筒式搅拌器及其开发

素的影响, 也就是说, 漏斗形状受转速和搅拌叶轮
叶片形状的影响。因此, 搅拌叶轮的叶片设计时应
同时考虑转速大小、液体性质和混合要求等因素。
2. 3 搅拌叶轮的排液量和循环量 衡量搅拌器混合效果的指标之一是搅拌器的
排液量 Q d 和循环量 Q c, 分别定义如下 [ 4] :
Q d = N qd nd3
S trength. Journa l of P ressure V esse l techno logy o fA SM E, 2008, 130( 4): 1204~ 1210 6 段成红, 钱 才富. 操 作条 件对 胀接 接头 密封 性能 的影 响. 化工设备与管道, 2007, 44( 2): 18~ 21 7 罗敏, 于海, 刘巨保等. 介质温 度对换热 器胀接 接头的 影响分析. 化工机械, 2008, 35( 4): 228~ 231
从各叶片间被抛出的液体, 在容器内介质和 器壁的阻力作用下迅速转化为静压能, 在此静压 作用下又推动介质分别从上下端流向筒式叶轮内 部。为此, 筒体的作用不仅在于导流液体, 它还起 到管道连通器的作用, 是一个能量转换装置。 2 设计理论及分析 2. 1 液体质点运动
搅拌器工作时, 液体随搅拌叶轮一起作旋转
cr = csin
cu = ccos
( 3)
于是, cu = u - cr ctg!, 当 != 90 时, cu = u; cr =
时, 在静压能和动能的联合作用下, 器内液体从叶 轮上下顺次循环到具有强烈搅拌作用的叶轮内部
QT A
(QT
为液体流量,
A
为筒式叶轮开孔面积

)。
由于叶轮的混合性能与叶轮的排出性能、剪
泵叶轮, 因此排液量 Q d 大小与叶轮的流通面积 A 和叶轮出口处液体的径向速度 cr 有关系, 即:
Q d = A cr A = alb , 且 A ! d2
4
式中 a 叶轮筒壁开槽孔数目, a = 2~ 8 ;
l
槽孔周向弧长,
d 16
<
l<
4d, m ;
处排出的高速流液体, 对其周围的低速流液体具
2. 4 搅拌器有效功率分析
由流体力学知, 单位时间内搅拌桨对液体所
作的功为有效功率 N e, 它可以描述为单位时间内 液体力矩增量与搅拌桨旋转角速度 的乘积, 因
此介质的总能量为 N e = ∀M。
分析图 2中液体从搅拌叶轮进口 ∀ 1#流到出
口 ∀ 2#的过程中单位时间内动量矩的增量, 翅片
进口 ∀ 1#处, 液体在单位时间内动量矩 M 1 =
&2
n=
dn, 以
dn 代入上式, 则可以
得到最保守的排出流量数: N qd =
& dn =
2
=
4nd 4
2. 46。
按文献 [ 4]循环流量数 N qc = N qc { 1+ 0. 16 &
[
(
D d
)2-
1] }, D
/d 取
3 代 入,
得 N qc =
5.
61 。故
排液量 Q d = 2. 46nd3, 循 环量 Q c = 5. 61nd3, 其中 筒式搅拌器的 N qd、N qc值均高于其他常用搅拌器 的 [ 5] 。
在容器的中心处形成漏斗形凹坑, 而使叶轮暴露
并吸附空气。为了在操作中避免这种现象, 必须
禁止采用那么高的转速。如图 3 所示, 设容器半
径 R, 高为 H, 静止时液面高为 h, 搅拌器上端距容
器底的距 离为 h0, 漏斗底 面至容器 底面的 距离
为 [ 3] :
hm
in
=
h
-
R2 4g
2
( 4)
图 3 旋转的液体中心形成的 ∀ 漏斗 #
( 2)
式中 n 转速, 方向与液体 质点所在处的圆
周切线方向一致;
r 搅拌叶轮半径;
角速度;
流动角, 为 c与 u之间的夹角;
! 流动角, 为 w 与 u 反方向延长线之
间的夹角。
图 2 筒式搅拌叶轮流体速度
若将 c分解为径向分量 cr 和圆周分量 cu, 则 分别为:
到整个搅拌容器, 起着体积循环作用。从叶轮排 出的液体把来自叶轮的能量传递到容器各处, 同
#Q T c1 l1, 翅片进口 ∀ 2#处, 液体在单位时间内动量 矩 M 2 = #Q T c2 l2, 因而力矩增量为 ∀M = M 2 - M 1 =
#Q T c2 l2 - #Q T c1 l1, 其中, l1 = r1 cos 1, l2 = r2 cos 2 ( r1, r2 分别表示翅片内外圆半径 )。因此, 搅拌器
(N ortheast Petroleum University, D aq ing, 163318, H eilongj iang, Ch ina)
Ab stract The typ ica l slotted expanded jo ints w ere se lected as research ob jects to found the 3 D non linear fi n ite elem en t m ode.l The num erica l calcu lation o f the pressures of various tube passes and shell passes show s that the she ll pass pressure shortened the contact zone of the tube sheet and the heat exchange tube ax ially and reduced the sea l perform ance and the pull o ff strength; the tube pass pressure gradua lly increased the pull o ff streng th of the jo int and low ered the m ax im um residual contact pressure at the top of the tube shee.t The anal ysis m ethod and theoretical m ethod w ere prov ided for the design and construction of the expanded jo in ts of hea t exchange tubes under different w ork pressures. Keyw ords H ea t Ex changer, Expanded Jo in,t Residua l C ontact P ressure, W ork P ressure
对于搅拌机顶插式中心安装的立式容器, 器 内液体有 3种基本流形分别是径向流、轴向流和 切向流。径向流是指流体的流动方向垂直于搅拌
轴, 沿径向流动, 碰到容器壁面分成两股流体分别 向上、向下流动, 再回到叶端, 不穿过叶片, 形成上 下两个循环流动; 轴向流是指流体的流动方向平 行于搅拌轴, 流体由桨叶推动向下流动, 遇到容器 底面再上翻, 形成上下循环流动; 切向流是指在无 挡板的容器内, 流体绕轴作旋转流动, 高速时液体 表面会形成漩涡, 此时流体从桨叶周围周向卷吸 至桨叶区的流量很小, 混合效果很差。上述 3种 流型通常同时存在, 其中轴向流与径向流对混合 起主要作用, 而切向流应加以抑制。为了提高液 液介质的混合效率, 特别是对于深液面的搅拌, 筒 式搅拌器是一种创新, 它增强轴向流与径向流, 而 减小切向流。
关键词 筒式搅拌器 混合 设计
中图分类号 TQ051 7+ 2
文献标识码 A
文章编号 0254 6094( 2010) 05 0557 04
搅拌是化工过程的重要操作, 搅拌过程涉及 流体力学、传热、传质及化学反应等多种过程。搅 拌器有两大功能: 使液体产生强大的总体流动, 以 保证装置内不存在静止区, 达到宏观均匀; 产生强 大的湍动, 使液体微团尺寸减小。搅拌器选用得 当, 液团分割就细小, 混合组分之间接触面增大, 分子扩散速率增加, 混合效果就好。在工程设计 中, 常用的搅拌器有推进式、涡轮式、框式以及螺 带式等 [ 1] 。
为了叶轮上方边缘不至于裸露, 显然应该:
hm
in
=
h
-
R2 4g
2
∃ h0
由此求得:
1!
2 R
(h - h0 )g
( 5)
另外, 应使 hmax ! H , 否则可能会从容器中溅
出一部分液体, 即
h
+
R
2
4g
2
!
H, 由此得到:
2!
2 R
(H - h )g
( 6)
因此, 应当小于 1 和 2 中的较小者。 由于 大小受转速和切向分速度大小两种因
第 37卷 第 5期
化工机械
559
寸可以看出, 排液量的大小与开孔面积和叶轮出
口处液体的速度成正比。但是, 开孔面积并非越
大越好, 叶轮转速也不是越快越好。实验证明, 开
孔面积应不大于叶轮截面积, 否则会影响混合效
果; 叶轮转速增大, 不仅会使搅拌功率增加, 还可
以降低循环量。
由于搅拌器的推动作用, 高速旋转的液体会
( 收稿日期: 2010 01 08)
Influence of the Performance o f the Expanded Joints of Heat Exchangers on the P ressures of the Tube Pass and She ll Pass
CHEN Long, L IU Jubao, HU Yuhong, ZHANG Q iang