带稳定翼四斜叶-Rushton组合桨釜内流场实验研究

肖志鹏 陶兰兰 陈 帅 周勇军

（1.南京工业大学机械与动力工程学院；2.江苏省特种设备安全监督检验研究院国家化工设备质量监督检验中心）

搅拌设备在化工生产中被广泛应用于物料混合、溶解、传热、制备悬浮液、聚合反应及制备催化剂等方面，在高分子材料的工业生产中使用占比85%以上［1～3］。 搅拌流程作为丁苯橡胶生产过程中必不可少的部分， 直接影响到产品的生产率、质量、生产成本和功耗成本，因此研究其特定搅拌器搅拌釜内的流场特性对于丁苯橡胶生产工程实践具有重要意义。

搅拌釜内流场的实验研究常通过粒子图像测 速（Particle Image Velocimetry，PIV） 技 术 进行［4～7］。 袁建平等通过PIV技术对四斜叶桨在介质为非牛顿流体搅拌槽内的流场流动状况进行了实验研究，结果表明搅拌转速明显影响槽内流场的流速分布、湍动能分布和涡量分布的位置和大小［8］。 周勇军等利用PIV技术和CFD模拟对二斜叶框式组合桨搅拌槽内的流动特性进行研究，探讨改进型框式组合桨的桨叶间距、离底距离、桨叶安装角度对釜内流场的影响，得到搅拌效果最佳的使用工况［9］。 宫磊等通过数值模拟的方式将六斜叶桨和涡轮桨进行组合， 研究了4种搅拌组合桨分别对发酵罐内流场和搅拌混合时间产生的影响，得到了最佳的组合桨叶为六斜叶和涡轮桨的组合桨［10］。 LIU B Q等提出了一种内桨由四叶片涡轮桨和Rushton涡轮桨组成的新型同轴组合搅拌桨，研究得到搅拌釜内热量传递效率随着内部桨或外部桨速度的增加而逐渐提升［11］。 高勇等通过搅拌实验的方式， 对比分析了六直叶圆盘-六叶上斜叶组合桨和抛物线型-六叶上斜叶组合桨， 可知抛物线型-六叶上斜叶组合桨的功耗较小，传质效果更好［12］。 杨娟等用实验的方法比较了向心桨、Rushton桨、 三斜叶桨分别作为上层桨的组合桨搅拌槽中流体的混合状态， 结果表明Rushton桨-斜叶桨组合桨对搅拌槽内流体的扰动作用加强，使得搅拌槽内流体的湍流状态增强［13］。 GE C Y等通过PIV技术测量和计算流体动力学模拟系统的研究了改进型斜叶片水轮机（m-PBT）下抽式叶轮的水动力特性，结果表明叶片形状的一些简单变化对速度分布有影响［14］。DOSTA＇L M等通过实验研究了六斜叶和可调节间隙的多级搅拌桨在锥形封头搅拌釜中的传热系数，并用该特征速度分析搅拌釜内壁面附近流体的努塞尔数［15］。 刘建新和徐彦采用阶跃激发响应技术对装有斜叶桨和涡轮桨的组合桨的反应器进行了实验研究， 得到了当桨叶尖速度高于一个临界值时，能够提高整个搅拌釜产物的收率［16］。 孙先朋通过PIV技术对四斜叶桨搅拌釜内介质为非牛顿流体的流场进行了测量， 讨论了不同溶液浓度的介质和不同转速对搅拌釜内流场的影响［17］。 以上是装配斜叶桨和斜叶组合桨釜内流场的相关研究文献。 装配带稳定翼的搅拌桨的优点在相关文献中也有报道。 杨飞燕等在轴流式搅拌桨安装上稳定翼并在稳定翼上安装了副叶，研究发现，在桨叶上安装稳定翼简单方便，有效提高了搅拌桨叶的工作效率［18］。 吴学安发现稳定翼结构能有效防止桨叶变形、 折断等问题［19］。 苗维华和文琳研究发现CBY-D系列的DCS控制带稳定翼和副叶的轴流式搅拌桨，可有效解决高速运转时搅拌装置产生振动、 形成涡流或气穴等问题［20］。

目前对涉及带稳定翼四斜叶-Rushton组合桨搅拌釜内流场的研究鲜见报道，笔者通过对实际生产的丁苯橡胶反应釜及其带稳定翼四斜叶-Rushton组合桨进行等比例缩小，得到对应实验模型。 利用PIV实验对不同转速、桨叶间距和离底距离几种工况条件下的釜内流场特性进行研究，以期为带稳定翼四斜叶-Rushton组合桨反应釜的工程应用和设计提供参考。

1 实验装置及方法

1.1 实验装置

实验过程中，为避免光的折射现象影响实验结果的准确性，将搅拌釜放入储水方槽。 储水方槽由厚度25 mm的透明玻璃制成，其模型如图1所示。 搅拌釜由透明树脂玻璃和不锈钢标准椭圆形封头组成， 搅拌釜壁厚为6 mm，C1为组合桨的离底距离，C2为组合桨的桨叶间距。C1和C2随不同的工况变化，搅拌釜的实验模型如图2所示，储水方槽和搅拌釜的结构尺寸数据见表1。

图1 储方水槽模型

图2 搅拌釜模型

表1 储水方槽和搅拌釜的结构尺寸

实验所用的带稳定翼四斜叶-Rushton组合桨由实际工程设备等比例缩小得到，其上层桨为带稳定翼四斜叶桨，模型尺寸如图3所示，下层桨为Rushton桨，模型尺寸如图4所示。带稳定翼四斜叶桨由4个斜叶叶片、4个稳定翼和轮毂制成， 稳定翼通过六角螺母螺栓固定在斜叶片中心部分，轮毂的高h=40 mm。 轮毂与Rushton桨轮毂相同，斜叶片倾斜角度θ1=45°，平均分布，夹角θ2=90°，四斜叶桨通过带稳定翼四斜叶桨去掉固定于斜叶片上的稳定翼叶片获得，结构尺寸参考带稳定翼四斜叶桨。 Rushton桨由6个直叶片、1个圆盘和轮毂制成，圆盘位于直叶片竖直方向中心位置，垂直叶片围绕圆盘平均分布，夹角θ3=60°，所有桨叶的叶片厚度均为t=2 mm。 其他尺寸见表2。

表2 带稳定翼四斜叶-Rushton组合桨的尺寸 mm

图3 带稳定翼四斜叶桨尺寸图

图4 Rushton桨尺寸图

1.2 实验方法

利用PIV系统对搅拌釜内的流场进行拍摄，PIV系统连接图如图5所示。 实验平台由搅拌控制实验装置和粒子成像测速装置组成，PIV部分设备如图6所示。

图5 PIV系统连接图

图6 PIV部分设备

在搅拌釜中注入甘油和水溶液，加入示踪粒子并搅拌均匀。 通过粘度计测得甘油-水溶液粘度为29.5 mPa·s，为避免发生折射现象，需要使方槽的液位与搅拌釜液位保持齐平。 打开双脉冲激光器发射出两条激光，在搅拌釜内形成两块明亮的示踪粒子区域， 相机连续拍摄两帧粒子图像，从这两张图像中可以得到在0.001 s内示踪粒子的位移，从而计算示踪粒子的速度，本实验每一工况下拍摄210组420张照片计算得到整个流场内的平均速度分布。 然后通过Tecplot软件对实验拍摄的结果进行处理，得到相应的速度云图。

2 实验结果与分析

2.1 转速对釜内流场的影响

不同转速下的速度云图如图7所示， 当转速N=70 r/min时（图7a），转速较低，釜内z/h为0.82～0.92、r/T为0.14～0.20区域和z/h为0.20～0.24、r/T为0.30～0.36区域出现深蓝色低速区域，表明釜内流场受桨叶传递能量较少， 釜内流体速度较低；当转速提升至N=90 r/min时 （图7b）， 在z/h为0.20～0.24、r/T为0.30～0.36区域的低速区域消失， 在釜内z/h 为0.46～0.54、r/T 为0.49～0.44 和z/h 为0.16～0.22、r/T为0.46～0.50等区域出现高速区域， 釜内流场速度分布有所改善；当转速进一步提升至N=110 r/min时（图7c），釜内高速区域向釜中心位置移动，由于高速区域位于搅拌釜中心位置，釜内速度分布较好，仅在釜内上部分区域出现了小部分的深蓝色低速区域； 随着转速的进一步提升，当N=130 r/min时（图7d），釜内上部深蓝色低速区域进一步缩小但并未消失，釜内高速区域范围有所增大，但釜内流场速度分布改善不大。 综合以上分析，转速N=110 r/min为最佳转速工况。

图7 4种不同转速的速度云图

2.2 桨叶间距对釜内流场的影响

不同桨叶间距下的速度云图如图8所示，图8a为C2=0.20h时釜内流场的速度云图， 在z/h为0.62～0.72、r/T为0.36～0.50区域内产生红色较高速区域。而在搅拌釜上层的z/h为0.82～1.00区域内出现了多个深蓝色低速区域，低速区域内易形成悬浮物。 同时上层桨的稳定翼与Rushton桨距离较近， 造成了稳定翼的切割作用， 阻挡了部分Rushton桨的射流作用， 在z/h为0.16～0.26、r/T为0.30～0.46区域产生了较低速区域，不利于搅拌混合。图8b为C2=0.23h时釜内流场的速度云图，此时在z/h为0.76～1.00区域内出现浅蓝色较低速区域，高速区域向釜内移动更有利于釜内整体的混合和传质。 在z/h为0.20～0.24、r/T为0.24～0.28区域产生了小部分的较低速区域， 相对于C2=0.20h时此区域范围明显减小，混合和传质效果更佳。 图8c为C2=0.26h时釜内流场的速度云图， 釜内上层流场的低速区域消失，但在z/h为0.16～0.32区域内出现大部分深蓝色低速区域，这对搅拌釜内的混合和传质效果是不利的。 综合以上分析，桨叶间距为C2=0.23h时最佳， 此时搅拌釜内混合和传质的效果最好。

图8 3种不同桨叶间距下的速度云图

2.3 离底距离对釜内流场的影响

不同离底距离下的速度云图如图9所示，在图9a中离底距离C1=0.19h，此时离底距离较小，搅拌釜上部分区域出现大范围的浅蓝色较低速区域， 且在z/h为0.76～0.90区域内出现了3个较大的深蓝色低速区域，可见此时桨叶位置较低，对搅拌釜上部分区域影响较小，易形成大范围的悬浮物。 在图9b中离底距离C1=0.24h，与C1=0.19h时相比，搅拌釜上部分区域浅蓝色较低速区域和深蓝色低速区域明显缩小，釜内高速区域上移至z/h为0.66～0.76、r/T为0.26～0.46区域， 图9b底部出现高速区域，说明C1=0.19h时高速区域位于釜底。在图9c中离底距C1=0.29h， 釜内上部分区域速度明显提升，但是由于桨叶上升，其对釜底的影响降低，在z/h为0.10～0.16、r/T为0.30～0.36区域显示出低速深蓝色，釜底速度降低，底部流速过低会导致出料口沉积物料，从而出现堵塞。 综合以上分析，C1=0.24h时釜内速度分布更合理。

图9 3种不同离底距离下的速度云图

3 两种组合桨实验结果的对比分析

3.1 速度云图

图10为两种组合桨在转速N=110 r/min、C1=0.24h、C2=0.23h下的速度云图，在图10a中，与四斜叶-Rushton组合桨在釜内z/h为0.22～0.32、r/T为0.34～0.44区域和z/h为0.50～0.64、r/T为0.34～0.50区域产生红色高速区域相比， 带稳定翼四斜叶-Rushton组合桨的釜内流场高速区域要更靠近釜内中心区域，高速区域分别位于z/h为0.66～0.76、r/T为0.26～0.46区域和z/h为0.10～0.20、r/T为0.14～0.24区域，且釜内上部分的低速区域范围更小，表明带稳定翼四斜叶-Rushton组合桨在釜内流场的速度分布相对更好，稳定翼的切割推流作用有助于釜内流场的速度分布，有助于釜内介质的混合和传质。 但在釜内中心位置稳定翼一定程度上阻挡了下层Rushton桨的射流，综合比较得到稳定翼的加入对釜内流场更有益。

图10 两种组合桨的速度云图

3.2 轴向无因次化速度分布

为研究两种组合桨分别对釜内流场流动的影响，对釜内r/T分别为0.12、0.16、0.20、0.24、0.28、0.32、0.36、0.40、0.44、0.48这10条轴向截取速度信息，每条截线等间距获取45个点进行无因次化速度计算，提取轴向速度进行无因次化计算处理即轴向无因次化速度为τ/Vtip，其中桨叶的叶端速度Vtip=πDN/60。

图11所示为两种组合桨轴向无因次化速度分布图。图11a所示带稳定翼四斜叶-Rushton组合桨轴向速度正峰值出现在z/h=0.58、r/T=0.44位置，负峰值出现在z/h=0.24、r/T=0.20位置，釜内中层的中心区域轴向无因次化速度较大，形成的高速回流有助于釜内流体的混合和传质。 图11b所示为四斜叶-Rushton组合桨釜内轴向无因次化速度分布，图中r/T为0.12、0.16、0.20这3条截线轴向无因次化速度分布变化趋势不明显，与图11a相比，在釜内桨叶附近出现无因次化速度峰值，其他区域无因次化速度降低， 而变化趋势不变， 在r/T为0.24、0.28、0.32、0.36、0.40、0.44、0.48 截 线 附 近 表现出较好的轴向循环流动，釜内轴向无因次化速度变化趋势更规律有序。 四斜叶-Rushton组合桨的轴向无因次化速度分布较好。

图11 轴向无因次化速度分布

3.3 径向无因次化速度分布

与轴向无因次化速度方法相同， 提取径向速度进行无因次化计算处理得到径向无因次化速度为v/Vtip， 径向无因次化速度分布如图12所示。

图12a为带稳定翼四斜叶-Rushton组合桨釜内径向无因次化速度分布图，上层z/h在0.9～1.0区域内径向无因次化速度较高，避免了上层悬浮结块的现象。 此区域向下的流速变化较为平稳，径向无因次化速度正峰值在r/T=0.28、z/h=0.74 和r/T=0.32、z/h=0.66位置产生， 径向无因次化速度负峰值在r/T=0.28、z/h=0.42位置产生， 径向无因次化速度峰值位于釜内中心桨叶附近，速度突变较少， 有利于提高釜内整体的混合和传质效果。而图12b中釜内流场径向无因次化速度变化趋势不明显，没有表现出较好的循环流动，所以带稳定翼四斜叶-Rushton组合桨的轴向无因次化速度分布更佳。

图12 径向无因次化速度分布

4 结论

4.1 转速N=110 r/min 时带稳定翼四斜叶-Rushton组合桨其上层的稳定翼切割推流作用表现明显，釜内上部分区域流速增大，有利于釜内介质的混合和传质；桨叶间距C2=0.23h时，两桨叶配合最佳，其稳定翼的切割推流作用使釜内形成最佳流场；离底距离C1=0.24h时，釜内上部分低速区域明显缩小，釜内速度分布合理，C1=0.24h为最佳桨叶间距。

4.2 对比带稳定翼四斜叶-Rushton组合桨与四斜叶-Rushton组合桨釜内流场， 稳定翼在釜内流场的积极作用更为明显，在z/h为0.5～0.6范围内稳定翼切割推流与Rushton射流配合更好，釜内上部分区域的流速加强，釜内中心区域介质的混合和传质能力得到进一步加强。

4.3 对比两种组合桨釜内流场的轴向、径向无因次化速度， 带稳定翼四斜叶-Rushton组合桨径向无因次化速度分布更好，其径向无因次化速度峰值位于釜内中心桨叶附近，有利于提高釜内整体的混合和传质效果，表明了稳定翼对釜内流体径向流动更加有益。