第七节　现代反应釜搅拌器性能测试平台的开发与应用

一、概述

反应釜搅拌与混合操作是应用最广的过程单元操作之一,大量应用于化工、石化、医药、造纸、涂料、冶金、废水处理等行业。在漆料和漆用合成树脂等制造涂料的主要物质中机械反应釜搅拌设备发挥着极其关键的作用,搅拌效果不理想会导致釜内爆聚等现象,严重影响聚合物的品质。因此,对反应釜搅拌技术的研究也变得十分重要。

目前研究反应釜搅拌器性能所用的实验平台较少,且存在一些问题,具体表现在:

(1)反应釜搅拌轴定位精度低且灵活性差,不能保证每次实验时搅拌器都处在中心轴线上,搅拌轴的垂直位置比较固定,不能根据搅拌釜的变化在垂直方向上进行搅拌器高度的调整;

(2)试验工况简单,不能在带有腐蚀性及具有一定压力的介质中进行搅拌器搅拌性能测试;

(3)测试过程较为繁琐,不能实时检测浆液的黏度、密度;

(4)搅拌釜的封头多为平底封头,而实际工业应用较广的是椭圆形封头;

(5)釜体材料为全玻璃,玻璃材料不易密封且易碎,给测试带来许多不必要的风险;

(6)釜径较小,釜体的容积与实际工业应用的搅拌釜相差较大,导致在应用放大时出现较大偏差。

二、反应釜搅拌器性能测试平台结构特点

1.反应釜搅拌器性能测试平台

搅拌器性能测试平台主要由釜体、搅拌传动装置、搅拌轴升降支架、控制柜等部件组成,其配套测试软件可以对搅拌器进行各性能参数实时监测。该技术平台可用于不同规格的桨叶、容器及搅拌轴,实现对搅拌混合时间、混合效率及搅拌功率等性能指标的测定。

2.釜体部分

图2⁃10为搅拌器性能测试平台实体图。

釜体安装在测试平台底座上,通过螺栓与底座固定,能够保证搅拌时有足够的刚性;区别于传统搅拌实验装置,本装置釜体中间采用透明的筒体,其上、下部与不锈钢平面法兰及椭圆形封头连接,设计时利用金属表面的凹槽,采用螺栓来压紧,能够达到一定的压力;常压情况下测试平台的筒体部分采用厚度为15mm的有机玻璃制成,根据搅拌介质及工况的要求,釜体部分可更换为钢化玻璃材质的筒体,透明的容器好处在于方便实验时观察釜内的流场状态,以及利用粒子图像测速技术(PIV)和数字粒子图像测速技术(DPIV)等观察筒体内液体的流场及速度场;根据测试的需要,不同规格釜体配套的搅拌器也可以方便地更换。釜体的上封头采用平封头,由不同规格的密封板嵌套组成,在保证部分密封的同时,也方便对不同搅拌轴、搅拌桨叶进行更换。釜体的下封头首次在试验机中采用工业应用较广的标准椭圆形封头,便于应用放大技术模拟,同时此种封头在搅拌操作时能有效消除流动不易达到的死区。

3.控制系统

控制柜是由测试用的计算机、有关的测试仪器以及操作台组成。不同搅拌器在不同转速下的实际功率通过变频器传入HP⁃JCA智能电子监控台,温度传感器的电信号也传入该电子监控台,再经过485转232模块传回软件界面。搅拌转速在软件界面上输入。软件内部嵌套了有关搅拌器的各个方程,通过软件子菜单,可以选择自定义桨叶,输入桨叶的各尺寸参数,选择输入各种搅拌器的相应参数及有关搅拌液体的测试数据,便能得到不同搅拌器的理论搅拌功率、搅拌效率等值。

三、反应釜搅拌器性能测试平台工作原理与特性

1.技术特性

搅拌器性能测试平台的技术参数见表2⁃2。

2.工作原理

测试平台的升降系统由传动装置与底座组成,并由2台电动机提供动力,其中调速电动机通过西门子6SE6440⁃2UD17⁃5AA1变频器来实现需要的搅拌转速,其功率也通过变频器传入软件。另外一台电动机利用液压原理实现搅拌轴的升降。桨叶是搅拌系统的重要部件,本测试平台配套了桨式、开启涡轮式、圆盘涡轮式、推进式等多种桨叶。

此种设计,一方面可以方便地更换桨叶,将搅拌轴升到釜体的上部,便可方便实现不同规格、型号桨叶的更换,另一方面当更换搅拌容器时,能保证搅拌轴在同一中心轴线上,而且根据釜体的变化,可以实现桨叶在釜体内垂直方向上任意位置的停留。

搅拌时间通常采用褪色法、电导率法和温差法来测定。考虑到精度及操作简便,本测试平台采用温差法来测定搅拌时间。测试平台的软件通过3根置于不同位置的温度传感器实现对3点温度实时检测与传输,HP⁃JCA智能电子监控台将温度传感器传来的电信号加以处理传输到软件。

基于对测试系统智能化的控制考虑,设计者开发出了配套的可视化软件系统。测试过程中,通过软件自动记录达到混合要求所使用的时间,并同步绘制出温度⁃时间图像,对搅拌过程及搅拌效果有直观的反映。

3.实验测试及分析

(1)搅拌时间的测定　在此测试平台对桨式、开启涡轮式、圆盘涡轮等7种传统桨叶进行测试。加入一定温度的水溶液至70%容积刻度处,然后将搅拌桨下降到合适高度,加入一定比例容积的90℃水溶液,输入不同搅拌转速进行混合时间的测量。图2⁃11为在转速为2r/s、3r/s、4r/s时的测试结果。

—桨式平直叶;—桨式折叶;—涡轮

六直叶;—涡轮六折叶;—圆盘六直叶;—圆盘六折叶;—推进式

由测试结果可以看出,此性能测试平台准确直观地反映了搅拌转速与搅拌效果(搅拌时间)之间的关联,即在一定的转速范围内,提高转速能显著降低搅拌时间。低转速时,桨式所用的搅拌时间比较长,涡轮六直叶式所用时间最短。随着转速的提高,液体的湍动加剧,各种搅拌器的搅拌时间均显著下降,且越来越接近。

(2)搅拌功率的测定　搅拌功率是桨叶的一个重要特性,理论搅拌功率按式(2⁃1)计算:

P=NPρN³d⁵(2⁃1)

其中,NP为搅拌功率准数,可由算图法及计算公式得到。测试平台采用永田进治的搅拌功率计算式,如式(2⁃2)所示。

NP=+B×(sinθ)^1.2(2⁃2)

其中,R_e为雷诺数;A,B,P为系数,由式(2⁃3)得到。

—桨式平直叶;—桨式折叶;—涡轮六

直叶;—涡轮六折叶;—圆盘六直叶;—圆盘六折叶;—推进式

R_e=(2⁃3)

其中,μ为测量得液体的黏度值;N为设定搅拌转速值;ρ为液体密度;D为釜体直径;H为液体深度。在水溶液中测试上述7种桨叶的功率,取转速分别为2r/s、3r/s、4r/s,测得结果如图2⁃12所示。

由图2⁃12可以得出,随着转速的增大,各搅拌器的实际消耗的功率明显增大。其中,桨式搅拌器所消耗的功率比较低,圆盘六直叶以及涡轮六直叶式所消耗的功率较大。转速相同时,桨式折叶桨所消耗的功率大约为涡轮六直叶桨及圆盘六直叶桨的2/7。使用有限元软件FLUENT6.3对3种搅拌桨的功率进行模拟。图2⁃13为实测功率与模拟功率的比较。比较2种结果可知本平台能比较准确地测定出搅拌桨所消耗的实际功率。各实际功率与理论功率的误差百分比均在10%之内。通过对7种桨叶测试结果可以看出,在水溶液中进行测试时,所得实验数据的误差均很小。随着溶液黏度的提高,实验过程中部分桨叶的功率误差略微增大。究其原因,一方面是随着黏度的增大,搅拌所消耗的功率也相应增大,从而使减速器及联轴器等的机械损失也增大;另一方面,测试用的桨叶存在一定的制造误差,随着黏度的提高,其引起的功率上的误差也越来越明显。

—模拟直圆盘涡轮;—实测斜桨叶;

—实测直开启涡轮;—实测直圆盘涡轮

四、反应釜搅拌器实验装置评价

本实验平台采用全自动液压升降系统、开放式透明搅拌罐、智能化变频调速系统以及可视化操作界面。相对于传统搅拌实验装置,操作者劳动强度大大降低,更加方便对拌槽的清洗和桨叶的更换,同时桨叶的定位精度也大大提高。开放式透明搅拌罐的设计以及可视化控制程序更加直观地反映出了罐内搅拌的过程,也为当前最新的粒子图像测速技术(PIV)的应用提供了平台。实验以及数值模拟结果表明该实验装置具有很高的精度,为搅拌性能的教学以及涂料工业新型桨叶的开发与优化提供了可靠的依据。