机械搅拌器

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(一)机械搅拌器的型式、尺寸及结构

见表3－5－1。井矿盐生产中应用较广的为表中的推进式、桨式、开启折叶涡轮式及螺带式等。表中所列通用尺寸及叶轮端部圆周速度，应用时可按配用传动机械的转速，略微超过表列范围。

表3－5－1 搅拌器的型式、尺寸、特性、材料和结构

注：(1)桨式与开启涡轮式在外型上并无区别。习惯上把桨叶数＜4，周速＜3m／s的开启式搅拌器称为桨式，而把桨叶数＞4，周速＞3m／s的开启式搅拌器称为涡轮式。事实上，如果提高桨叶数＜4的搅拌器的转速，它就起涡轮式搅拌器的作用；相反，如降低桨叶数＞4的搅拌器的转速，它也就起桨式搅拌器的作用。

(2)层流区、过渡区和湍流区可参考图3－5－6，N_R6＜10为层流区，此区内操作的液体相对运动极小。N_R6＞1000为湍流区，液体之间相对运动甚大。两者之间为过渡区。

(3)围绕一固定轴的液体连续回转称为涡流。由液体涡流所产生的液面凹陷称为旋涡。

(二)搅拌器的选型

1．搅拌器选型引导

(1)桨式搅拌器(包括桨式、锚式或框式) 一般转速较慢，约20～80r／min。平直叶桨式(锚式或框式)主要产生旋转方向的液流，轴向搅拌作用微弱，混和效能不高，但结构简单，仍广泛用于促进传热、可溶性固体的混和及溶解等缓和的搅拌操作。折叶桨式搅拌器能造成一些轴向液流，提高搅拌效果；在搅拌桶壁上加装壁挡板，能减少中央旋涡，并造成一定程度的轴向液流，适用于含有少量固体悬浮液的搅拌操作。在固体悬浮液的搅拌中，双叶桨式搅拌器叶片的最适宜宽度为：

B=(0．1～0．15)D₀ (3－5－1)

(2)涡轮式搅拌器 具有较高的转速，其剪切作用和容积循环速率大，搅拌效果好，适用于大容量、含固体小于60%、粘度较大的液体，也可用以制备相对密度差大的悬浮液。一般可将涡轮装在接近搅拌桶底部，使径向液流折而向上，卷起底部的沉淀颗粒。

井矿盐生产中，部分搅拌器采用二叶或四叶桨式，并提高转速，起到涡轮搅拌器的作用，并在搅拌桶壁加装壁挡板，用于卤水处理及盐浆搅拌，效果较好。

(3)推进式搅拌器 一般由三片螺旋推进桨组成。一般转速400～1750r／min，形成上下翻转的轴向液流。桨叶外如加装导流筒，可以加强轴向流动。当搅拌粘性液体及含有悬浮物的液体时，转速可维持在150～400r／min。推进式搅拌器能在较小的功率下得到高速转动，适用于搅拌低粘度的液体，制备乳浊液或搅拌固液比在50%以下的悬浮液。

(4)螺带式搅拌器 盐业上均用卧式结构，较广泛用于盐浆及芒硝回溶过程中的搅拌，转速一般为30～50r／min，长度从3m至9m不等。

对固体悬浮液，为保证颗粒全部离开桶底，搅拌器的最适宜转速应在“临界浮游速度V_o”以上，V_o按下列经验式计算：

式中 ρ_s——固体密度(kg／m³)

ρ——液体密度(kg／m³)

D_s——固体直径(m)

g_c——重力加速度(9．81m／s²)

R′——固液重量比

μ——液体粘度(Pa·s)

d，Ψ——系数，d=1．4，Ψ=1～2．0。

此式是在有挡板的搅拌桶中，使用各种搅拌器，在不同的液体中，以砂和氯化钠试验得出。

2．搅拌器叶数、搅拌器层数及层间距的决定对一般搅拌器，最适宜的叶数为：桨式、二叶；推进式，三叶；涡轮式，四叶或六叶。在固体大量粘附又要经常清理的情况下，叶数宜较少，可用二叶式。

(1)推进式搅拌器的层数可参考表3－5－2。

表3－5－2 推进式搅拌器的层数

(2)涡轮式搅拌器的层数E_。按下式计算：

式中 ρ′——相对密度，无因次；搅拌二相物料时，ρ′为平均相对密度

H——静液面与桶底距离(m)

有人认为，如被搅拌液体的密度和粘度近似于水，涡轮式搅拌器搅拌所及范围约可达4D，并随粘度增加而减小；当粘度达50Pa·s时，可小至D。

若液体粘度较大，各项有关参数都已决定，搅拌器的需要功率(轴功率)也经计算得出，还可用以下方法复核。

(3)推进式或涡轮式搅拌器的搅拌理论有效圆周半径R_o为：

式中 R_o——搅拌理论有效圆周半径(m)

N′——搅拌器无挡板时的轴功率(kW)

μ——液体粘度(Pa·s)

图3－5－1为应用式(3－5－4)的计算结果。

图3－5－1 搅拌理论有效圆周半径

推进式和平直叶涡轮式搅拌器的实际搅拌所及范围为：

推进式搅拌器，径向半径 =0．2R_a (3－5－5)

轴向半径 =0．6R_a (3－5－6)

平直叶涡轮式搅拌器

径向半径 R′_ak=0．5R_a (3－5－7)

轴向半径 R′_av=0．2R_a (3－5－8)

表3－5－3可作为搅拌器选型时的参考。

表3－5－3 搅拌器型式选用表

(三)搅拌器附件的选用

机械搅拌器配用的附件为挡板及导流筒。

1．挡板

(1)壁挡板 在下列场合可考虑搅拌设备内加装壁挡板：

①需要较大的搅拌强度、剪切作用或容积循环速率；

②需要被搅拌的液体上下翻腾，达到混合均匀，又不出现旋涡；

③为严格控制流型，实验与生产上应用时的搅拌流型必须相同；使搅拌保持在湍流范围内，并使用挡板。

设备内加装挡板到一定程度，在已定的转速下，再增加附件而轴功率不变，称为符合“全挡板条件”，其要求为：

通常径向安装四块壁挡板，其宽度为搅拌桶直径的1／12～1／10，即能满足全挡板条件。当桶的直径很大或很小时，可以酌量增多或减少挡板数。

壁挡板的上部可与静液面相平，下部与桶底有一定距离，见图3－5－2(a)。在固液比与固液相对密度差都较大时，此距离也需稍大，以免淤塞。

在固液相操作或液体粘度达7～10Pa·s时，挡板与罐壁应留出相当于叶片宽度10～15%的间隙；但至少需25mm，最大不超过40mm，见图3－5－2(b)。为进一步避免固体堆积或粘滞液体生成死角，壁挡

板可沿流动方向倾斜放置，宽度“J”为其投影宽度，见图3－5－2(c)。

图3－5－2 壁挡板

(2)底挡板 在固液相操作中，当固体颗粒相对密度大而难于悬浮时，可采用底挡板，见图3－5－3，使搅拌桶中的液流到达罐底后，沿挡板导引的方向挟带固体从中央流向罐壁，然后飘浮起来，使罐底不致沉积固体。

图3－5－3 底挡板

图中挡板尺寸的比例说明

D／D₀=1／2，B／D₀=1／10，Z=4 BW／D₀=1／10，B_H／D₀=1／20，R=4，C／D₀=1／4，ε_B／D=1／2 B_W－挡板 长度(mm) B_H－挡板高度(mm) εB－挡板中心与罐中心的径向距离(mm)

2．导流筒 推进式、涡轮式搅拌器均可加装导流筒，以达到特定的搅拌要求。加装导流筒后，流型能严格控制(使液体在筒外向上、筒内向下循环流动，或按相反方向循环流动)，混合效果可显着增强。与加装挡板不同的是流型各异，搅拌时流体中央仍有漩涡。

推进式搅拌器与导流筒之间的尺寸关系见图3－5－4。

图3－5－4 推进式搅拌器与导流筒的尺寸关系

D=(0．3～0．33)D₀ D₁=1．1D

H₄=D C=1．2D H₂≤0．5H₁

H=0．75H₀ H₃=0．8D

涡轮式搅拌器与导流筒之间的大致参考尺寸关系如下：

(1)与导流筒的间隙0．05D₀；

(2)导流筒高度不少于0．25D₀；

(3)涡轮式搅拌器的导流筒内壁可以具有与搅拌叶同样多或更多的叶片。搅拌器可

以布置在导流筒下端。

推进式搅拌器加装导流筒在固、液相搅拌时，为防止桶底沉积，可降低C值，如取C=0．1D₀。

(四)搅拌器运转时轴功率的计算

有模拟放大法和直接计算法两种。前法较为实用，但需进行试验，并找出计算关联式，功率计算时一般不具备此条件，故制盐上极少采用。直接计算法所得结果与实际结果不尽相等，但在没有可作依据的实用数据时，是决定轴功率的唯一方法。现介绍如下。

1．单一液相搅拌需要的功率

表3－5－1中各类搅拌器在单一液相中搅拌时所需功率的计算方法，见表3－5－4。

表3－5－4 牛顿型单－液相搅拌所需功率计算

实际操作条件与表3－5－4不同时，可先按表3－5－4计算，再用以下方法换算。

(1)搅拌叶外径和液面高度的影响可用下式推定：

式中 标注*的，符合表3－5－4所列的值。

(2)搅拌叶外径和罐底距离的影响

①推进式搅拌器：

在全挡板条件下，C／D=1时需要功率最大。

无挡板条件下，对平底罐，C／D对功率的影响成反比例关系。旋涡达到搅拌叶片时，由于吸入气体，功率急剧下降。

②涡轮式搅拌器：

无挡板条件下，对平底罐、旋涡未到达搅拌叶之前，C／D=0．35～2．5范围内，对平直叶涡轮消耗的功率影响不大。

图3－5－5 雷诺准数N_Re计算图

图3－5－6 各类搅拌N_Re～N_p(Ⅰ)

1－推进式，S／D=1，无挡板 2－推进式，S／D=1，全挡板 3－推进式，S／D=2，无挡板 4－推进式，S／D=2，全挡板 5－平直叶桨式 D／B=5／1，全挡板 6－圆盘平直叶涡轮式，全挡板 7－圆盘弯叶涡轮式，全挡板

图3－5－7 N计算图

图3－5－8 A的计算

连结任何两轴上的已知数与其他轴的交点即所求的未知数

图3－5－9 B′的计算图

连接任何两轴上的已知数与其他轴的交点即所求的未知数

图3－5－10 P的计算图

连接任何两轴上的已知数与其他轴的交点即所求的未知数

图3－5－11 各类搅拌N_Re～N_p(Ⅱ)

1－开启平直六叶涡轮式搅拌器B／D=1／5 2－开启平直六叶涡轮式搅拌器B／D=1／8 3－开启弯叶涡轮式搅拌器B／D=1／8 4－平启折叶六叶涡轮式搅拌器B／D=1／8

图3－5－12 开启折叶涡轮式搅拌器在无挡板条件下N_Re～N_p

在有挡板条件下，圆盘平直叶六叶式涡轮、开启平直叶六叶式涡轮及开启折叶六叶式涡轮，在=0．33和=0．6两种情况下，C／D与N_p关系曲线示于图3－5－13。

图3－5－13 涡轮式搅拌器底距与需要功率的关系

(3)搅拌器叶片宽度及叶片数的影响用水在直径约Φ250mm的搅拌罐内，于全挡板条件下，对不同叶数的开启平直叶涡轮式在湍流区内作试验，所得的数据关系如下：

式中 g——系数，当Z=2时，g=1．23；Z=4时，g=1．15；Z==6，g=1如计入叶片数影响，则可归纳成下式

在进行估算时，可以认为，在无挡板湍流区范围内，桨式和开启涡轮式的叶片宽和叶片数都符合以下关系：

BZ=常数 (3－5－13)

式(3－5－13)的含义是：改变叶片数对功率的影响和相应改变叶片宽度的影响相同；例如叶片数增加一倍和叶片宽度增加一倍的影响是一样的。

在全挡板条件下，圆盘式涡轮搅拌器所需功率和叶片数有以下关系(当Z=2～6时)

(4)搅拌器层数和层间距的影响

①推进式搅拌器 在高雷诺准数区域中操作时，双层搅拌叶与单层的影响见图3－5－14。若操作向层流区接近，双层的功率趋近于单层的两倍。图3－5－14中，S′为搅拌器的层间距(m)；N₁为单层搅拌器需要的功率(kW)，N₂为双层搅拌器需要的功率(kW)。

图3－5－14 推进式搅拌器层间距对需要功率的影响

②桨式搅拌器 在层流区操作时，如层间距，且D／D₀≤0．8，则双层的功率大约是单层的两倍；若D／D₀＞0．8，则功率会增加。在湍流区操作时，双层的功率与具有两倍宽度桨叶的单层功率相同。

③涡轮式搅拌器 图3－5－15所示为3种涡轮式搅拌器在全挡板条件下，B／D=1／3、θ=45°时，得到的S′／D与N₂／N₁的关联图(S′，N₂，N₁代表的意义同图3－5－14)。

图3－5－15 涡轮式搅拌器层间距对需要功率的影响

1－双层平直叶 2－平直叶和折叶组合 3－双层折叶

(5)搅拌设备内附件的影响 以无挡板条件下的功率N为基准，q代表附件影响系数，N′为有附件时的需要功率。

N′==N(1+εq) (3－5－15)

q值见表3－5－5。表中的q值只限液体粘度在0．1Pa·s下使用。

表3－5－5 罐内附件对需要功率的影响

2．非均相搅拌需要的功率 对非均相搅拌，应先算出平均物理常数，再和单一液相同样使用表3－5－4计算功率。

(1)对非均相的液－液搅拌

①平均密度 计算两相液体的平均密度：

=Xρ_z+Y_y (3－5－16)

式中 下标x及y为两相的标记，X及Y为所属两相的容积百分率。

②平均粘度 两相液体的粘度都较低时，平均粘度可用下式计算

(3－5－17)

式中 x、y及X、Y意义同式(3－5－16)。

(2)固－液相搅拌

①两相的平均密度 固液两相悬浮液的平均密度可用式(3－5－16)计算。

②两相的平均粘度 悬浮液的平均粘度由下式计算：

当x₀≤1时，

=μ_i(1+2．5x_v) (3－5－18)

当x₀＞1时，

=μ_i(1+4．5x_v) (3－5－19)

式中 μ_i——液体粘度(Pa·s)

x_i——固体颗粒与液体的体积比

采用、作为搅拌介质的物性，可视为单一液相搅拌来计算；但当固体颗粒在200目(0．076mm)以上时，用这种算法得出的功率偏小。

3．驱动搅拌器的电动机功率

电动机功率N_电按式(3－5－20)确定。

式中 K——启动时的功率因数

N′——搅拌器所需的轴功率(kW)

N_T——轴封摩擦损失(kW)

η——传动机构的效率

在多数情况下，上式中系数K=1。因一般异步电动机在启动时允许超载30%左右，而Y型电动机启动转矩与额定转矩之比可达2倍，另外由于所选电动机功率通常均圆整到比计算功率略大的标准数值，因而具有一定的功率储备量，启动时可补偿增加的消耗功率。当搅拌物料相对密度差很大，而且是很快分层的两相液体(固－液相或液－液相)时，K值可按下列数据选取：

推进式搅拌器

K≤1．3

桨式搅拌器

K≤2

多桨式、框式或涡轮式搅拌器

K≤2．5

N_T值，对填料密封可按式(3－5－21)、对单端面机械密封可按式(3－5－22)，进行近似计算。

N_T=6．67d²hn (3－5－21)

N_T=4．0d^1．2 (3－5－22)

式中 d——搅拌轴轴径(m)

h——不计密封环时填料密封圈的总高度(m)

n——搅拌轴转速(r／min)

η的值按附录B选用。应注意，对额定功率的减速机，其效率随负荷减少而明显下降。因此当选用比实际负荷大得多的额定功率减速机时，其功率损失较大。

由于影响搅拌操作的因素十分复杂，功率的理论计算值与实际需要值之间常有一定差异。在设计搅拌器时，应参考工厂中类似工艺过程的搅拌器，加以适当的修正。表3－5－6为几个真空制盐厂中不同搅拌器运转电流实测(电压380V)结果。

表3－5－6 几种搅拌器功率消耗实测值

(五)制盐常用搅拌器的强度计算

1．搅拌器强度计算的设计功率 对型式、规格相同的搅拌器，每层的设计功率为：

N层=(ηN_电－N_T)／E₀ (3－5－23)

每个搅拌器单个叶片设计功率为：

N_片=N_层／Z (3－5－24)

2．叶片的强度计算 当选用标准搅拌器时，应按标准规定的允许强度选用。

(1)直叶桨式搅拌器 这种搅拌器工作时的危险断面在桨叶根部Ⅰ－Ⅰ断面上(见图3－5－16)。其承受的弯矩为；

图3－5－16 钢制直叶双桨式搅拌器

M_I=97400N_片／n (kgf·cm) (3－5－25)

式中 n——搅拌器转速，(r／min)

对无加强筋的桨叶，断面对Y-Y轴的抗弯断面模数为；

式中 B——搅拌叶宽度(cm)

对于单侧有加强筋的桨叶，

W′=I_y／l₂ (3－5－27)

l₂=H₁－l₁(cm)

l₃==l₁－δ(cm)

Ⅰ－Ⅰ断面上的弯曲应力应满足：

σ1=M_I／W≤〔σ〕(MPa) (3－5－28)

或σ₁=M_I／W≤〔σ〕(MPa) (3－5－29)

(2)折叶桨式搅拌器 见表3－5－1。工作时危险断面在桨叶根部Ⅰ－Ⅰ断面上。Ⅰ－Ⅰ断面位置见图3－5－16。

式中 n——搅拌器转速(r／min)

对于无加强筋的折叶桨，其抗弯断面模数W按式(3－5－26)计算；对于单侧有加强筋的斜桨叶，其抗弯断面模数按式(3－5－27)计算。两式都考虑了螺栓孔对断面的削弱，若Ⅰ－Ⅰ断面上无螺栓孔时，则Z_σ=0。

Ⅰ－Ⅰ断面上弯曲应力σ₁应满足的条件按式(3－5－28)、(3－5－29)确定。

(3)直叶开启涡轮式搅拌器 工作时的危险断面在Ⅰ－Ⅰ断面上(见图3－5－17)，该断面的弯矩M_I计算见式(3－5－25)、Ⅰ－Ⅰ断面的抗弯断面系数W为：

图3－5－17 开启式涡轮搅拌简图

式中 B——搅拌叶宽度(cm)

Ⅰ－Ⅰ断面上弯曲应力σ₁应满足：

σ₁=M_I／W≤〔σ〕 (3－5－32)

式中 〔σ〕——浆叶材料许用应力(MPa)

(4)折叶开启涡轮式搅拌器 工作时危险断面在Ⅰ－Ⅰ断面上(见图3－5－17)。

式中 n——搅拌机转速，(r／min)

Ⅰ－Ⅰ断面的W计算见式(3－5－31)，σ₁应满足的条件见式(3－5－32)。

(5)推进式搅拌器 一般都选用标准型，设计时按推进式搅拌器(HG5－222－65)标准规定的N′／n数值进行验算即可。

(6)桨叶材料的许用应力〔σ〕

〔σ〕=σ_b／n_b (MPa) (3－5－34)

式中 σ_b——桨叶材料在设计温度下的抗拉强度，MPa

n_b——安全系数，碳钢n_b=3；不锈钢n_b=3．5；铸铁n_b=8；铸不锈钢n_b=5

(六)搅拌器的平衡

对刚性轴搅拌器，转速不大于60r／min时，可不作静平衡试验；超过60r／min时，需作静平衡试验。平衡要求，用许用偏心距〔e〕表示，见式(3－5－35)。制盐上，搅拌转速较低(＜500r／min)，搅拌器桨叶投影宽度B_i与其直径D之比(B_i／D)较小(＜0．7)，故通常不进行动平衡试验。

式中 〔e〕——许用偏心距(mm)

G——平衡精度等级(mm／s)，制盐上使用的只承受液柱压力的搅拌器，G=16mm／s

n——搅拌器转数(r／min)

平衡要求，用许用不平衡力矩M标注时：

〔M〕=〔e〕W (3－5－36)

式中 〔M〕——许用不平衡力矩(g-mm)

〔e〕——许用偏心距(mm)

W——搅拌器重量(g)

搅拌轴的同心度，尤其是两端简支及具有中轴承结构的搅拌轴，都影响搅拌器的平衡。因此，轴要校直，两端轴颈要一次装夹车削完成；采用无缝钢管作轴时，两端短轴要先焊接，再车削轴颈，否则将影响轴的同心度和搅拌器的平衡。