～2s作为达到临界状态的标志^[1]，目前有关自浮颗粒的气液固三相的临界转速未见报道。本工作基于对搅拌功耗、气含率和釜底颗粒浓度等的研究^[1～3]，考察了搅拌桨型、挡板和气体分布器等对自浮颗粒三相体系临界悬浮转速的影响，对于溶液聚合的凝聚、发酵、废水处理和气液固三相反应等过程中自浮体系搅拌混合的过程设计和放大具有指导意义。

1　实验部分

　　实验是在直径为386mm的椭圆形底立式釜内进行，仅流场测量是在釜径为360mm的平底单层桨搅拌釜内进行。选用的自浮颗粒是聚丙烯，相对密度为0.91，粒径约为3mm，无特殊说明时颗粒质量分数(w)为2.5％。气体介质是压缩空气，液体为自来水。实验温度为(298±3)K，釜径(D)与液体加料高度的比为1∶1.6。气体流量（Q）用转子流量计测量和调节。
　　实验采用3层桨搅拌体系，上层为3叶上推式的简易型轴流桨(SPU)，中间为下压式的简易型轴流桨（SPD），下层为6直叶圆盘透平（DT）桨或6直叶翼盘透平（WT）桨。简易型轴流桨的叶片倾角为45°或60°，桨径（d）为125，146，165，215mm。气体分布器有直径分别为0.8d，0.8D和0.92D的气体分布环，简记为ss，ms和ls。挡板采用宽为0.1D的全深度挡板(简称a)、高位部分深度挡板（挡板未插到釜底部，挡板下沿离封头的距离约为0.4D，简称b）和低位部分挡板(液面附近无挡板，挡板上沿离液面的距离约为0.4D，简称g)，此外若某空间位置不设置挡板，则用f表示。本工作采用的挡板组合有aaaa，abab，aaaf和bgbg共4种，各种挡板组合均为空间成90°的对称布置。
　　液面上液体的打旋或三相时气体的逸出导致观察颗粒在液面的停留时间比较困难，临界转速（N_cr）的重复性较差，重复实验的Ncr数据误差为4～8r/min，最大误差为10r/min，所以每个N_cr均取6次重复实验的平均值。

2　结果与讨论

2.1　上层桨的影响
　　实验发现，随着气体的通入和Q的增加，除了采用挡板bgbg时小Q下N_cr有增加外，采用挡板aaaa，aaaf和abab时N_cr随Q增加而降低，这与下沉颗粒三相体系是不同的^[4]。上层桨对自浮颗粒的悬浮影响最大，这是由于自浮颗粒的悬浮难点在于颗粒从液面下拉困难，由于下压式桨在液面中央产生了下压式流型，与气升方向相反，因此Ncr很高，且Q越大Ncr越高。上推式桨由于其搅拌强制流型和气升的诱导流型方向相同，因此很适宜自浮颗粒体系的分散。图1表明，上层桨采用SPU(m)和SPU(l)（m和l分别表示桨径中等和较大的桨，下文中max和s表示桨径特大和很小的桨）时的Ncr要小于SPU(max)或SPU(s)的，原因是桨径影响了物料上下流动通道的大小，决定了釜内流型。桨径过小和过大对颗粒的下拉都不利，过小的上层桨在釜中间的上推力太小，而过大的则在液面中部产生了反向的二次流，阻碍了四周颗粒的下降，产生了分区，因此颗粒的运动和下拉需要更高的转速。图2为采用不同桨径的上层桨时液面附近的流型示意图。

Fig1　Effects of impeller types on Ncr
1)45°SPU(s)＋45°PSD(m)＋DT;
2)45°SPU(max)＋45°PSD(m)＋DT;
3)45°SPU(m)＋45°PSD(m)＋DT;
4)45°SPU(l)＋45°PSD(m)＋DT

Fig2　Flowp at terns near the surface

Fig3　Effects of blade angles on N_cr

Fig4　Effects of middle－impellers on N_cr

　　由实验可知，当d小于0.4D时，釜内的主体循环为大循环，满足宏观大循环的要求；但当d不小于0.5D时，出现了二次循环；d为0.3D时的流型稍有变化，主要是d较小时轮毂的影响比较大。Ranade等^[4]测量了釜内流速后发现，大桨径时中央区的流动是反向的（称为反向低速芯形区），而小桨径时中央区的流动是同向的。
　　由图3可知，上层桨的叶片角度也非常重要。60°桨的效果明显优于45°的，这也是由于产生的流型不同的缘故。45°桨的上推力小于60°桨的，当然在转速大于Ncr时45°桨要优于60°桨。
2.2　中间桨的影响
　　从图4可见，小Q时中间桨采用SPD(m)时的Ncr小于SPD(l)的，原因是桨径过大的中间桨产生的流型与上推的上层桨的流型不能有机地衔接起来，阻碍了颗粒的连续下拉，因此需要更高的转速才能达到临界条件。此外,大桨时流型混乱也是Ncr高的一个原因。Q很大时SPD(l)的Ncr低于SPD(m)的，或许是由于Q很大时中间桨SPD(l)对气体的分散有一定的贡献，气体分散得更好，因此颗粒更容易下拉。
2.3　下层桨的影响
　　实验发现，下层桨采用DT时的Ncr小于WT的，原因是一方面DT圆盘上下均有叶片，有利于气体的分散和颗粒的悬浮，颗粒的悬浮受气体的影响较小；另一方面由于采用DT时气体的返混较大，气含率较高使整个体系的相对密度降低，自浮颗粒的混合悬浮也更容易。而WT由于盘上无叶片，在气体的分散机会减小的同时也显著降低了气体的返混，因此Ncr略有增加。

Fig5　Effects of baffle configurations on N_s

Fig6　Effects of gas spargers on Ncr

Fig7　Effects of particle mass fractions on N_cr
Particle mass fractions:1)5.0％;2)4.0％;3)2.5％;4)1.0％

2.4　挡板的影响
　　如图5所示，abab的Ncr最低，这可能是由于采用abab时釜下部过强的旋转对釜上部的颗粒有较强的下拉力所致；而采用bgbg时在釜上部和下部均会产生较强的旋转，下部的旋转不会对上部的颗粒产生附加的下拉作用，因此bgbg的Ncr最高。采用aaaf挡板时的Ncr也很高，这是由于转速较低时虽然在液面附近会产生涡旋，但该涡旋是中空的，颗粒随液流旋转但不能下拉，转速增高时可产生偏心涡，能快速将浮在液面上的自浮颗粒顺偏心涡旋转方向拉到液面下，因此aaaf时的Ncr较高。
　　由图6可见，采用bgbg挡板时，Ncr先随Q增加而增加，Q约为2m3/h时达到最大值。Q较大时中环分布器的Ncr低于大环分布器和小环分布器的。由于小环分布器的环径小于0.4D且离搅拌桨最近，小Q时气体分散最细、最好，因此Ncr低，但Q较大时从离搅拌桨最近的小环分布器喷出的气体速度太大，气体来不及得到充分的分散，有缠轴现象，因此小环分布器的Ncr高于中环分布器的，低于大环分布器的。对于其他挡板，不同分布环的Ncr随Q的变化规律有差别，但也是先升后降。此外，实验中发现将气体分布器位置提高，使分布器离搅拌桨更近时反而使气体分散更差，Ncr更高。
2.5　w的影响
　　由图7可见，随w的增加，颗粒下拉的难度增加，N_cr增加，但采用小环分布器时N_cr随w的变化不大。采用较大环径的分布环时w对N_cr有较大的影响。w不大于2.5％时Ncr随Q的增加而减小，反之则有极大值，但w为5.0％时未发现N_cr随Q先升后降的现象，这可能与实验的Q范围不够大有关。使用aaaa挡板时的情况基本与bgbg相同，但Ncr随w的变化不大，且临界气量值与w无关，为2m3/h。
2.6　临界悬浮转速的关联
　　本工作参考下沉颗粒三相体系的完全悬浮速度关联式^[5]，对自浮颗粒三相体系的实验数据进行了关联。Ncr的影响因素包括桨型、挡板和气体分布器等结构变量及Q和w等操作变量，桨型中上层桨影响最大。本工作仅考察了上层桨径、分布环直径(ds)、Q和w的影响，因此可设

N_cr=CV_S^aw^bd^cd_Se　（1）

式中，C为待定常数，a，b，c，e为待定指数，VS为气体的表观气速，VS=4Q/(πD2)。将上式取对数可得

　(2)

利用关联式(2)对多种桨型、挡板和气体分布器组合的临界转速数据进行了关联，结果较好，相对误差仅为3.34％～11.58％。如对45°SPU(m)＋45°SPD(m)＋DT配以bgbg挡板在采用ss，ms，ls分布环时的Ncr实验数据进行多元线性回归，可得到

　(3)

上式是103个数据的关联式，w为1％～6％，相对误差为9.27％。由式(3)可见，上层桨径的影响最大，气体分布器次之，而Q或VS的影响最小。

3　结论

　　a）与下沉颗粒体系不同，自浮颗粒三相体系的N_cr多数情况下随Q的增加而降低，或先升后降。
　　b）上层桨对自浮颗粒的悬浮和N_cr的影响最大，且桨径应当适宜。
　　c）dS对N_cr的影响较复杂，但45°SPU(m)＋45°SPD(m)＋DT配以bgbg挡板在Q较大时，采用中等分布环时的N_cr最低。
　　d）N_cr随颗粒w的增加而增加。
　　e）对N_cr的实验数据采用下式：
进行了非线性关联，相对误差为3.34％～11.58％。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(29714144)；山东省自然科学基金资助项目(Y98B07026)。
作者简介：徐世艾，男，35岁，博士，副教授。已发表论文20余篇。现在烟台大学化工系(邮编264005)工作。
徐世艾（浙江大学聚合反应工程国家重点实验室，杭州，310027）
冯连芳（浙江大学聚合反应工程国家重点实验室，杭州，310027）
顾雪萍（浙江大学聚合反应工程国家重点实验室，杭州，310027）
王凯（浙江大学聚合反应工程国家重点实验室，杭州，310027）

参考文献

［1］徐世艾,冯连芳,顾雪萍等.搅拌釜中自浮颗粒三相搅拌混合问题[J].化工冶金,1999,20(3):261～265
［2］Xu Shi′ ai,Feng Lianfang,Gu Xueping,et al. Effect of impeller on mixing of ［］floating－ particle in stirred tanks[J].Hecheng Xiangjiao Gongye,1999,22（2）: 109
［3］Xu Shi′ ai,Feng Lianfang,Gu Xueping,et al. Effect of baffle on mixing of floating－ particle in stirred tanks[J].Hecheng Xiangjiao Gongye,1999,22（4）: 246
［4］Ranade V V, Joshi J B. Flow generated by pitched blade turbinesⅠ : Measurements using laser Doppler anemometer[J]. Chem Eng Comm, 1989, 81: 197～224
［5］Frijlink J, Bakker A,Smith J M. Suspension of solid particles with gassed impellers[J]. Chem Eng Sci, 1990, 45(7): 1 703～1 718

收稿日期：1999－07－14；修订日期：1999－11－23。