双层桨自吸式气液搅拌釜内的功率准数

高 勇 ，严 彪 ，胡 军 ，范晓勇

（1.榆林学院 化学与化工学院，陕西 榆林 719000；2. 陕西省低变质煤洁净利用重点实验室，陕西 榆林 719000；3. 西北大学 化工学院，陕西 西安 710069）

气液搅拌釜在生物、化工、石油、食品、制药等领域有着广泛的应用［1-4］。自吸式气液搅拌釜是在桨叶所在位置设置一定子结构，桨叶旋转将液体沿气体分散通道排出，产生负压，将大量气体沿定子筒自行吸入，吸入的气体被上层桨一次破碎后，进入定子上的气体分散通道，再被气体分散通道叶片二次破碎，均匀分布在液层中，进行气液接触。自吸式气液搅拌釜能够有效控制气体的吸入过程，具有吸气量大、结构简单、操作方便和能耗低等特点［5］，在氢氯化反应、臭氧溶解、氨解反应、烟道气脱硫、泡沫浮选、废水处理等过程中有着广泛的应用。

郝惠娣等［6］对单层桨自吸式气液搅拌釜的气液分散特性进行了研究，发现气含率分布均匀，气液分散效果好。秦佩等［7］对自吸式龙卷流型搅拌槽内的固液悬浮和气液分散进行了研究，发现固相颗粒的存在会使气含率明显降低，但对传质性能的影响较为复杂。高勇［5］对双层桨自吸式气液搅拌槽的临界转速、气含率和容积传氧系数进行了研究，发现合理的桨叶组合、桨叶间距是增强双层桨自吸式搅拌槽的吸气能力，提高双层桨自吸式搅拌槽氧传递效率的重要保证。但现有文献对自吸式搅拌釜的搅拌功率缺乏深入的研究。

本工作研究了双层桨自吸式搅拌釜的功率消耗，考察了搅拌转速、介质性质、桨叶组合、桨叶间距、下层桨叶角度和尺寸对功率准数的影响，并得出功率准数的关联式，为自吸式搅拌釜的工业应用提供数据。

1 实验部分

实验在平底有机玻璃搅拌釜中进行。实验介质分别为清水和蔗糖水溶液，性质见表1。搅拌釜的上层桨分别采用六直叶圆盘桨（6SBDT）和抛物线型桨（6P）；下层桨分别采用六叶上斜叶桨（6PBUT，结构见图1）和六叶下斜叶桨（6PBDT）。搅拌釜的几何尺寸见表2。

表1 实验介质的性质（25 ℃）Table 1 Properties of experimental medium(25 ℃)

图1 6PBUT的结构Fig.1 Structure of a six pitched blades upflow turbine(6PBUT).

表2 搅拌釜的几何尺寸Table 2 Geometry dimension of stirring tank

2 结果与讨论

2.1 搅拌转速对功率准数的影响

在传统的气-液搅拌设备中，气体流量和转速无关，而在自吸式搅拌釜中，气体吸入速率与搅拌转速有关。功率准数与搅拌转速之间的关系见图2。从图2可看出，随搅拌转速的增大，功率准数呈先减小后增大然后又减小的趋势。这是因为，当搅拌转速较低时，随搅拌转速增大，由桨叶产生的流量持续增加，对气体流动产生了越来越大的阻力，吸气量持续增加。桨叶旋转在叶片背后形成一低压区，当转速增大到一定值时，压力的减小足以使气体克服浮力留在低压区，从而形成气泡，且压力越低，气泡尺寸越大，桨叶背后的涡流运动强度降低，湍流能量减小，功率准数降低。当搅拌转速为300 r/min时，桨叶旋转产生的剪切力足够使气泡破裂时，气泡尺寸最大，功率准数达到最小。此后，随搅拌转速的增大，大量的气泡破裂，气泡尺寸减小，功率准数又开始增大。且气体吸入速率随搅拌转速的增大而增大，气含率增加，有相当一部分气体被液体牵引至搅拌釜底部，将气泡到达釜底时的搅拌转速定义为临界转速（对应图中功率准数最高点），此时桨叶作用决定了气泡的平均尺寸大小和流体流型。之后，随着搅拌转速进一步增大，气体吸入速率和涡流强度增加，破裂的小气泡再循环回到桨叶区域，且气泡尺寸随着搅拌转速的增加而增大。由于气泡的再循环，吸气量持续增加，导致桨叶区的分散密度减小，功率准数又开始大幅降低，当搅拌转速达到500 r/min时，下降趋势变缓。

对于自吸式气液搅拌釜，当转速达到临界转速时，气液反应才能充分进行。适宜的搅拌转速决定于气液反应的耗氧量，当气液反应要求的气含率在2%～3%时，搅拌操作可在临界转速下进行，当气液反应要求的气含率在7%～9%时，搅拌操作可在600 r/min下进行。

2.2 介质对功率准数的影响

搅拌介质不同时的功率准数见图3。由图3可见，功率准数随介质黏度和密度的增加而增大。这是因为，清水和蔗糖水溶液均属于牛顿流体，黏度和密度随蔗糖含量的增加而增大。密度和黏度增大，虽然可以延长气泡在液相中的停留时间，但气体吸入量减少，搅拌桨在旋转过程中受到的阻力增加，因此功率准数增大。

图2 搅拌转速对功率准数的影响Fig.2 Effects of stirring speed(N) on power number(Np).

图3 搅拌介质对功率准数的影响Fig.3 Effects of stirring medium on Np.

2.3 桨叶组合对功率准数的影响

桨叶组合不同时的功率准数见图4。

图4 桨叶组合对功率准数的影响Fig.4 Effects of impeller combinations on Np.

由图4可见，在下层桨相同时，上层桨为P型桨的功率准数小于上层桨为SBDT桨的功率准数。这是因为对于双层桨自吸式搅拌釜，上层桨的主要作用是吸入气体，下层桨的主要作用是将气体均匀分散在整个搅拌釜中［8］。SBDT桨具有较强的剪切作用，桨叶背后形成的气穴尺寸较大，整个搅拌釜内的流体流动呈剧烈的湍流状态，流动阻力较大，部分能量被转换成热量而耗散。P型桨的抛物线结构可使介质沿抛物面流动，对气泡的生长有一定的抑制作用，桨叶后形成的气穴尺寸与SBDT桨相比大大减小，流动阻力减小，吸气后搅拌功率的降幅较小，因此功率准数较小［9］，吸入气体的能力较高。在气-液两相操作中，在输入一定的功率时，能够吸入更多的气体，有利于气体在釜内的分散与混合。在上层桨相同时，下层桨为PBUT的功率准数小于下层桨为PBDT的功率准数。这是因为对于双层桨自吸式搅拌釜，上层桨吸入气体的能力依赖于下层桨向上层桨泵送液体的能力［10］。因此，适宜的桨叶组合为6P+6PBUT。

图5 桨叶组合不同时的流体流动特性Fig.5 Fluid flow characteristics with different impeller combinations.

对双层桨自吸式搅拌釜内的流体流动特性进行数值模拟，湍流模型采用RNG k-ε模型，利用控制容积法求解；压力-速度的耦合采用SIMPLEC算法，对流项的离散采用混合-上风差分格式，采用多重参考系法解决运动桨叶和静止釜体之间的相互作用，模拟得到的桨叶组合不同时的流体流动特性见图5。由图5可见，上斜叶桨对流体具有上扬作用，将下层桨附近的流体沿搅拌轴高速泵送到上层桨周围，泵送效率较高，气体吸入速率较大，两层桨之间的轴向作用较强，整个搅拌釜形成两个循环流动，气液混合均匀，因此功率准数较小。下斜叶桨对流体具有下压作用，使大部分流体沿斜下方流向釜壁，沿釜壁向上流动的流体到达下层桨所在高度后，流向改变回到桨叶区，使两层桨之间的涡环被挤压变形，整个搅拌釜内形成3个循环流动，搅拌混合效果较差，因此功率准数较大。

2.4 桨叶间距对功率准数的影响

桨叶间距不同时的功率准数和相对功率消耗（RPD）见图6。对于自吸式搅拌釜，由于气体是自行吸入，RPD定义为加定子后功率消耗与未加定子时功率消耗之比。RPD一般均小于1，RPD越小，相应的吸气后搅拌功率下降越多，使搅拌桨原有的输送能力降低，越不利于气液分散和混合［9］。由图6可见，功率准数随桨叶间距的增大而增大。在双层桨自吸式搅拌釜中，下层桨对功率的影响大约是60%～70%。当上层桨型相同，下层桨为PBUT时，PBUT可以使流体沿轴向和径向流动，沿径向流动的流体碰到釜壁向下流动时，流动方向不断的发生变化。桨叶间距L2越大，流动方向变化越剧烈，所有的动能都被耗散掉，能量耗散更大。且当桨叶间距L2增大时，RPD的降幅增大，下层桨向上层桨泵送流体所需的能量增加，泵送效率降低。因此当L2= 0.15 m时，功率准数最大。

图6 桨叶间距对功率准数和RPD的影响Fig.6 Effects of L2 on Np and relative power demand(RPD).

2.5 下层桨叶角度对功率准数的影响

下层桨叶角度不同时的功率准数和气含率见图7。由图7可见，功率准数随桨叶角度的增大而增大。这是因为具有较高泵送效率的叶轮具有较高的气体吸入速率，且泵送效率随桨叶角度的增大而减小［11］。当桨叶角度为30°时，气体的吸入速率最大，单位体积功耗下的气含率最大。因此当桨叶角度为30°时，下层桨向上层桨泵送液体的泵送效率最高，功率准数最小，搅拌釜内的流体混合更均匀。

图7 桨叶角度对功率准数和气含率的影响Fig.7 Effects of θ on power number and gas holdup(ε).

2.6 下层桨尺寸对功率准数的影响

下层桨尺寸不同时的功率准数和气含率见图8。由图8可见，功率准数随桨叶系数（L/D）的增大而增大。当L/D = 0.125时，气体的吸入速率最大，单位体积功耗下的气含率最大。因此当L/D = 0.125时，下层桨向上层桨泵送液体的泵送效率最高，功率准数最小，意味着在搅拌釜内要达到相同的混合效果，需要的搅拌功率较低。

图8 下层桨尺寸对功率准数和气含率的影响Fig.8 Effects of lower impeller dimension on power number and ε.

2.7 自吸式搅拌釜功率准数的数据关联

将双层桨自吸式气液搅拌釜的功率准数（Np）与雷诺数（Re）的关系表示为：Np∝Reα，在双对数坐标系中得出二者的关系（见图9）。由图9可知，随雷诺数的增大，功率准数呈先减小后增大再减小的趋势。随着搅拌转速的增大，大量气体被吸入。当气体实现自吸分散后，功率准数与雷诺数的关系为Np∝Re-0.84，此时流体质点之间的碰撞加剧，动量交换频繁，漩涡随时间的进程而增强，使破裂的小气泡在整个搅拌釜中分散均匀，因此随着雷诺数的增加，功率准数大幅降低。

图9 功率准数与雷诺数的拟合曲线Fig.9 Fitting curve of the power number and Re.

3 结论

1）随搅拌转速的增加，功率准数先减小后增大然后又减小。随介质黏度和密度的增大，功率准数增大。

2）适宜的桨叶组合为6P+6PBUT，采用该组合，桨叶背后形成的漩涡尺寸较小，搅拌混合效果最好，功率准数较小。随桨叶间距的增大，功率准数增大；当下层桨叶角度为30°，L/D = 0.125时，桨叶的泵送效率最高，单位体积功耗下的气含率最大，功率准数最小。

3）当气体实现自吸分散后，功率准数与雷诺数的关系为Np∝Re-0.84，随着雷诺数的增加，功率准数大幅降低。

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