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２００５年４月高校化学工程学报ＪｏｕｍａｌＯｆＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｆＣｈｉｎｅｓｅＵｎｉＶｅｒｓｉｔｉｅｓＮｏ．２、ｂ１．１９Ａｐｒ２００５
文章编号：１００３－９０１５（２００５）０２－０１６２－０７
机械搅拌反应器中挡板的结构设计
沈春银，陈剑佩，张家庭，戴干策
（华东理工大学联合化学反应工程研究所，上海２００２３７）
摘要：研究了内径为Ｏ．７８６ｍ的搅拌釜中挡板尺寸及结构对圆盘透平桨ＲＴ和翼型桨ｋ５及其组合在气液两相中的
气体分散与混合特性的影响。对不同形式的挡板的搅拌功率、气含率及气液混合特性进行了对比分析。研究结果
表明：挡板尺寸结构应根据搅拌特性需要进行优化设计；挡板系数为Ｏ．１２时，组合浆的功率输入已与同一转速下
的全挡板系数时的功率输入相近，它同时可改善微观混合、提高混合效率；采用开槽挡板可提高复杂快反应的选
择性，混合效率提高２０％～２５％。
关键词：开槽挡板；搅拌；翼型桨：微观混合；分隔指数
中图分类号：ＴＱ０２７．３：ＴＱ０５１．７２文献标识码：Ａ
ＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄＤｅｓｉｇｎｏｆ
ＳＨＥＮＣｈｕｎ＿ｙｉｎ，ＢａｍｅｓｉｎＭｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙＡｇｉｔａｔｅｄＧａｓ－ｌｉｑｕｉｄＲｅａｃｔｏｒＣＨＥＮＪｉａｎ－ｐｅｉ，ＺＨＡＮＧＪｉａ－ｔｉｎｇ，ＤＡＩＧａｎ—ｃｅ
（ＵｎｉｌａｂＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＲｅａｃｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，
ＥａＳｔＣｈｉｎａＵｎｉＶｅｒｓｎｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｌｌｄＴｅｃｈｎｏｌｏ鼢
ｏｎＳｈａＩｌ曲ａｉ２００２３７，Ｃｈｉｎａ）ｆｏｒｔｈｅｉｍｐｅｌｌｅｒｓｏｆＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｅｆｆ色ｃｔｓｏｆｂａｆｎｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｓｉｚｅｇａｓｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎａｎｄｍｉｘｉｎｇ
ＲｕｓｈｔｏｎｔｕｒｂｉｎｅＲＴａＪｌｄｓｉｘ－ｂｌａｄｅｈｙｄｒｏｆｏｉｌ６ｋ５ａｎｄｔｈｅｉｒｍｉｘｅｄｉｍｐｅｌｌｅｒｓｗｅｒｅｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｉｎａｍｕｌｔｉ－ｐｈａｓｅａｇｉｔａｔｅｄｒｅａｃｔｏｒｗｉｔｈｉｎｎｅｒｄｉａｍｅｔｅｒｏｆ０．７８６ｍ．Ｆｒａｃｔｉｏｎａｊｇａｓｈｏｌｄｕｐ，ｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，
ｃａｓｅｍｉｘｉｎｇｔｉｍｅａｎｄｍｉｃｒＯｍｉＸｉｎｇｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎｉｎｄｅｘｗｅｒｅｍｅａｓｕｒｅｄｉｎｔｈｅ
ｓｉｚｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓ
ｐｕｒｐｏｓｅ．ＦＯｒｔｈｅｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｂａｆｎｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｂａｍｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａＪｌｄａｎｄｓｉｚｅｏｕｇｈｔｔｏｂｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄａｃｃｏｒｄｉｎ２ｔｏｔｈｅａｇｉｔａｔｉｏｎｗｉｔｈｓＩｏｔｍｉｘｅｄｉｍｐｅＩＩｅｒｓｉｎａｒｅａｃｔｏｒｂａｍｅｓ，ｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｐＯｗｅｒｃＯｎｓｕｍｐｔｉｏｎ
ｅｑｕａｌ印ｐｒｏａｃｈｉｎｇｔｏｔｈａｔｏｆｕｓｉｎｇｐｅｒｆａｃｔｃａｎｂａｆｎｅｓ（ｗｈｉｃｈＫＢ２０．３５）ｃａｎｂｅｓａｔｉｓｆｉｅｄ，ｔｈｅｍｉｃｒｏｍｉＸｉｎｇｉｓｉｍｐｒｏｖｅｄｔｏａｎｄｔｈｅｍｉｘｉｎｇｅｆｎｃｉｅｎｃｙｂｅｅｎｈａｎｃｅｄｗｈｅｎｔｈｅｂａｆｎｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔＫＢｏｆｔｈｅｕｓｅｄｓｌｏｔｂａｆｆｌｅｓｉｓ
０．１２．ＴｈｅｓｅｌｅｃｔｉＶｉｔｙｏｆｃｏｍｐｌｅｘｑｕｉｃｋｒｅａｃｔｉｏｎｉｓｉｍｐｒｏＶｅｄａｎｄｔｈｅｍｉｘｉｎｇｅｆｎｃｉｅｎｃｙｉｓｐｒｏｍｏｔｅｄａ＿ｂｏｕｔ２０％～２５％ｗｈｅｎｔｈｅｓｌｏｔｂａｍｅｉｓｕｓｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｌｏｔｂａ蝴ｅ；ａｇｉｔａｔｉｏｎ；ｈｙｄｒｏｆｏｉｌｉｍｐｅｌｌｅｒ；ｍｉｃｒｏｍｉｘｉｎｇ；ｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎｉｎｄｅｘ
机械搅拌反应釜是实施流体混合、气体分散与固相悬浮以及促进传热、传质的重要形式之一，在化工过程及相关的＝二业中占有很重要的地位【１￣４１。机械搅拌釜的合理结构包括搅拌釜结构和挡板结构。任何安置于叶轮转轴之外的静止部件都构成挡板。本文只考虑垂直安置于壁面的构件即壁挡板，简称挡板。
上一世纪四十年代末期，通过不同结构、尺寸挡板对功率影响的研究，提出了机械搅拌反应器设计的标准化【５】’即桨叶尺寸标准——Ｄ／产０．３３、挡板宽度标准一一彤丁＝０．０８３３。但＂１０宽度的挡板４块，已足够充分地改善搅拌Ｍ３，称为“充分挡板化”，再增加挡板的宽度和数目，不会取得进一步效果，并进一步指出挡板系数岛：Ｋ＝（Ｂ／丁）１。２仇＝０．３５
即为标准挡板条件，或全挡板｛刀。许多研究者给出的标准挡板的宽度为∥１０，但工业上更多的是刀１２，两者并无明显的差别。因此通常标准挡板即为宽度（刀１０～刀１２）挡板４块。
收稿日期：２００３，０４．０６；修订日期：２００４．１０．０８。
作者简介：沈春银（１９６６一），男，江苏东台人，华东理工大学讲师，博士。通讯联系人：戴干策，Ｅ．ｍａｉｌ：ｉｃｈｕｎｙ＠ｅｃｕｓｔ万方数据　ｅｄｕｃｎ
第１９卷第２期沈春银等：机械搅拌反应器中挡板的结构设计
“全挡板”、“标准挡板”的概念，对挡板宽度、数量，挡板安装方式建立了经验性或作出了经验性的规定。但标准挡板的尺寸和形状并不最优。为适应不同工况，对三叶后掠式桨叶桨，可采用指形挡板；对不同的混合目的，标准挡板的放置方式不同【８，９１。还有采用扭转元件挡板【１０】，当功率大于ｌｋＷ．ｍ－３和叶轮叶片角大于６０。时，其性能优于矩形挡板。对搅拌混合性能的优化要求，使挡板在搅拌流场中的作用重新受到关注，并使挡板型式趋于多样化。尤其是多叶轮多相系统，在气体分散、固体悬浮等操作状态下，挡板设计对整个系统性能有一定的影响，标准挡板，标准叶轮结构未必能适应特定的工艺要求…３。因而非标准状态下的叶轮、挡板及其相互作用成为搅拌研究的重要组成部分，并成为工艺改进的一种途径。特定的搅拌叶轮和特定型式的挡板设计相结合，可以给出更为优异的工艺性能。
本文研究挡板形式对翼型桨６ｋ５、圆盘涡轮透平桨ＲＴ及其组合桨的气液两相的气体分散及混合特性的影响，并提出了开槽挡板的新结构【ｌ２１，该开槽挡板可改善桨叶的混合性能、提高混合效率和反应的选择性。表ｌ机械搅拌釜的结构参数
Ｔｈｂｌｅ１Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ０ｆｍｅｃｈａｎｉｃａＵｙａｇｉｔａｔｅｄｒｅａｃｔｏｒ
２实验Ｉｋａｃｔｏｒｄｉａｍｅｔｅ“乃Ｏ．７８６ｍ
Ｈｅｉｇｈｔｏｆｃｌｅａｒｌｉｑｕｉｄ（Ｈ）（１，Ｏ～１．４）ｒ
本实验在内径０．７８６ｍ的有机玻璃搅拌釜中ｗｉｄｔｌＩｏｆｂａｆｆｌｅ（叨（Ｏ．０３加．１）ｒ
进行。搅拌釜采用碟形底：对称的两管管式通气Ｎｕｍｂｅｒｏｆｂａｍｅｓ（‰）４
Ｒａｔｉｏｏｆｓｌｏｔａｌｌｄ
分布器，两通气管对称地安置在直径４００ｍｍ的ｂａｍｅａｒｅａ（占）０～０．３
ＩｍｐｅｌＩｅｒｄｉａｍｅｔｅ“Ｄ）Ｄｋ严０．４５ｔＤＲｌ，＝０。４４７ｒ
么ｏｏ圆周上。通气管出口孔径为矽２８：根据实验要Ｄｉｓｔａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｉｍｐｅｌｌｅｒｓ（习０．６３ｒ
求，内部对称安装四块挡板，挡板距釜壁距离为ＣＩｅａｒａｎｃｅｏｆ１０ｗｅｒｉｍｐｅｌｌｅ“ｏ（０．２５加．４４５）７１
Ｇａｓｏｕｔｌｅｔ
Ｏ．１挡板宽度。采用的翼型桨与挡板结构及相关ｐｏｓｉｔｉｏｎ伊ｓ）Ｏ．１８１ｒ
ＴＶｐｅｏｆｒｅａｃｔｏｒｂｏｔｔｏｍＤｉｓｈｂｏｔｔｏｍ
参数见图ｌ～２和表１。实验中以自来水为液相、
空气为气相、搅拌转速变化范围为１５０～３５０ｒ．ｍｉｎ一、通气速率范围为１６～４８ｍ３．ｈ一（表观气速９．１６～２７．３ｍｍ．ｓ－１）。实验中，混合时间采用脉冲示踪电导率法测定【１３】：微观混合分隔指数采用偶合反应测定【１４】；功率用动态电阻应变片法测定【１５】；气含率用超声波液位计测定液位，然后用液位差法计算获得‘１６１，即测定搅拌釜中不通气时距釜底的液位Ⅳ和通气后距釜底的液位％，然后按下式计算气含率：
￡＝心旷｝ｑ｝ＨＱ
ＭｏｔＯｒ
Ｔｏｒａｕｅ
８砸跏‘［二二二］
Ｐｉｐｅｇａｓｓｐａ唱ｅｒ
８１０‘Ｂａ‘匡三三兰兰兰三习
Ｎａｒ．Ｂａｆ［＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝］Ｓｉｘｂｌａｄｅｈｙｄｒｏｆｏｉｌｉｍｐｅｌｌｅｒｋ５
图Ｉ６Ｋ５翼形桨与挡板的结构形式图２双层桨搅拌系统示意图
Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｃｏｆｓｉｘ．ｂＩａｄｅｈｙｄｒｏｆｏｉｌｉｍｐｅｌｌｅ‘Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｓｃｈｅｍｅｏｆｄｕａｌｉｍｐｅｌｌｅｒｓｗｉｔｈｈｙｄｒｏｆｏｉｌａｎｄ
６Ｋ５（ａ）ａｒＩｄｔｈｅｓｃｈｅｍｅｏｆｂａｆｆｌｅｓ（ｂ）ＲｕｓｈｔＯｎｔｕｒｂｉｎｅ
３结果讨论
３．１挡板的动力特性
功率数是搅拌叶轮的特征参数，反映了搅拌釜的功率消耗大小。对特定的叶轮，功率数随挡板系数的增大而增大，但当挡板系数达到一定数值时，功率数不会进一步增大，而是基本保持恒定‘＂。此
时的挡板系数称为全挡板条件，亦即搅拌功率达到饱和。前文已指出全挡板系数为０．３５。
万　方数据
高校化学工程学报
２００５年４月
图３为Ｏ．０３丁窄挡板、Ｏ．０６丁开槽挡板（开槽率０．１１）、０．０６５丁开槽挡板（开槽率０．２５）、０．１丁开槽挡板（开槽率０．２）
及０．１ｒ标准挡板对六叶圆盘透平桨、翼型６Ｋ５桨的功率
数的影响。由图３可见：挡板系数对二种搅拌叶轮的影响是不同的，对直叶圆盘涡轮桨的影响较大，对翼型桨的影响则较小，此结果与文献【１７】报道一致。
若定义同一转速下，不同挡板系数时的功率与全挡板条件下的功率之比为相对功率，用于表示挡板的动力特性，则获得的翼型组合桨（翼型６Ｋ５桨为下层桨、六叶圆盘涡轮桨ＲＴ为上层桨）的动力特性如图４。由图４可以发现：在翼型组合桨中，对于开槽挡板，当挡板系数达到Ｏ．１２时，对组合桨动力特性的影响已很小。
上述的挡板系数是用挡板的实际投影面积计算的。图３、４的结果表明，在挡板上开槽不会改变搅拌的动力特性规律，即可在挡板上开槽改变截面结构以满足特定需要；同时说明了满足搅拌功率并不需要很高的挡板系数。因此，在机械搅拌釜中，挡板完全可以根据搅拌特性进行结构优化。
３．２开槽挡板的气液两相特性
选用一组挡板系数接近Ｏ．１２的开槽挡板进行详细研究。此开槽挡板的结构尺寸为：挡板宽度０．０６丁、挡板开槽率为０．１ｌ、单槽缝，简称开槽挡板。选用０．１丁标准宽度的矩形挡板（简称标准挡板）和与开槽挡板等同挡板系数的矩形挡板（简称窄挡板），进行翼型组合桨的性能对比研究，结果如下。
３．２．１３．２．１．１
飞∞／乃“‘
圆盘涡轮桨、翼型桨功率数与挡板系数
ＰｏｗｅｒｎｕｍｂｅｒｏｆＩｔＴａｎｄ６ｋ５
ｂａｆｎｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ
Ｆｉｇ．３
ｖｅｒｓｕｓ
翼型组合桨６ｋ５ｕⅢ＋ＲＬⅫ的搅拌功率与
挡板系数的关系
ＲｅｌａｔｉＶｅｐＯｗｅｒｄｒａｗｏｆｃＯｍｂｉｎａｔｉｏｎｉｍｐｅｌＩｅｒ
６ｋ５Ｕ３５４＋ＲＬ钟
开槽挡板与标准挡板的特性比较持气特性
测定不同挡板条件下，不同通气速率和搅拌转速时的气含率结果如图５。图中结果表明，对于翼型轴流组合桨，使用开槽挡板可以改善搅拌体系的气液分散性能、提高气含率。这是因为挡板开槽改善了挡板附近的气液流动，总体循环加强的缘故。
ｖ｜、Ｎ．颤ｌ
Ｐ｜ｖ｜、融．试３
图５挡板型式对气含率的影响
Ｆｉｇ．５
Ｔｈｅｅｆｒｅｃｔ
ｏｆｂａｆ玎ｅ锣ｐｅｏｎｆ｝ａｃｔｉｏｎａＩｇａｓｈｏＩｄｕｐ
Ｇａｓｒａｔｅ：（ａ）１．ＯＶＶｍ（ｂ）１２５ＶＶｍ
万方数据　
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