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攪拌器功率的常用計(jì)算方法論文
摘要：攪拌器功率的計(jì)算是設(shè)計(jì)攪拌設(shè)備的關(guān)鍵，文章對(duì)常用的幾種攪拌器功率計(jì)算方法進(jìn)行總結(jié)，并給出各自的適用范圍。
關(guān)鍵詞：攪拌器功率；攪拌設(shè)備；計(jì)算方法
1攪拌器功率的概念
具有一定結(jié)構(gòu)形狀的設(shè)備中裝有一定物性的液體，其中用一定型式的攪拌器以一定轉(zhuǎn)速進(jìn)行攪拌時(shí)，將對(duì)液體做功并使之發(fā)生流動(dòng)，這時(shí)為使攪拌器連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的功率就是攪拌器功率。
2影響攪拌器功率的因素
攪拌器的功率與槽內(nèi)造成的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，所以影響流動(dòng)狀態(tài)的因素必然也是影響攪拌器功率的因素。如：
攪拌器的幾何參數(shù)與運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)：漿徑dj，漿寬b，漿葉角度θ，漿轉(zhuǎn)速n，漿葉數(shù)量z，漿葉離槽底安裝高度c等等。
攪拌槽的幾何參數(shù)：槽內(nèi)徑D，液體深度H，擋板寬度W，擋板數(shù)量z1，導(dǎo)流筒尺寸等。
攪拌介質(zhì)的物性參數(shù)：液相的密度，液相的黏度μ，還有重力加速度g等。
在研究攪拌器功率的時(shí)候，有兩個(gè)重要的參數(shù)，雷諾準(zhǔn)數(shù)Re和弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)Fr的函數(shù)。其中Re=n·dj2·/μ表示流體慣性力與粘滯力之比，F(xiàn)r=n2·dj/g表示流體慣性力與重力之比。
3幾種常見的功率計(jì)算方法
攪拌設(shè)備常用的功率計(jì)算方法有公式法、算圖法、實(shí)驗(yàn)推薦值法及按攪拌等級(jí)決定功率法等。
3.1公式法
通用的攪拌功率計(jì)算公式為：
公式（1）適用于無擋板且300<re<104時(shí)的過渡流攪拌，公式（2）適用于re>104或Re<300時(shí)的攪拌狀態(tài)，公式（2）只是在公式（1）的基礎(chǔ)上忽略了流體重力和粘滯力的影響而得出的，二者無本質(zhì)區(qū)別。在公式（2）中，由于密度、轉(zhuǎn)速n和葉輪直徑dj三個(gè)參數(shù)很容易求的，故計(jì)算攪拌功率的關(guān)鍵是求出功率準(zhǔn)數(shù)NP。
最常用的計(jì)算功率準(zhǔn)數(shù)NP的公式是永田進(jìn)治公式，對(duì)于無擋板攪拌罐的情況，永田進(jìn)治對(duì)雙葉平漿或雙葉斜漿得到如下的攪拌功率計(jì)算式：
永田公式的適用范圍：在有擋板的情況下，永田公式可解決單層的二葉漿式、直葉渦輪、折頁渦輪、盤式渦輪、錨式、框式等許多常用攪拌葉輪在全雷諾數(shù)域的攪拌功率問題；在無擋板情況下，還能用于多層漿式、直葉渦輪、折葉渦輪。
永田公式不適用的范圍：不能計(jì)算彎曲形葉片，如三葉后掠式、布魯馬金式、螺帶式和螺桿式等葉輪；對(duì)于低粘度物系不能用于有擋板情況下計(jì)算多層葉輪的攪拌功率。
由于永田公式基本上包含了常用的攪拌型式，所以對(duì)于永田公式適用范圍外的攪拌型式的攪拌功率計(jì)算方法，本文不再做詳細(xì)介紹。
3.2算圖法
除了用公式法計(jì)算功率準(zhǔn)數(shù)NP之外，還可以利用算圖法計(jì)算功率準(zhǔn)數(shù)NP，進(jìn)而求的攪拌功率。目前常用的算圖方法主要有三種，Rushton算圖、Bates算圖和EKATO算圖。Rushton算圖主要給出了推進(jìn)式、渦輪式和漿式攪拌器的NP算圖，詳見文獻(xiàn)[3]中的圖3-1；Bates算圖主要給出了開啟式渦輪、圓盤渦輪攪拌器的NP算圖，且都是用于罐內(nèi)有4塊擋板的全擋板條件的，且d/D=1/3、C/D=1/3、H=D，詳見文獻(xiàn)中的圖3-2；EKATO公司的算圖詳見文獻(xiàn)[3]的圖中的3-3，它給出了6片折葉開啟式渦輪，錨式，鋸齒圓盤渦輪等多種漿型的NP算圖。
3.3推薦值法
推薦值法是從攪拌作業(yè)功率的觀點(diǎn)決定攪拌過程的功率。通過從生產(chǎn)和小型試驗(yàn)得到的功率數(shù)據(jù)（這些數(shù)據(jù)都和具體的攪拌過程、攪拌器型式相聯(lián)系），來確定能滿足這一功率要求的攪拌器的尺寸與運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)，進(jìn)而歸納總結(jié)，給出幾種常用的攪拌過程對(duì)應(yīng)的攪拌功率。
攪拌過程中的功率值不僅與液體宏觀的循環(huán)流動(dòng)相聯(lián)系，而且與微觀的流體動(dòng)力過程相聯(lián)系。液體的單位體積的平均攪拌功率的大小，常以用來反映攪拌的難易程度。同樣一種攪拌過程，取液體單位體積的平均攪拌功率可參考文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]中NV的推薦值。
根據(jù)表中數(shù)據(jù)，只要操作時(shí)液體體積一定，就可求出某種攪拌過程所需要的攪拌功率。
文獻(xiàn)[1]中單位體積物料的平均攪拌功率單位為馬力/m3，攪拌用途亦較本表少3種，并規(guī)定了以上為推薦數(shù)據(jù)，且用于Re>104的渦輪攪拌器；而文獻(xiàn)[2]則要求最小軸功率宜大于表中數(shù)據(jù)，但未規(guī)定Re的適用范圍。盡管推薦值法在文獻(xiàn)[1]中規(guī)定了適用于渦輪攪拌器，但事實(shí)上，對(duì)于更節(jié)省功率的推進(jìn)式攪拌器來說，也是可以參考的。
3.4按攪拌等級(jí)決定攪拌功率的方法
按攪拌等級(jí)決定攪拌功率的方法使用于渦輪（下轉(zhuǎn)第179頁）式攪拌器。首先對(duì)多種攪拌過程按物料相態(tài)區(qū)分為三大類：互溶液體的混合（液-液相）、固相懸浮（液-固相）和氣體分散（液-氣相）。每種攪拌過程都有其要求的生產(chǎn)效果，如混合時(shí)間、傳熱速率、傳質(zhì)速率、固體溶解速度或氣體吸收速度等，達(dá)到這一生產(chǎn)效果的攪拌作業(yè)功率的大小可以通過攪拌器在介質(zhì)中攪拌時(shí)的所謂“動(dòng)力特性”來作為一種表征。對(duì)于采用渦輪式攪拌器的這三類攪拌，按動(dòng)力特性各自區(qū)分為10個(gè)等級(jí)，叫做攪拌等級(jí)，可查文獻(xiàn)[1]給出的攪拌分級(jí)表。攪拌等級(jí)確定后再一一確定攪拌器型式、數(shù)量、漿徑與轉(zhuǎn)速、功率消耗、擋板條件等，然后根據(jù)這些條件算得攪拌功率。
根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)表明：對(duì)于Re>300的各種攪拌狀態(tài)，其攪拌作業(yè)功率（氣體擴(kuò)散除外）均在表1推薦值范圍內(nèi)（即0.1～2KW/m3）。所以說，若所得單位體積物料的攪拌功率超出表1范圍，便可能造成功率不足或浪費(fèi)電能。
3.5按攪拌過程求攪拌功率的算圖
算圖的用法簡(jiǎn)便，從液體容積值與液體粘度值連線，交于參考線Ⅰ上某點(diǎn)，由該點(diǎn)與液體比重連線，交于參考線Ⅱ上某點(diǎn)，將該點(diǎn)與某一攪拌過程連線，交于攪拌功率線，即可由此求得該過程的攪拌功率。知道了攪拌功率之后，即可按攪拌過程的特點(diǎn)選擇攪拌器型式，選擇漿葉尺寸與漿的轉(zhuǎn)速。預(yù)定出這些數(shù)據(jù)后，用計(jì)算攪拌器功率的方法，試求出攪拌器的功率準(zhǔn)數(shù)NP和攪拌器功率，應(yīng)該使這個(gè)攪拌器功率適當(dāng)?shù)卮笥跀嚢韫β剩易罱K選擇的結(jié)果應(yīng)該是漿型合理、規(guī)格合宜。
4結(jié)語
上述介紹的幾種攪拌器功率的計(jì)算方法各有利弊和局限性，我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用時(shí)，可具體情況具體分析，根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的計(jì)算方法。在依據(jù)經(jīng)驗(yàn)和對(duì)比確定攪拌器功率的同時(shí)，亦可通過理論計(jì)算，得出攪拌器功率，并將計(jì)算所得作為一個(gè)重要的參考依據(jù)。
另外，現(xiàn)在流體力學(xué)的數(shù)值計(jì)算方法（CFD）已經(jīng)非常成熟，利用流體仿真計(jì)算來測(cè)算攪拌器功率的方法，亦非常接近實(shí)際情況；用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算可以與數(shù)值計(jì)算進(jìn)行相互間的驗(yàn)證，以保證結(jié)果更加接近實(shí)際應(yīng)用情況。
參考文獻(xiàn)
[1]陳乙崇.攪拌設(shè)備設(shè)計(jì).上海：上海科技出版社，1985.
[2]化工部設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)中心站.機(jī)械攪拌設(shè)備.北京：化工部工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)編輯中心，1994.
[3]王凱，虞軍等.攪拌設(shè)備.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.
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