赵洪亮等：高固含固液搅拌槽内颗粒悬浮与混合特性 ·55· 质过程，加快铝酸钠溶液分解，并能促进氢氧化铝晶体 1:33等比例冷态实验模型，保证了几何相似[)，实验 的均匀长大.但搅拌速度过快或过慢都是不利的，转 装置示意如图1(a)所示.搅拌槽采用有机玻璃制成， 速过低起不到搅拌作用，甚至可能造成沉槽：搅拌转速 配有两块特殊挡板，其底部呈弧形弯曲并延伸至槽底 过高会引起氢氧化铝的破碎和腐蚀，不利于砂状氧化 部，如图I(b)所示.搅拌桨为Intermig式轴向混合搅 铝的生产.1994年，广西平果铝厂建成，在国内最早将 拌桨，采用不锈钢加工而成，通过与扭矩传感器相连的 Intermig搅拌桨引入到种分槽设备中2)]，经过20多年 桨轴置于搅拌槽底部，在搅拌的同时可记录扭矩信息， 的实践验证该桨可有效地减少槽底及死角处的积料结 根据式(I)可计算出搅拌功率，进而得到Intermig搅拌 疤，提高了料液混合效果，并且相对于普通斜叶桨，搅 桨的功率准数[o] 拌功率大大降低，功耗约为折叶桨的1/5~1/4). 2TMN (1) 目前国内外对于Intermig桨的搅拌性能已有一些 P=Mo=60 研究成果，Bujalski等[采用褪色法和电导法在高固含 式中，P为搅拌桨理论功率，W:M为搅拌桨搅拌时所 体系下，对Lightnin3.10、3l5和Intermig桨的混合时间 受流体的阻力矩，N·m:o为搅拌桨旋转角速度，rad· 做了考察，研究发现在较高的固含体系下混合时间要 s;N为搅拌桨转速，r.min 比单一液相中大两个数量级以上，对于Intermig这种 BI+ 需要较高的能量耗散率才能达到固体悬浮的搅拌桨， 混合时间增加得很小，在5倍左右.[brahim和Nien- ow[)采用包括ntermig桨在内的五种搅拌桨，对颗粒 在牛顿流体中悬浮规律进行研究，并与之前在低黏度 流体中的研究[]做了对比，研究表明在较高的黏度下， 颗粒在达到悬浮之前，自由粒子的数量要更少.液体 黏度从10-3Pa·s增加到0.01Pas后，双层ntermig桨 的搅拌性能显著提高，在液体黏度为1Pa·s时，单层 Intermig桨的搅拌效率最高.Aubin和Xuereb]采用计 算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法 模拟了多层ntermig搅拌桨的流体动力学和混合特 性.通过优化桨叶之间的排布，扩展了Intermig桨的操 a b 作条件，在保证桨间流体交换的同时，搅拌雷诺数可以 1一扭矩传感器：2一ntermig搅拌桨：3一挡板：4一PC6D颗粒密 降低至更低(R=27).李洪涛[s]通过实验和数值模拟 度测量仪：5一计算机：6一光纤探头：7一平面镜（测量临界悬浮 方法对Mig-0.7、Intermig-0.7和Mig-0.9三种多段逆 转速N) 流桨功率特性、混合特性以及流场特性进行研究.实 图1固液搅拌槽实验装置示意图 验测定了三种桨在不同浓度羧甲基纤维素(carboxym- Fig.1 Schematic diagram of the solid-liquid stirred tank ethyl cellulose,CMC)水溶液和不同搅拌转速下的混合 利用实验室模型对工业搅拌槽进行模拟时，在满 时间和功率消耗，并分析得到Metzner常数Mig-0.9最 足几何相似的同时，还需要满足动力相似条件四，本 大，Interming-0.7次之，Mig-0.7最小.上述研究中所 研究中需要确定合适的搅拌转速范围.目前氧化铝企 采用的均是原始的Intermig桨型，并且研究体系大都 业中采用的晶种分解槽大多是一种大型平底机械搅拌 集中在单相流或固含相对较低的固-液两相流.而在 槽，它是结合我国国情设计的国内最大搅拌槽，直径 冶金行业中种分设备上所采用Intermig桨在桨叶结构 14m,高30m,有效容积4400m.对于固-液悬浮体系 上做了改进，同时应用在较高固含体系下，关于这方面 搅拌槽，搅拌转速N与槽径T应满足以下关系式： 的研究目前还较为欠缺.因此，本文着眼于工业上大 N2=N(T/T2) (2) 型种分槽液-固搅拌体系，对槽内流场、颗粒的悬浮与 其中X的取值应在3/4~1之间.工业上根据不同的 分布、能耗等情况做了系统深入的研究，以期为工业上 桨叶结构，种分槽内搅拌转速在4~7r·min之间不 工艺的优化、技术更新和设备放大提供指导 等.根据上述分析，本实验中所采用的搅拌转速范围 1研究方法 在130~150rmin之间. 分别选用氯化钙溶液和玻璃珠作为液固两相模拟 1.1实验装置 种分槽内铝酸钠溶液和氢氧化铝颗粒液-固两相间的 以工业上直径14m大型平底搅拌槽为原型，建立 混合与运动.实验中物料属性、设备参数和操作条件赵洪亮等: 高固含固液搅拌槽内颗粒悬浮与混合特性 质过程,加快铝酸钠溶液分解,并能促进氢氧化铝晶体 的均匀长大. 但搅拌速度过快或过慢都是不利的,转 速过低起不到搅拌作用,甚至可能造成沉槽;搅拌转速 过高会引起氢氧化铝的破碎和腐蚀,不利于砂状氧化 铝的生产. 1994 年,广西平果铝厂建成,在国内最早将 Intermig 搅拌桨引入到种分槽设备中[2] ,经过 20 多年 的实践验证该桨可有效地减少槽底及死角处的积料结 疤,提高了料液混合效果,并且相对于普通斜叶桨,搅 拌功率大大降低,功耗约为折叶桨的 1 / 5 ~ 1 / 4 [3] . 目前国内外对于 Intermig 桨的搅拌性能已有一些 研究成果,Bujalski 等[4]采用褪色法和电导法在高固含 体系下,对 Lightnin310、315 和 Intermig 桨的混合时间 做了考察,研究发现在较高的固含体系下混合时间要 比单一液相中大两个数量级以上,对于 Intermig 这种 需要较高的能量耗散率才能达到固体悬浮的搅拌桨, 混合时间增加得很小,在 5 倍左右. Ibrahim 和 Nien鄄 ow [5]采用包括 Intermig 桨在内的五种搅拌桨,对颗粒 在牛顿流体中悬浮规律进行研究,并与之前在低黏度 流体中的研究[6]做了对比,研究表明在较高的黏度下, 颗粒在达到悬浮之前,自由粒子的数量要更少. 液体 黏度从 10 - 3 Pa·s 增加到0郾 01 Pa·s 后,双层 Intermig 桨 的搅拌性能显著提高,在液体黏度为 1 Pa·s 时,单层 Intermig 桨的搅拌效率最高. Aubin 和 Xuereb [7]采用计 算流体力学( computational fluid dynamics, CFD) 方法 模拟了多层 Intermig 搅拌桨的流体动力学和混合特 性. 通过优化桨叶之间的排布,扩展了 Intermig 桨的操 作条件,在保证桨间流体交换的同时,搅拌雷诺数可以 降低至更低(Re = 27). 李洪涛[8]通过实验和数值模拟 方法对 Mig鄄鄄0郾 7、Intermig鄄鄄0郾 7 和 Mig鄄鄄0郾 9 三种多段逆 流桨功率特性、混合特性以及流场特性进行研究. 实 验测定了三种桨在不同浓度羧甲基纤维素( carboxym鄄 ethyl cellulose, CMC)水溶液和不同搅拌转速下的混合 时间和功率消耗,并分析得到 Metzner 常数 Mig鄄鄄0郾 9 最 大,Interming鄄鄄0郾 7 次之,Mig鄄鄄0郾 7 最小. 上述研究中所 采用的均是原始的 Intermig 桨型,并且研究体系大都 集中在单相流或固含相对较低的固鄄鄄 液两相流. 而在 冶金行业中种分设备上所采用 Intermig 桨在桨叶结构 上做了改进,同时应用在较高固含体系下,关于这方面 的研究目前还较为欠缺. 因此,本文着眼于工业上大 型种分槽液鄄鄄固搅拌体系,对槽内流场、颗粒的悬浮与 分布、能耗等情况做了系统深入的研究,以期为工业上 工艺的优化、技术更新和设备放大提供指导. 1 研究方法 1郾 1 实验装置 以工业上直径 14 m 大型平底搅拌槽为原型,建立 1颐 33 等比例冷态实验模型,保证了几何相似[9] ,实验 装置示意如图 1(a)所示. 搅拌槽采用有机玻璃制成, 配有两块特殊挡板,其底部呈弧形弯曲并延伸至槽底 部,如图 1(b)所示. 搅拌桨为 Intermig 式轴向混合搅 拌桨,采用不锈钢加工而成,通过与扭矩传感器相连的 桨轴置于搅拌槽底部,在搅拌的同时可记录扭矩信息, 根据式(1)可计算出搅拌功率,进而得到 Intermig 搅拌 桨的功率准数[10] . P = M棕 = 2仔MN 60 . (1) 式中,P 为搅拌桨理论功率,W;M 为搅拌桨搅拌时所 受流体的阻力矩,N·m;棕 为搅拌桨旋转角速度,rad· s - 1 ;N 为搅拌桨转速,r·min - 1 . 1—扭矩传感器; 2—Intermig 搅拌桨; 3—挡板; 4—PC6D 颗粒密 度测量仪; 5—计算机; 6—光纤探头; 7—平面镜(测量临界悬浮 转速 Njs) 图 1 固液搅拌槽实验装置示意图 Fig. 1 Schematic diagram of the solid鄄鄄liquid stirred tank 利用实验室模型对工业搅拌槽进行模拟时,在满 足几何相似的同时,还需要满足动力相似条件[11] ,本 研究中需要确定合适的搅拌转速范围. 目前氧化铝企 业中采用的晶种分解槽大多是一种大型平底机械搅拌 槽,它是结合我国国情设计的国内最大搅拌槽,直径 14 m,高 30 m,有效容积 4400 m 3 . 对于固鄄鄄液悬浮体系 搅拌槽,搅拌转速 N 与槽径 T 应满足以下关系式: N2 = N1 (T1 / T2 ) X . (2) 其中 X 的取值应在 3 / 4 ~ 1 之间. 工业上根据不同的 桨叶结构,种分槽内搅拌转速在 4 ~ 7 r·min - 1 之间不 等. 根据上述分析,本实验中所采用的搅拌转速范围 在 130 ~ 150 r·min - 1之间. 分别选用氯化钙溶液和玻璃珠作为液固两相模拟 种分槽内铝酸钠溶液和氢氧化铝颗粒液鄄鄄 固两相间的 混合与运动. 实验中物料属性、设备参数和操作条件 ·55·