2024年3月21日发(作者：冠清漪)
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第４３卷第５期
２００６年ｌ０月
化工设备与管道
Ｖｏ１．４３ Ｎｏ．５
０ｃｔ．２００６
ＰＲＯＣＥＳＳ ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ＆ＰＩＰＩＮＧ
新型组合桨混合性能研究
靳兆文
（南京化工职业技术学院，南京２１００４８）
摘要：根据聚合反应的特定工艺过程要求，提出了一种新型双轴搅拌桨，并设计实验对其宏观混合性能进行研究，与常规桨型进行对比，结
果表明该桨在高粘度流体内混合时间、排液量、混合效率等方面较常规桨型好。不但能在较短的时间内实现全罐的均匀混合，没有死
角，而且还具有节能降耗的优点。
关键词：双轴组合桨；混合；实验研究
中图分类号：ＴＱ０５１．７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—３２８１（２００６）０５－００４１－０４
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｍｉｘｉｎｇ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｆｏｒ Ｎｅｗ Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｉｍｐｅｌｌｅｒ
Ｊｉｎ Ｚｈａｏｗｅｎ
（Ｎａｎｊｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＣｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｉｆｎｇ ２１００４８）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ，ａ ｎｅｗ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｗｉｔｈ ｄｏｕｂｌｅ ｓｈａｆｔｓ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘ—
ｐｅｒｉｍｅｎｔ ｔｏ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｈｅ ｍａｃｒｏ ｍｉｘｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｉｓ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｗｉｔｈ ｎｏｒｍａｌ ｉｍｐｅｌｌｅｒｓ，ｔｈｅ ｎｅｗ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ
ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ｎｏｒｍａｌ ｉｍｐｅｌｌｅｒｓ ｉｎ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｍｉｘｉｎｇ ｔｉｍｅ，ｌｉｑｕｉｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ａｎｄ ｍｉｘｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ ｌｉｑｕｉｄｓ．Ｔｈｅ ｎｅｗ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｃａｎ
ｍａｋｅ ｔｈｅ ｍｉｘｅｄ ｌｉｑｕｉｄｓ ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｈａｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｗｉｔｈ ｄｏｕｂｌｅ ｓｈａｆｔｓ，ｍｉｘｉｎｇ，ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ
搅拌设备在石油、化工、医药、农药、染料、肥料、
食品、日用化学品与化妆品等流程工业中占工艺设
备的比重比较大，如在化工三大合成生产中，搅拌设
备占反应设备的９０％，占整个工艺设备的５％～
２５％…
。
设计出了一种新式有机玻璃反应釜来进行冷模实
验。其结构如图１所示，其内径５００ ｍｉＴｔ，壁厚ｌ０
ｍｌＹｌ，高８００ １ＴＩ１ＴＩ，釜底采用椭圆形封头。
该搅拌设备独特之处在于其搅拌桨的结构。搅
拌桨总共由两部分组成——内桨和外桨。其中内桨
由倾斜４５。的双层平直桨叶组成，外桨由一个类似
于锚式搅拌器的外框加桨叶组成。桨叶安装在外框
桨上，左右对称各一片，也扭转成４５。，但与内桨扭
转的方向相反。外桨直径与釜径之比为０．９８，最底
而与之形成对比的是，我国的搅拌设备严
重落后，对于一些大型的关键设备如聚合反应釜等，
长期以来一直依靠进口，这一方面消耗了我国大量
的外汇储备，另一方面也严重阻碍了我国民族化学
工业的发展 。这一情况已经引起国内相关机构
和科研人员的重视，越来越多的人员已经加人到搅
拌设备的研制之中，但目前应用于生产实际的并不
多 Ｊ。本课题是为“抚顺石化公司化塑厂４万吨／
层桨叶和下部框之间，固定于内桨轴的上部。内桨
和外桨的宽度相等，并且等于桨叶之间的空隙宽度。
内桨端部与外桨框之间的宽度相等，也等于桨叶宽
度。外桨外框和下框距反应釜器壁较近，并且在近
器壁一边安装有聚四氟乙烯刮板。工作时，内桨逆
时针旋转，外桨顺时针旋转。内外桨转速可调，转速
比保持恒定。其结构特点集中了平斜直桨，锚式桨
和挡板的作用，又解决了挡板带来的死角效应。
收稿日期：２００６－０１—１６
作者简介：靳兆文（１９７３一），男，讲师，工学硕士，教研室主任。研究
方向：高效过程装备以及新材料。
年聚苯乙烯装置扩产为ｌ０万吨／年”提供基础研究
研制的一子课题，针对聚合反应的特点，本文提出了
一
种新型组合桨，以期在聚合反应过程中取得良好
的搅拌效果，为工业生产提供构型简单、高效、低耗
的搅拌桨。
１ 实验条件介绍
１．１ 实验设备
根据聚合反应的特定工艺过程要求，本课题组
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・
４２・ 化工设备与管道 ２００６年第５期
图１ 组合桨结构示意图
１。２实验原料
溶液采用江苏张家港三惠化工厂生产的羧甲基
纤维素（简写ＣＭＣ），牌号为ＦＶＨ６进行配置，配置
成两种配比：１．５％ＣＭＣ和４．０％ＣＭＣ水溶液，用
来模拟假塑性流体。
用德国Ｈａａｋｅ公司生产的ＲｈｅｏＳｔｒｅｓｓ６００旋转
流变仪测定ＣＭＣ溶液的稠度系数 和流变行为
指数ｎ，测得４．０％ＣＭＣ溶液的稠度系数Ｋ ＝
０．９７９ ３Ｎ・Ｓ２／ｍ
，
流变行为指数／＇ｔ＝０．３８３ ９；１。５％
ＣＭＣ溶液的稠度系数Ｋｏ ＝０．００２ ５Ｎ・ｓ２／ｍ ，流
变行为指数／／，＝１．０。
１．３实验用对比的桨型
为了验证新型组合桨的性能，特选取双层斜叶
桨和框式桨两种桨型与其进行对比实验，比较它们
在混合时间、循环流量以及功耗等方面的优劣。两
种常规桨型尺寸如图２、３所示。
图２双层斜叶桨
Ｄｊ／Ｄ ＝Ｏ．５６，ｈ＝１９０ｒａｍ，叶片数 ＝２，斜角 ＝４５。
２ 实验测试方法及讨论
２．１ 混合时间
搅拌桨的混合时间是指将两种完全互溶，但物
理或化学性质（如电导率、颜色、温度折光率等）有
差异的流体通过搅拌使之达到规定混合程度所需的
图３框式桨
ｑ／Ｄ ＝０．９８，Ｈ／Ｄｊ：０．４８，ｈｌＤｊ：０．１
时间（如达到完全７昆均的９５％，定义为０。 ）。它是
表示搅拌桨？昆合性能优劣常用的参量之一，可以用
于评价桨叶的性能，估计混合对反应的影响，放大搅
拌装置等 ｝４ Ｊ。目前测定混合时间的方法有很多，
如溶液电导率法、褪色法、温度法、光干涉法、光导仪
法等。采用不同的方法测定７昆合时间，所得的结果
略有差异，本实验采用碘液褪色法来测定各种桨的
混合时间。
本实验测试反应物为碘和硫代硫酸钠，均为市
售品；分别在１．５％ＣＭＣ和４．０％ＣＭＣ两种浓度的
溶液中测定了三种桨在不同转速下的７昆合时间。搅
拌桨的转速用台湾泰仕电子工业股份有限公司生产
的ＲＭ．１５００型手持数字式光电转速表测量。
得到混合准数与表观雷诺数 一如 之间的
关系如图４所示。从图中可以看出，在雷诺数船
＜２００时，混合准数 基本在某一常数附近波动，
本组合桨的时间混合准数常数约为２７。随着雷诺
数的增加，当２５０＜Ｒｅ ＜１５００时，在过渡流区域，
混合时间准数随着胁 增加而迅速降低，当雷诺数
达到一定数量Ｒｅ ＞２０００时，混合时间准数下降的
趋势明显趋于平缓，因为当桨速达到一定转速时，其
整体循环已达到较好的平衡，此时，再增加转速已不
能有效地消除搅拌轴附近或罐底的“死区”，所以混
合效果增加不明显。
２．２混合效率
评价搅拌桨一个重要的条件就是能耗水平。在
此定义一个表征的参量即混合效率，其常用一无量
纲符号Ｃ４来表示 ，表达式为ｃ ＝ＷｖＯ ／ｇ ，式中
为单位体积的混合能， 为宏观混合时间， 为
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第４３卷 靳兆文．新型组合桨混合性能研究
＿【× 瓣较啦
・４３・
表观粘度。显然， 值越小，混合效率越高。
搅拌功率可通过直接测定搅拌轴的转矩来确
定。转矩传感器采用北京市航天工业总公司７０１所
生产的ＡＫｃ—ｌ１型，转矩传感器产生的电压信号由
记录仪（日本Ｙｏｋｏｙａｗａ电子公司生产，ＹＥｗ ３０６６
型）输出。测出数据经处理得到不同桨型Ｐ 一
关系如图５所示，从图中可以看出，在相同单位体积
功耗Ｐｖ的情况下，组合桨的混合效率比其它两种
桨型都高，约为框式桨的６倍，单内桨４倍，因而证
实该组合桨不仅能改善粘稠物料的宏观混合，还具
有节能降耗的效果。
５０
４６
３６
２４
２。
１６
０ １０００ ２０００ ３０００ ４０００ ５０００
表观雷诺数Ｒｅ＊
图４不同桨型尺ｅ 一￣日 关系图
Ｕ ２０ ４０ ６０ Ｕ ｌ００ ｌ２Ｕ ｌ４Ｕ ｌ６０
Ｐ￣／（ｗ・ｒｎ。 ）
图５不同桨型Ｐｖ—ｃ４关系图
２．３ 新型组合桨循环流量测定
不管搅拌桨叶型式千差万别，在搅拌釜中都存
在循环流动与剪切流动，唯二者的比重有所不同，比
较两种流动的强度比，一般可用功率准数Ⅳ。和排
出流量准数Ⅳ 之比值来判断。因为消耗于搅拌的
功率无非花在两个方而，一是使流体受剪切，一是使
流体受循环，所以当比值大时则表示剪切型搅拌器，
反之，则表示循环型搅拌器。因此，生产中可根据搅
拌目的和对象选择适当的搅拌器来达到预期的搅拌
∞ ＂ ∞ 加：２ ，
效果。
本实验采用与搅拌体系密度相似的示踪粒子法
来测定ｑ ，记录出一定时间内小球从桨叶处排出的
次数，即可求出排液量ｑ ，循环流量准数Ｎ 排出
流量准数Ⅳ
ｑｄ＝ｍＶ／ｔ
在湍流时，循环流量准数 与排出流量准数
间存在如下关系式：
Ⅳｑ ＝Ⅳｑａ｛ ＋０． ６［（詈）‘一 】）
循环流量准数：
Ｎｑ ＝ｇ ／ＮＤ
式中ｍ为排出次数， 为釜体体积，ｔ为混合时
间，Ｄ为釜径，ｄ为桨径，Ⅳ为搅拌桨转速，ｑ 为循环
流量。
测得不同桨Ⅳ。 一Ｒｅ关系图和Ⅳ 一Ｒｅ关系图
分别如图６和图７所示。从图６中可以看出，在湍
流的情况下，流量准数 基本是一常量，组合桨的
Ⅳｏ 平均值约为０．６，单内桨的Ⅳａ 平均值约为０．４，
即在湍流的情况下，转速和桨径相同的条件下，组合
桨的排液量比单内桨提高约为５０％。从图７中可
以看出，在湍流的情况下，功率准数Ⅳ 基本也是一
常量，组合桨的ⅣＰ平均值约为３．０。且组合桨的
Ⅳ ／Ⅳｑ 比值在４．２～５．９之间，大于２，因而该组合
桨也属于剪切型桨 ｊ。
３实验结果小结
从上述的混合实验结果和分析可以得出如下
结论：
（１）在高粘度液体中，组合桨的混合时间比单
１．００
０ ７５
２
０ ５０
０ ２５
０ ００
８００００ １０００００ １ ２００００ １４００００ １印０００ １ ８００００ ２０００００
雷诺数ＲＰ
图６不同桨￣口ｄ—Ｒｅ关系图
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螽 料
３ ｌ
・
４４・
Ｏ ５
化工设备与管道 ２００６年第５期
４．５
的混合效率ｃ４比其它两种桨型都高，约为锚式桨的
６倍，单内桨的４倍，因而对于粘稠物料，该桨还具
有节能降耗的效果；
（５）在湍流的情况下，搅拌桨的流量准数Ⅳ 和
功率准数Ⅳ 基本是一常量；
（６）转速和桨径相同的条件下，组合桨的排液
量比单内桨提高约为５０％；从功率测试可知，单位
体积功耗仅为单内桨的８９．５％；
Ｏ．Ｏ
８００００ ｌ０００００ ｌ２００００ ｌ４Ｏ０００ ｌ６００００ ｌ ８００００ ２０００００
另外，从混合过程观察发现，在高粘度流体中，
雷诺数ＲＰ
该组合桨易于在很短的时间内实现全罐的均匀混
图７不同桨￣ｐ一１：ｔｏ关系图
合，没有滞留“死区”出现，混合性能较常规桨型高。
内桨的提高显著，约节约混合时间４６％，锚式桨比
参考文献
单内桨所用的混合时间也少得多，因而可得出小尺
寸桨型一般不适用于对高粘度液体的搅拌；
１张平亮．搅拌机有关搅拌技术的分析和探讨［Ｊ］． 化工设备
１９９９ （５）：３８～４ｌ
（２）在低雷诺数下，混合准数Ⅳ。 基本为一常
２ 叶望，方夏虹，戴干策．搅拌混合中的循环与剪切［Ｊ］
化工学报，
数，本实验测定组合桨在４．０％ＣＭＣ溶液中的混合
１９９５．４６（３）：３７１～３７５
准数常数约为２７，属于Ⅳ 在２０～８０这一良好的设
３ ＢｒｏｄｋｅｙＲ．Ｓ．Ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｉｎ Ｍｉｘｉｎｇ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．ＮｅｗＹｏｒｋ：Ａｃａｄｅｍｉｃ
计范围之内 Ｊ，且在同一流体中，不同尺寸的桨型，
Ｐｒｅｓｓ Ｉｎｃｌ Ｊ ｌ，１９７５：９４～１１０
其时间混合准数常数不同；
４ Ｓｏｏｎ Ｔ．Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｓｃｉｅｎｃｅ［Ｊ］．１９７６，３１（７）：５６９～５７７
５顾培韵，孙建中等．组合搅拌器的宏观混合特性［Ｊ］．合成橡胶
（３）在过渡流区域，混合时间准数随着 增加
工业，１９９４，１７（６）：３４８～３５１
而迅速降低，随着 继续增加，混合时间准数降低
６陈志平，章序文，林兴华．搅拌与混合设备设计选用手册［Ｍ］．北
逐渐趋于缓慢；
京：化学工业出版社，２００４：６５
（４）在相同单位体积功耗Ｐ 的情况下，组合桨
《石油化工建设》征订启事
《化工机械》征订启事
《石油化工建设》办刊宗旨是立足石油化工建设，面向全国工程
《化工机械》是国内外公开发行的中央级化工机械专业技术刊
建设行业，内容涉及工程建设的各个方面。 物，由天华化工机械及自动化研究设计院与中国化工学会化工机械
主要内容：有关工程建设的项目管理、设备安装、建筑施工、焊
专业委员会合办。《化工机械》主要报道化工机器、化学工程及设
接、吊装、电气仪表安装与调试、防腐与绝热、ＩＴ技术、设计与施工、 备，化工材料及防腐蚀的科技成果、适用技术、革新经验和科技信
标准与规范等方面的技术与管理经验成果、新技术、新设备、新材料 息，可供从事科研、设计生产和教学工作者参考。《化工机械》创刊
的推广应用、最新工程新闻报道、行业动态和国家有关的政策法规等。
于１９７４年，３０余年的风雨历程使本刊成为化工期刊中发行量最大、
读者对象：化工、石化、石油天然气、冶金、电力、核工业、制药、
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建筑、安装等行业从事工程建设的广大工程技术人员和管理人员， 入选中国科技核心期刊（科技部），２００５年又获第三届国家期刊奖百
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关注石油化工行业发展的有关人士。 双月刊，大１６开本，６４页，逢双月１５日出版，单价８．ｏ０元，全年
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2024年3月21日发(作者：冠清漪)
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第４３卷第５期
２００６年ｌ０月
化工设备与管道
Ｖｏ１．４３ Ｎｏ．５
０ｃｔ．２００６
ＰＲＯＣＥＳＳ ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ＆ＰＩＰＩＮＧ
新型组合桨混合性能研究
靳兆文
（南京化工职业技术学院，南京２１００４８）
摘要：根据聚合反应的特定工艺过程要求，提出了一种新型双轴搅拌桨，并设计实验对其宏观混合性能进行研究，与常规桨型进行对比，结
果表明该桨在高粘度流体内混合时间、排液量、混合效率等方面较常规桨型好。不但能在较短的时间内实现全罐的均匀混合，没有死
角，而且还具有节能降耗的优点。
关键词：双轴组合桨；混合；实验研究
中图分类号：ＴＱ０５１．７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—３２８１（２００６）０５－００４１－０４
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｍｉｘｉｎｇ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｆｏｒ Ｎｅｗ Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｉｍｐｅｌｌｅｒ
Ｊｉｎ Ｚｈａｏｗｅｎ
（Ｎａｎｊｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＣｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｉｆｎｇ ２１００４８）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ，ａ ｎｅｗ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｗｉｔｈ ｄｏｕｂｌｅ ｓｈａｆｔｓ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘ—
ｐｅｒｉｍｅｎｔ ｔｏ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｈｅ ｍａｃｒｏ ｍｉｘｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｉｓ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｗｉｔｈ ｎｏｒｍａｌ ｉｍｐｅｌｌｅｒｓ，ｔｈｅ ｎｅｗ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ
ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ｎｏｒｍａｌ ｉｍｐｅｌｌｅｒｓ ｉｎ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｍｉｘｉｎｇ ｔｉｍｅ，ｌｉｑｕｉｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ａｎｄ ｍｉｘｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ ｌｉｑｕｉｄｓ．Ｔｈｅ ｎｅｗ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｃａｎ
ｍａｋｅ ｔｈｅ ｍｉｘｅｄ ｌｉｑｕｉｄｓ ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｈａｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｗｉｔｈ ｄｏｕｂｌｅ ｓｈａｆｔｓ，ｍｉｘｉｎｇ，ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ
搅拌设备在石油、化工、医药、农药、染料、肥料、
食品、日用化学品与化妆品等流程工业中占工艺设
备的比重比较大，如在化工三大合成生产中，搅拌设
备占反应设备的９０％，占整个工艺设备的５％～
２５％…
。
设计出了一种新式有机玻璃反应釜来进行冷模实
验。其结构如图１所示，其内径５００ ｍｉＴｔ，壁厚ｌ０
ｍｌＹｌ，高８００ １ＴＩ１ＴＩ，釜底采用椭圆形封头。
该搅拌设备独特之处在于其搅拌桨的结构。搅
拌桨总共由两部分组成——内桨和外桨。其中内桨
由倾斜４５。的双层平直桨叶组成，外桨由一个类似
于锚式搅拌器的外框加桨叶组成。桨叶安装在外框
桨上，左右对称各一片，也扭转成４５。，但与内桨扭
转的方向相反。外桨直径与釜径之比为０．９８，最底
而与之形成对比的是，我国的搅拌设备严
重落后，对于一些大型的关键设备如聚合反应釜等，
长期以来一直依靠进口，这一方面消耗了我国大量
的外汇储备，另一方面也严重阻碍了我国民族化学
工业的发展 。这一情况已经引起国内相关机构
和科研人员的重视，越来越多的人员已经加人到搅
拌设备的研制之中，但目前应用于生产实际的并不
多 Ｊ。本课题是为“抚顺石化公司化塑厂４万吨／
层桨叶和下部框之间，固定于内桨轴的上部。内桨
和外桨的宽度相等，并且等于桨叶之间的空隙宽度。
内桨端部与外桨框之间的宽度相等，也等于桨叶宽
度。外桨外框和下框距反应釜器壁较近，并且在近
器壁一边安装有聚四氟乙烯刮板。工作时，内桨逆
时针旋转，外桨顺时针旋转。内外桨转速可调，转速
比保持恒定。其结构特点集中了平斜直桨，锚式桨
和挡板的作用，又解决了挡板带来的死角效应。
收稿日期：２００６－０１—１６
作者简介：靳兆文（１９７３一），男，讲师，工学硕士，教研室主任。研究
方向：高效过程装备以及新材料。
年聚苯乙烯装置扩产为ｌ０万吨／年”提供基础研究
研制的一子课题，针对聚合反应的特点，本文提出了
一
种新型组合桨，以期在聚合反应过程中取得良好
的搅拌效果，为工业生产提供构型简单、高效、低耗
的搅拌桨。
１ 实验条件介绍
１．１ 实验设备
根据聚合反应的特定工艺过程要求，本课题组
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・
４２・ 化工设备与管道 ２００６年第５期
图１ 组合桨结构示意图
１。２实验原料
溶液采用江苏张家港三惠化工厂生产的羧甲基
纤维素（简写ＣＭＣ），牌号为ＦＶＨ６进行配置，配置
成两种配比：１．５％ＣＭＣ和４．０％ＣＭＣ水溶液，用
来模拟假塑性流体。
用德国Ｈａａｋｅ公司生产的ＲｈｅｏＳｔｒｅｓｓ６００旋转
流变仪测定ＣＭＣ溶液的稠度系数 和流变行为
指数ｎ，测得４．０％ＣＭＣ溶液的稠度系数Ｋ ＝
０．９７９ ３Ｎ・Ｓ２／ｍ
，
流变行为指数／＇ｔ＝０．３８３ ９；１。５％
ＣＭＣ溶液的稠度系数Ｋｏ ＝０．００２ ５Ｎ・ｓ２／ｍ ，流
变行为指数／／，＝１．０。
１．３实验用对比的桨型
为了验证新型组合桨的性能，特选取双层斜叶
桨和框式桨两种桨型与其进行对比实验，比较它们
在混合时间、循环流量以及功耗等方面的优劣。两
种常规桨型尺寸如图２、３所示。
图２双层斜叶桨
Ｄｊ／Ｄ ＝Ｏ．５６，ｈ＝１９０ｒａｍ，叶片数 ＝２，斜角 ＝４５。
２ 实验测试方法及讨论
２．１ 混合时间
搅拌桨的混合时间是指将两种完全互溶，但物
理或化学性质（如电导率、颜色、温度折光率等）有
差异的流体通过搅拌使之达到规定混合程度所需的
图３框式桨
ｑ／Ｄ ＝０．９８，Ｈ／Ｄｊ：０．４８，ｈｌＤｊ：０．１
时间（如达到完全７昆均的９５％，定义为０。 ）。它是
表示搅拌桨？昆合性能优劣常用的参量之一，可以用
于评价桨叶的性能，估计混合对反应的影响，放大搅
拌装置等 ｝４ Ｊ。目前测定混合时间的方法有很多，
如溶液电导率法、褪色法、温度法、光干涉法、光导仪
法等。采用不同的方法测定７昆合时间，所得的结果
略有差异，本实验采用碘液褪色法来测定各种桨的
混合时间。
本实验测试反应物为碘和硫代硫酸钠，均为市
售品；分别在１．５％ＣＭＣ和４．０％ＣＭＣ两种浓度的
溶液中测定了三种桨在不同转速下的７昆合时间。搅
拌桨的转速用台湾泰仕电子工业股份有限公司生产
的ＲＭ．１５００型手持数字式光电转速表测量。
得到混合准数与表观雷诺数 一如 之间的
关系如图４所示。从图中可以看出，在雷诺数船
＜２００时，混合准数 基本在某一常数附近波动，
本组合桨的时间混合准数常数约为２７。随着雷诺
数的增加，当２５０＜Ｒｅ ＜１５００时，在过渡流区域，
混合时间准数随着胁 增加而迅速降低，当雷诺数
达到一定数量Ｒｅ ＞２０００时，混合时间准数下降的
趋势明显趋于平缓，因为当桨速达到一定转速时，其
整体循环已达到较好的平衡，此时，再增加转速已不
能有效地消除搅拌轴附近或罐底的“死区”，所以混
合效果增加不明显。
２．２混合效率
评价搅拌桨一个重要的条件就是能耗水平。在
此定义一个表征的参量即混合效率，其常用一无量
纲符号Ｃ４来表示 ，表达式为ｃ ＝ＷｖＯ ／ｇ ，式中
为单位体积的混合能， 为宏观混合时间， 为
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第４３卷 靳兆文．新型组合桨混合性能研究
＿【× 瓣较啦
・４３・
表观粘度。显然， 值越小，混合效率越高。
搅拌功率可通过直接测定搅拌轴的转矩来确
定。转矩传感器采用北京市航天工业总公司７０１所
生产的ＡＫｃ—ｌ１型，转矩传感器产生的电压信号由
记录仪（日本Ｙｏｋｏｙａｗａ电子公司生产，ＹＥｗ ３０６６
型）输出。测出数据经处理得到不同桨型Ｐ 一
关系如图５所示，从图中可以看出，在相同单位体积
功耗Ｐｖ的情况下，组合桨的混合效率比其它两种
桨型都高，约为框式桨的６倍，单内桨４倍，因而证
实该组合桨不仅能改善粘稠物料的宏观混合，还具
有节能降耗的效果。
５０
４６
３６
２４
２。
１６
０ １０００ ２０００ ３０００ ４０００ ５０００
表观雷诺数Ｒｅ＊
图４不同桨型尺ｅ 一￣日 关系图
Ｕ ２０ ４０ ６０ Ｕ ｌ００ ｌ２Ｕ ｌ４Ｕ ｌ６０
Ｐ￣／（ｗ・ｒｎ。 ）
图５不同桨型Ｐｖ—ｃ４关系图
２．３ 新型组合桨循环流量测定
不管搅拌桨叶型式千差万别，在搅拌釜中都存
在循环流动与剪切流动，唯二者的比重有所不同，比
较两种流动的强度比，一般可用功率准数Ⅳ。和排
出流量准数Ⅳ 之比值来判断。因为消耗于搅拌的
功率无非花在两个方而，一是使流体受剪切，一是使
流体受循环，所以当比值大时则表示剪切型搅拌器，
反之，则表示循环型搅拌器。因此，生产中可根据搅
拌目的和对象选择适当的搅拌器来达到预期的搅拌
∞ ＂ ∞ 加：２ ，
效果。
本实验采用与搅拌体系密度相似的示踪粒子法
来测定ｑ ，记录出一定时间内小球从桨叶处排出的
次数，即可求出排液量ｑ ，循环流量准数Ｎ 排出
流量准数Ⅳ
ｑｄ＝ｍＶ／ｔ
在湍流时，循环流量准数 与排出流量准数
间存在如下关系式：
Ⅳｑ ＝Ⅳｑａ｛ ＋０． ６［（詈）‘一 】）
循环流量准数：
Ｎｑ ＝ｇ ／ＮＤ
式中ｍ为排出次数， 为釜体体积，ｔ为混合时
间，Ｄ为釜径，ｄ为桨径，Ⅳ为搅拌桨转速，ｑ 为循环
流量。
测得不同桨Ⅳ。 一Ｒｅ关系图和Ⅳ 一Ｒｅ关系图
分别如图６和图７所示。从图６中可以看出，在湍
流的情况下，流量准数 基本是一常量，组合桨的
Ⅳｏ 平均值约为０．６，单内桨的Ⅳａ 平均值约为０．４，
即在湍流的情况下，转速和桨径相同的条件下，组合
桨的排液量比单内桨提高约为５０％。从图７中可
以看出，在湍流的情况下，功率准数Ⅳ 基本也是一
常量，组合桨的ⅣＰ平均值约为３．０。且组合桨的
Ⅳ ／Ⅳｑ 比值在４．２～５．９之间，大于２，因而该组合
桨也属于剪切型桨 ｊ。
３实验结果小结
从上述的混合实验结果和分析可以得出如下
结论：
（１）在高粘度液体中，组合桨的混合时间比单
１．００
０ ７５
２
０ ５０
０ ２５
０ ００
８００００ １０００００ １ ２００００ １４００００ １印０００ １ ８００００ ２０００００
雷诺数ＲＰ
图６不同桨￣口ｄ—Ｒｅ关系图
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螽 料
３ ｌ
・
４４・
Ｏ ５
化工设备与管道 ２００６年第５期
４．５
的混合效率ｃ４比其它两种桨型都高，约为锚式桨的
６倍，单内桨的４倍，因而对于粘稠物料，该桨还具
有节能降耗的效果；
（５）在湍流的情况下，搅拌桨的流量准数Ⅳ 和
功率准数Ⅳ 基本是一常量；
（６）转速和桨径相同的条件下，组合桨的排液
量比单内桨提高约为５０％；从功率测试可知，单位
体积功耗仅为单内桨的８９．５％；
Ｏ．Ｏ
８００００ ｌ０００００ ｌ２００００ ｌ４Ｏ０００ ｌ６００００ ｌ ８００００ ２０００００
另外，从混合过程观察发现，在高粘度流体中，
雷诺数ＲＰ
该组合桨易于在很短的时间内实现全罐的均匀混
图７不同桨￣ｐ一１：ｔｏ关系图
合，没有滞留“死区”出现，混合性能较常规桨型高。
内桨的提高显著，约节约混合时间４６％，锚式桨比
参考文献
单内桨所用的混合时间也少得多，因而可得出小尺
寸桨型一般不适用于对高粘度液体的搅拌；
１张平亮．搅拌机有关搅拌技术的分析和探讨［Ｊ］． 化工设备
１９９９ （５）：３８～４ｌ
（２）在低雷诺数下，混合准数Ⅳ。 基本为一常
２ 叶望，方夏虹，戴干策．搅拌混合中的循环与剪切［Ｊ］
化工学报，
数，本实验测定组合桨在４．０％ＣＭＣ溶液中的混合
１９９５．４６（３）：３７１～３７５
准数常数约为２７，属于Ⅳ 在２０～８０这一良好的设
３ ＢｒｏｄｋｅｙＲ．Ｓ．Ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｉｎ Ｍｉｘｉｎｇ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．ＮｅｗＹｏｒｋ：Ａｃａｄｅｍｉｃ
计范围之内 Ｊ，且在同一流体中，不同尺寸的桨型，
Ｐｒｅｓｓ Ｉｎｃｌ Ｊ ｌ，１９７５：９４～１１０
其时间混合准数常数不同；
４ Ｓｏｏｎ Ｔ．Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｓｃｉｅｎｃｅ［Ｊ］．１９７６，３１（７）：５６９～５７７
５顾培韵，孙建中等．组合搅拌器的宏观混合特性［Ｊ］．合成橡胶
（３）在过渡流区域，混合时间准数随着 增加
工业，１９９４，１７（６）：３４８～３５１
而迅速降低，随着 继续增加，混合时间准数降低
６陈志平，章序文，林兴华．搅拌与混合设备设计选用手册［Ｍ］．北
逐渐趋于缓慢；
京：化学工业出版社，２００４：６５
（４）在相同单位体积功耗Ｐ 的情况下，组合桨
《石油化工建设》征订启事
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《石油化工建设》办刊宗旨是立足石油化工建设，面向全国工程
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