【搅拌器设计-连载1】搅拌器的结构类型与尺寸

【搅拌器设计-连载1】搅拌器的结构类型与尺寸

在化工生产过程中，搅拌器作为关键设备之一，对于反应过程的效率、产品质量及成本控制有着直接的影响。不同的化学反应和生产工艺对搅拌器的需求各不相同，因此了解各类搅拌器的特点及其适用场景是提高生产效率的关键。

每一种结构的搅拌器都只对某一种或几种搅拌操作有良好的效果，任何一种搅拌器不可能适合所有类型的搅拌操作。因此，针对特定的搅拌操作工况，选择合适的搅拌器将是搅拌工艺设计的主要任务之一。本文介绍一些常用的搅拌器的结构和特点，以帮助设计人员选用。

 

一、推进式搅拌器

推进式搅拌器一般为3叶，也可为2叶或4叶。其叶片直径与搅拌内径之比为0.2～0.5，常取为0.33。螺距与叶片直径的比值为1～2。

如图所示为推进式搅拌器的结构简图。这是一种典型的轴流型搅拌器，因其在旋转时，将主要从轴的方向输出流体。推进式搅拌器容积循环速率大，在工作时能很好地使流体在随桨叶旋转的同时进行上下翻腾，即容易使低黏度流体流动处于湍流状态。但由于其在旋转时，主要对流体的作用为轴向的推力，对流体剪切力很小，这种搅拌器难以使高黏度流体处于湍流状态，也难以使高黏度流体充分搅拌混合。推进式搅拌器的转速一般应在100～500r/min范围内，故这种搅拌器一般适用于低黏度流体的混合操作。

 

二、开启涡轮式搅拌器

 

开启涡轮式搅拌器的桨叶有平直叶、后弯叶和折叶三种型式，桨叶数一般为4叶和6叶。上图为其结构简图。该搅拌器的一般尺寸范围和常用尺寸比例如下：

桨叶与水平面所成的角度：平直叶θ=90°；折叶θ=45°或60°。

弯叶式搅拌器的后弯角：α=30°、50°、60°或80°。

桨叶宽度与桨叶直径之比：b/dj=1/8～1/5。

桨叶直径与搅拌槽内径之比：dj/Di=1/5～1/2，一般可取1/3。

虽然折叶开启涡轮式搅拌器能在一定程度上使输出的流体沿轴向流动，但它基本上是一种径流型搅拌器。这种搅拌器在工作时，转速可高达300r/min ，其桨叶边缘能对流体作用很强的剪切力。折叶式叶轮所产生的剪切力虽稍小一些，但其能使流体产生轴向流动分量，改善搅拌槽内的流体流动状态。而弯叶式叶轮也将使对流体作用的剪力稍有减小，但能有助于降低搅拌所需要的轴功率。

这种搅拌器应在湍流区操作，这样搅拌效果才较好。因此，同推进式搅拌器相似，开启式涡轮也是一种高速型搅拌器。由于在没有挡板的情况下，它主要使流体形成径向流，流体的流动状态不利于混合。故如采用这种搅拌器时，一般应在搅拌槽内安装挡板，且满足全挡板条件。

三、圆盘涡轮式搅拌器

 

圆盘涡轮式搅拌器的结构与开启涡轮式相比，其桨叶不是直接与轴套焊接，而是焊接在一个圆盘上。这种搅拌器的桨叶也有平直叶、后弯叶和折叶三种型式，桨叶数有4叶、6叶、8叶，其结构尺寸如下：

桨叶与水平面所成的角度：平直叶θ=90°；折叶θ=45°或60°。

弯叶式搅拌器的后弯角：α=45°。

桨叶宽度与桨叶直径之比：b/dj=1/5。

桨叶直径与搅拌槽内径之比：dj/Di=1/5～1/2，一般可取1/3。

圆盘涡轮式搅拌器应使用在湍流区，其最高转速可达300r/min，一般应与挡板配合使用。

圆盘涡轮式搅拌器用于气液相搅拌效果最好，因其圆盘部分可阻挡气体直接上升，可延长气体在液相中的停留时间。同时，该搅拌器具有较高的容积循环速率和剪切率，从而有利于气泡的粉碎。另外，在同样的雷诺数条件下，圆盘涡轮式搅拌器比其他型式的搅拌器消耗更多的功率。因此，在气液相条件下可使用该搅拌器，以使得搅拌功率不至于太大。

四、桨式搅拌器

桨式搅拌器的桨叶有平直叶与折叶两种，而桨叶数总是2，其结构尺寸如下：

搅拌器直径与槽内径之比dj/Di=0.35～0.8，一般可取为0.5。

桨叶宽度与搅拌器直径之比b/dj=0.1～0.25。

折叶桨叶与水平面的夹角θ为45°或60°。

 

桨式搅拌器是一种径流式搅拌器，但折叶桨式叶轮也会对流体的轴向流动有一定效果。这种搅拌器的转速一般不高，最高也仅为100r/min左右，属于一种慢速型搅拌器。这是因为其桨叶直径需取得较大，如转速再高，会使得搅拌所需的功率太大。平直叶桨式搅拌器能对流体产生较大的剪切力，但其对流循环较差。因此，当将其用于黏度不是很大的介质时，往往可以考虑在搅拌槽内安装挡板，以获得使流体上下翻腾的搅拌效果。桨式搅拌器的结构简图如上图所示。

锚式和框式搅拌器

 

锚式和框式搅拌器的结构简图如上图所示。框式搅拌器与锚式搅拌器相比，在锚的上部增加了一个横叶。实际上，在框式搅拌器上还可增加立叶，以增大搅拌范围。锚式搅拌器和框式搅拌器的结构尺寸如下：

搅拌器直径与槽内径之比dj/D=0.9～0.98。

桨叶宽度与搅拌器直径之比b/dj=0.1～0.095。

搅拌器高与直径之比h/dj=1～0.48，视槽内流体液面高度而定。

同其他型式的搅拌器相比，这两种搅拌器在直径方向和高度方向都具有很大的搅拌范围，使得在搅拌槽内不会形成介质的流动死角。同时，它们在搅拌时能对流体产生较大的剪切力。所以，这两种搅拌器总是被用于高黏度流体的搅拌。由于这两种搅拌器的直径很大，因此，它们只能被用在低转速工况下，以避免需要很大的搅拌功率。这两种搅拌器的最高转速不超过100r/min，一般应在80r/min以内。故这两种搅拌器工作时，流体总是处于层流状态。

六、螺带式搅拌器

 

螺带式搅拌器是一种轴流式搅拌器，其结构型式有单螺带和双螺带两种。双螺带的两带螺旋方向相同，相角相差180°。上图所示为螺带式搅拌器的简图，其结构参数如下：

搅拌器直径与槽内径之比dj/D=0.9～0.98。

螺距与搅拌器直径之比s/dj=0.5、1.0、1.5。

螺带宽度与搅拌器直径之比b/dj=0.1。

搅拌器高与直径之比h/dj=1～3，视槽内流体液面高度而定。

C1为搅拌器离壁间距。

 

使用螺带式搅拌器可使搅拌范围为整个搅拌槽横截面。流体在螺带式搅拌器作用下，沿槽壁的流体在螺带的推动下向上流动，而在搅拌轴附近的流体向下流动。这种搅拌器同推进式搅拌器相似，对流体有较好的对流循环作用，但不能产生大的剪切力。与推进式搅拌器不同的是，它是一种慢速型搅拌器。这是因为为了增大搅拌作用范围，其直径要比推进式搅拌器大得多。从而与锚式一样，为了不至于需要很大的搅拌功率，其转速一般被限制在50r/min左右。

七、螺杆式搅拌器

 

螺杆式搅拌器也是一种轴流型搅拌器，桨叶的形状如螺旋输送机的叶片，其结构尺寸如下：

搅拌器直径与槽内径之比dj/D=0.4～0.5。

螺距与搅拌器直径之比s/dj=0.5、1.0、1.5。

搅拌器高与直径之比h/dj=1～3，视槽内流体液面高度而定。

螺杆式搅拌器主要用于高黏度流体，也是一种慢速型搅拌器，其转速的适用范围一般不大于50r/min，流体在其作用下处于层流状态。由于这种搅拌器的桨叶直径相对于其他几种慢速型搅拌器小，当在高黏度流体中操作时，其搅拌范围不够大。因此，该搅拌器所消耗的搅拌功率相对较小。

为弥补其搅拌范围不够大的缺陷，螺杆式搅拌器一般应同导流筒一起使用。螺旋桨叶在导流筒内推动流体向下流动，在该部分流体的作用下，使得导流筒外的流体向上流动。还一种方法是将搅拌器偏心安装，利用槽壁起到挡板的作用。在这种情况下，桨叶离开槽壁最近处的距离应小于dj/20。另外一个对搅拌能起到较好效果的方法是将螺杆和螺带搅拌器一起安装。外层螺带搅拌器的螺旋方向向上，而内层螺杆搅拌器的螺旋方向向下。当搅拌器工作时，搅拌轴附近流体向下流动，靠近槽壁处的流体向上流动，形成流体的对流循环。实际使用证明，对高黏度流体的搅拌操作，这种螺杆加螺带搅拌器的效果最好。但由于这种结构实际上相当于装了两个搅拌器，因此其消耗的搅拌功率会大于其他两种安装结构所需要的功率。

八、三叶后掠式搅拌器

 

这是一种径流型搅拌器，共有三个叶片。其叶片一方面向后弯曲；另一方面向上略有翘起，同翅形挡板结合使用，常用于搪玻璃釜中的搅拌操作。如上图所示为该搅拌器的结构简图。其结构尺寸如下：

搅拌器直径与槽内径之比dj/D=0.5。

叶片宽度与搅拌器直径之比b/dj=0.1。

叶片宽度与翘起高度之比b/h=0.4。

桨叶末端的弯曲角α=30°或α=50°。

上翘角为15°～20°。

三叶后掠式搅拌器一般用于低黏度、有腐蚀的流体搅拌操作中，流体流动状态一般为湍流，其转速范围为80～150r/min。它在工作时，由于安装了翅形挡板，故能使槽内流体形成上下循环流，循环量较大，同时作用也较好。另外，由于它的叶片沿旋转方向向后弯曲，因此这种搅拌器所消耗的搅拌功率较低。