第七節　現代反應釜攪拌器性能測試平臺的開發與應用

一、概述

反應釜攪拌與混合操作是應用最廣的過程單元操作之一,大量應用于化工、石化、醫藥、造紙、涂料、冶金、廢水處理等行業。在漆料和漆用合成樹脂等制造涂料的主要物質中機械反應釜攪拌設備發揮著極其關鍵的作用,攪拌效果不理想會導致釜內爆聚等現象,嚴重影響聚合物的品質。因此,對反應釜攪拌技術的研究也變得十分重要。

目前研究反應釜攪拌器性能所用的實驗平臺較少,且存在一些問題,具體表現在:

(1)反應釜攪拌軸定位精度低且靈活性差,不能保證每次實驗時攪拌器都處在中心軸線上,攪拌軸的垂直位置比較固定,不能根據攪拌釜的變化在垂直方向上進行攪拌器高度的調整;

(2)試驗工況簡單,不能在帶有腐蝕性及具有一定壓力的介質中進行攪拌器攪拌性能測試;

(3)測試過程較為繁瑣,不能實時檢測漿液的黏度、密度;

(4)攪拌釜的封頭多為平底封頭,而實際工業應用較廣的是橢圓形封頭;

(5)釜體材料為全玻璃,玻璃材料不易密封且易碎,給測試帶來許多不必要的風險;

(6)釜徑較小,釜體的容積與實際工業應用的攪拌釜相差較大,導致在應用放大時出現較大偏差。

二、反應釜攪拌器性能測試平臺結構特點

1.反應釜攪拌器性能測試平臺

攪拌器性能測試平臺主要由釜體、攪拌傳動裝置、攪拌軸升降支架、控制柜等部件組成,其配套測試軟件可以對攪拌器進行各性能參數實時監測。該技術平臺可用于不同規格的槳葉、容器及攪拌軸,實現對攪拌混合時間、混合效率及攪拌功率等性能指標的測定。

2.釜體部分

圖2?10為攪拌器性能測試平臺實體圖。

釜體安裝在測試平臺底座上,通過螺栓與底座固定,能夠保證攪拌時有足夠的剛性;區別于傳統攪拌實驗裝置,本裝置釜體中間采用透明的筒體,其上、下部與不銹鋼平面法蘭及橢圓形封頭連接,設計時利用金屬表面的凹槽,采用螺栓來壓緊,能夠達到一定的壓力;常壓情況下測試平臺的筒體部分采用厚度為15mm的有機玻璃制成,根據攪拌介質及工況的要求,釜體部分可更換為鋼化玻璃材質的筒體,透明的容器好處在于方便實驗時觀察釜內的流場狀態,以及利用粒子圖像測速技術(PIV)和數字粒子圖像測速技術(DPIV)等觀察筒體內液體的流場及速度場;根據測試的需要,不同規格釜體配套的攪拌器也可以方便地更換。釜體的上封頭采用平封頭,由不同規格的密封板嵌套組成,在保證部分密封的同時,也方便對不同攪拌軸、攪拌槳葉進行更換。釜體的下封頭首次在試驗機中采用工業應用較廣的標準橢圓形封頭,便于應用放大技術模擬,同時此種封頭在攪拌操作時能有效消除流動不易達到的死區。

3.控制系統

控制柜是由測試用的計算機、有關的測試儀器以及操作臺組成。不同攪拌器在不同轉速下的實際功率通過變頻器傳入HP?JCA智能電子監控臺,溫度傳感器的電信號也傳入該電子監控臺,再經過485轉232模塊傳回軟件界面。攪拌轉速在軟件界面上輸入。軟件內部嵌套了有關攪拌器的各個方程,通過軟件子菜單,可以選擇自定義槳葉,輸入槳葉的各尺寸參數,選擇輸入各種攪拌器的相應參數及有關攪拌液體的測試數據,便能得到不同攪拌器的理論攪拌功率、攪拌效率等值。

三、反應釜攪拌器性能測試平臺工作原理與特性

1.技術特性

攪拌器性能測試平臺的技術參數見表2?2。

2.工作原理

測試平臺的升降系統由傳動裝置與底座組成,并由2臺電動機提供動力,其中調速電動機通過西門子6SE6440?2UD17?5AA1變頻器來實現需要的攪拌轉速,其功率也通過變頻器傳入軟件。另外一臺電動機利用液壓原理實現攪拌軸的升降。槳葉是攪拌系統的重要部件,本測試平臺配套了槳式、開啟渦輪式、圓盤渦輪式、推進式等多種槳葉。

此種設計,一方面可以方便地更換槳葉,將攪拌軸升到釜體的上部,便可方便實現不同規格、型號槳葉的更換,另一方面當更換攪拌容器時,能保證攪拌軸在同一中心軸線上,而且根據釜體的變化,可以實現槳葉在釜體內垂直方向上任意位置的停留。

攪拌時間通常采用褪色法、電導率法和溫差法來測定。考慮到精度及操作簡便,本測試平臺采用溫差法來測定攪拌時間。測試平臺的軟件通過3根置于不同位置的溫度傳感器實現對3點溫度實時檢測與傳輸,HP?JCA智能電子監控臺將溫度傳感器傳來的電信號加以處理傳輸到軟件。

基于對測試系統智能化的控制考慮,設計者開發出了配套的可視化軟件系統。測試過程中,通過軟件自動記錄達到混合要求所使用的時間,并同步繪制出溫度?時間圖像,對攪拌過程及攪拌效果有直觀的反映。

3.實驗測試及分析

(1)攪拌時間的測定　在此測試平臺對槳式、開啟渦輪式、圓盤渦輪等7種傳統槳葉進行測試。加入一定溫度的水溶液至70%容積刻度處,然后將攪拌槳下降到合適高度,加入一定比例容積的90℃水溶液,輸入不同攪拌轉速進行混合時間的測量。圖2?11為在轉速為2r/s、3r/s、4r/s時的測試結果。

—槳式平直葉;—槳式折葉;—渦輪

六直葉;—渦輪六折葉;—圓盤六直葉;—圓盤六折葉;—推進式

由測試結果可以看出,此性能測試平臺準確直觀地反映了攪拌轉速與攪拌效果(攪拌時間)之間的關聯,即在一定的轉速范圍內,提高轉速能顯著降低攪拌時間。低轉速時,槳式所用的攪拌時間比較長,渦輪六直葉式所用時間最短。隨著轉速的提高,液體的湍動加劇,各種攪拌器的攪拌時間均顯著下降,且越來越接近。

(2)攪拌功率的測定　攪拌功率是槳葉的一個重要特性,理論攪拌功率按式(2?1)計算:

P=NPρN³d⁵(2?1)

其中,NP為攪拌功率準數,可由算圖法及計算公式得到。測試平臺采用永田進治的攪拌功率計算式,如式(2?2)所示。

NP=+B×(sinθ)^1.2(2?2)

其中,R_e為雷諾數;A,B,P為系數,由式(2?3)得到。

—槳式平直葉;—槳式折葉;—渦輪六

直葉;—渦輪六折葉;—圓盤六直葉;—圓盤六折葉;—推進式

R_e=(2?3)

其中,μ為測量得液體的黏度值;N為設定攪拌轉速值;ρ為液體密度;D為釜體直徑;H為液體深度。在水溶液中測試上述7種槳葉的功率,取轉速分別為2r/s、3r/s、4r/s,測得結果如圖2?12所示。

由圖2?12可以得出,隨著轉速的增大,各攪拌器的實際消耗的功率明顯增大。其中,槳式攪拌器所消耗的功率比較低,圓盤六直葉以及渦輪六直葉式所消耗的功率較大。轉速相同時,槳式折葉槳所消耗的功率大約為渦輪六直葉槳及圓盤六直葉槳的2/7。使用有限元軟件FLUENT6.3對3種攪拌槳的功率進行模擬。圖2?13為實測功率與模擬功率的比較。比較2種結果可知本平臺能比較準確地測定出攪拌槳所消耗的實際功率。各實際功率與理論功率的誤差百分比均在10%之內。通過對7種槳葉測試結果可以看出,在水溶液中進行測試時,所得實驗數據的誤差均很小。隨著溶液黏度的提高,實驗過程中部分槳葉的功率誤差略微增大。究其原因,一方面是隨著黏度的增大,攪拌所消耗的功率也相應增大,從而使減速器及聯軸器等的機械損失也增大;另一方面,測試用的槳葉存在一定的制造誤差,隨著黏度的提高,其引起的功率上的誤差也越來越明顯。

—模擬直圓盤渦輪;—實測斜槳葉;

—實測直開啟渦輪;—實測直圓盤渦輪

四、反應釜攪拌器實驗裝置評價

本實驗平臺采用全自動液壓升降系統、開放式透明攪拌罐、智能化變頻調速系統以及可視化操作界面。相對于傳統攪拌實驗裝置,操作者勞動強度大大降低,更加方便對拌槽的清洗和槳葉的更換,同時槳葉的定位精度也大大提高。開放式透明攪拌罐的設計以及可視化控制程序更加直觀地反映出了罐內攪拌的過程,也為當前最新的粒子圖像測速技術(PIV)的應用提供了平臺。實驗以及數值模擬結果表明該實驗裝置具有很高的精度,為攪拌性能的教學以及涂料工業新型槳葉的開發與優化提供了可靠的依據。