526 过程装备能耗-搅拌装置功率计算

背景

搅拌装置的类型很多，如料液循环型、气体鼓泡型、机械桨叶型等，此处介绍机械桨叶型搅拌装置。

典型搅拌装置

混合原料的搅拌装置。

搅动物料防止团聚的搅拌装置。

搅流物料强化换热的搅拌装置。

搅碎物料提高干燥速率的搅拌装置。

桨叶同时实现破碎、搅流等多功能的搅拌装置。

典型桨叶

搅拌装置中搅拌桨叶型式也有很多，如桨式、锚式、螺带式、推进式等。

物料黏度对桨叶造型影响较大，低黏度物料（低于5Pa.s=5kg/(m.s)）如水、油、蜂蜜、果酱等，中黏度物料（5～50Pa.s）如油墨、牙膏等，高黏度物料（高于50Pa.s）如增塑溶胶、塑料熔体、橡胶混合物等。

对低中黏度物料，可考虑桨叶如桨式、推进式、涡轮式等，对高黏度物料，可考虑螺带式、螺杆式、锚式、框式等。

搅拌功率

搅拌装置的物料特性、罐体结构、桨叶型式及转速等均对搅拌功率有重要影响，实际配置电机还需考虑启动工况及其他功率损耗环节等。

以采用平直叶的桨式搅拌装置为例，结构参数有桨叶数Z，桨叶直径d，物料罐体直径D，桨叶宽度b等。当物料运动处于层流状态时，搅拌功率估算式为（张和照. 几种常用搅拌桨的功率计算. 化工设计，2002，12（4）：14-18）：

P=P₀ρn³d⁵

P₀=(8Z+x/y)/Re

x=75.9Z^0.85(b/d)

y=0.157+(Zln(D/d))^0.611

Re=nρd²/μ

式中，P为搅拌功率，W；P₀为功率数，无因次；ρ为物料密度，kg/m³；n为桨叶转数，转/秒； d为桨叶直径，m；Z为桨叶数，无因次；x、y为中间参数，无因次；b为桨叶宽度，m；D为物料罐直径，m；Re为搅拌雷诺数，无因次；μ为物料动力黏度，kg/(m.s)。

计算示例

对平直叶型桨式搅拌装置，设桨叶数Z=2，桨叶直径d=1.0m，桨叶与罐体直径比d/D=0.7，桨叶宽度与直径比b/d=0.2，桨叶转数n=0.3转/秒，料液密度1200kg/m³，料液动力黏度40kg/(m.s)时，则：

搅拌雷诺数为：

Re=nρd²/μ

=0.3*1200*1.0²/40

=9.0

属层流运动状态。

搅拌功率为：

x=75.9Z^0.85(b/d)

=75.9*2^0.85* 0.2=27.36

y=0.157+(Zln(D/d))^0.611

=0.157+(2*ln(1.43))^0.611

=0.972

P₀=(8Z+x/y)/Re

=(8*2+27.36/0.972)/9.0

=4.9

P=P₀ρn³d⁵

= 4.9*1200*0.3³*1.0⁵

=159 W

发展

采用估算公式计算搅拌功率时可能有较大偏差，较准确的计算需要基于数值模拟方法，对物料搅拌三维流场进行分析。

更全面的搅拌装置及搅拌功率资料可参见相关专著，如：

陈乙崇. 搅拌设备设计. 上海科技出版社，1985

王凯，虞军等. 搅拌设备. 化学工业出版社，2003

全国化工设备设计技术中心站搅拌工程技术委员会. 搅拌设备.  化学工业出版社，2019