利用hb型叶轮开发一种易于通过保持几何相似性实现放大的混合过程

摘要

近年来，基于对条纹线的观测，研制了一种新型的国产基型(hb型)叶轮。HB叶轮必须简单，快速，稳定(3S)。在实验室烧杯标上使用HB桨时，HB桨的混合性能优于普通圆柱形搅拌棒。此外，在观察到容器内的条纹线和孤立的混合区域的基础上，构建了工业规模的HB叶轮。目前的作者认为，放大混合过程是非常容易的，因为当从实验室规模扩大到工业规模时，叶轮的几何形状可以保持一致。

1.介绍

虽然已有大量的工程数据和混合过程的报道，但由于混合过程的设计和操作涉及众多参数，混合过程的成功放大一直非常困难。

混合过程有一些基本的放大规则，包括单位体积功率消耗恒定、叶轮叶尖速度恒定、传热系数恒定、传质体积系数恒定、叶轮刚悬浮转速恒定。放大混合过程的难点之一是，当我们优先考虑一个控制参数时，可能会对其他参数产生不利影响。小尺度或大尺度混合容器雷诺数不变时，单位体积功率消耗不能保持不变。因此，如果一种材料的相同物理性质用于工业生产，就不可能在实验室规模上完美地再现同样的现象。当从实验室过程扩大到工业过程时，通常不能保持几何相似性。例如，当在实验室中使用圆柱形的磁性搅拌棒进行小规模的工艺时，可以在相应的大型工业工艺中使用带有桨叶叶轮的搅拌容器。此外，还开发了桨叶、涡轮、螺旋桨、锚、螺旋带等多种混合桨，以及一些新型的大型桨叶。

近年来，日本公司开发了Maxblend (MB)、Fullzone (FZ)、Supermix MR205 (MR205)、Sammeler (SM)、Hi-F (HiF)和Bendleaf (BL)等几种大型桨叶搅拌机[1- - - - - -3.］．这些叶轮在大雷诺数范围内是非常有用的。

Inoue等人[4]提出了一种条纹线理论来估计混合容器的性能，并得出结论，条纹线图案是混合的指示。在之前的论文中，作者利用Inoue等人提出的条纹线可视化方法发现了各种大桨叶的重要混合性能。此外，当MB和FZ叶轮用于层流区时，液体高度是一个非常重要的因素。

本文作者开发了一种新的母基型(hb型)叶轮，这是基于棒球中使用的母板形状而设计的，可在大雷诺数范围内使用，如图所示1［5］．hb型叶轮必须简单、快速、稳定(3S)。(1)简单:由于叶轮几何形状非常简单，清洗叶轮容易，生产成本低。HB型叶轮适用于大批量小批量生产。(2)快速:搅拌时间短。(3)稳定:条纹线图案在大雷诺数范围内是稳定的。即使液体高度发生变化，HB叶轮仍表现出稳定、良好的混合性能。

本文作者开发了一种使用hb型叶轮的混合过程，用于实验室规模、中试规模和工业规模。在本文中，作者论证了HB叶轮的混合性能和使用HB叶轮的混合过程的放大系统。

2.实验

中试容器采用两种无挡板的混合容器。观察到条纹线时，容器直径为0.150 m，叶轮采用丙烯酸树脂制作。观察混合过程时，容器直径为0.185 m，平底和碟形底桨均为不锈钢制造。混合液为淀粉糖浆溶液，填充高度等于容器直径(H＝D)．使用扭矩测量仪(ST-3000, SATAKE Ltd)，采用轴扭矩测量方法测量功耗。条纹线用铀嘌呤显示，混合过程用碘脱色反应显示。

用铀溶液和平面激光对条纹线进行了实验可视化。将0.025 g的铀粉溶解到100 ml的淀粉糖浆溶液中，配制与混合液相同的粘度溶液。铀溶液通过叶轮空心轴注入叶轮尖端。用平面激光垂直照射铀溶液观察条纹线。

以氧化还原反应为基础进行脱色实验。硫代硫酸钠和碘分别作为氧化剂和还原剂。将硫代硫酸钠和碘溶于淀粉糖浆溶液中，获得与混合液相同的粘度。硫代硫酸钠溶液和碘溶液的浓度为0.5 mol/l。先在混合液中加入碘溶液，再在液面处加入硫代硫酸盐溶液。碘溶液与硫代硫酸盐溶液的比例为1∶1.4。这个比例可以很容易地判断混合时间[5］．因此，碘溶液的加入量为1 ml，硫代硫酸盐溶液的加入量为2.8 ml。这些实验方法与之前的论文相同[6］．

实验使用500ml的玻璃烧杯进行小规模实验。在圆柱形搅拌杆上安装由PTFE板制成的小型HB叶轮，如图所示2．容器直径D、叶轮直径d、叶轮高度b分别为0.085 m、0.05 m、0.045 m。HB叶轮的正常圆柱形搅拌棒的附着和去除是非常容易的，因为搅拌棒被简单地强行进入HB叶轮下部的一个孔中。

3.结果与讨论

3．1.中试规模HB叶轮的混合性能

首先,数据3.和4显示典型的双叶片叶片式叶轮的条纹线图案。虽然不同雷诺数下的条纹形状不同，但在相同雷诺数下，即使改变叶轮转速和容器尺寸，条纹形状也相同。在Re = 10和70时，在层流区观察到一对孤立的混合区(IMRs)。

数字5显示了HB叶轮的典型条纹线图案的时间序列。在叶轮旋转几次后，条纹线图案迅速扩展到整个容器，而没有观察到IMR。

数据6和7显示了HB叶轮混合过程的时间序列。无论是平底还是碟底的容器，在层流区均未观察到形状像甜甜圈的IMR，在湍流区均未观察到圆柱形旋转区(CRZ)。在HB叶轮的运行中，最重要的考虑是在大雷诺数范围内不需要安装挡板。叶轮直径与容器直径的最佳比率(d / d)为0.6至0.7。这个比值与本文考虑的其他双叶宽桨叶的比值相同。(2)在湍流区，考虑桨叶高度时，可采用桨叶桨叶的相关关系b”(见图1) [7］．

3．2．实验室用HB型叶轮的混合性能

数据8和9显示混合过程使用正常的磁性圆柱形搅拌棒和HB叶轮在一个500毫升烧杯，分别。柱状搅拌棒中的流体粘度为60 mPa·s，而hb型搅拌棒(朝日玻璃公司)在烧杯中实现了完全混合，如图所示9．数据10和11展示了普通圆柱搅拌棒和HB叶轮在500ml烧杯中充满去离子水的湍流区混合过程。在用正常杆搅拌的容器中观察到CRZ，如图所示10．然而，在与hb型棒混合的容器中没有观察到CRZ，并且在较低的转速下快速实现完全混合。HB型叶轮由于与磁力搅拌器配合使用，在实验室规模下很难测量其功耗。然而，功率消耗可以通过HB叶轮的相关性来估计[7］．

如上所述，hb型叶轮可用于小型容器。另一方面，日本公司开发的其他双叶宽叶叶轮由于几何形状非常复杂，无法使用。此外，这些其他叶轮的几何形状复杂，使它们难以清洗，不适合实验室使用。

一般情况下，在有机合成、聚合、无机反应和催化剂的分散过程中，使用普通的圆柱形搅拌棒。然而，所提出的HB叶轮将提高这类合成反应在层流区域的效率。如图所示8，完全混合不能实现使用正常。

3．3.HB叶轮的工业规模放大

工业级HB叶轮(D= 1.7 m)，由高田化学工程有限公司基于上述考虑开发，如图所示12．

4.结论

新型hb型叶轮在实验室实验和工业生产中均能保持几何形状的一致性，因此易于扩大尺寸。此外，由于要保持几何相似性，提出的hb型叶轮解决了扩大到工业规模生产的困难之一。

命名法

b:	叶轮叶片高度(m)
b”:	叶轮叶片排出部分高度(m)
D：	容器直径(米)
d：	叶轮直径(米)
H：	液体深度(米)
n：	叶轮转速(s−1）
再保险：	叶轮雷诺数(=nd2ρ/μ) (－)
μ：	液体粘度(Pa·s)
ρ：	液体密度(公斤·m−3）

数据可用性

用于支持本研究结果的实验数据包括在文章中。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

作者要感谢Masashi Hiramatsu先生、Shota Otani先生、Keisuke Suzuki先生和Yutaka Hiragushi先生对实验的支持。本研究得到了名古屋工业大学、朝日玻璃工厂公司和高沙化学工程公司的支持。

参考文献

1. M. Aida和A. Shono，“不同类型叶轮的气液搅拌容器的功率消耗估算”，Kagaku Kogaku Ronbunshu，第40卷，第5期。5、2014年。视图:出版商的网站|谷歌学者
2. N. Dohi, T. Takahashi, K. Minekawa, Y. Kawase，“大型叶轮的气液传质特性:搅拌槽内气含率和体积传质系数的经验相关性”，化学工程通信第193卷第1期6，第689-701页，2006。视图:出版商的网站|谷歌学者
3. “大型桨叶叶轮表面曝气的传质特性:应用于液位变化的聚合反应器”，北京大学学报(自然科学版)，日本化学工程学报，第40卷，第5期。5，页393-397,2007。视图:出版商的网站|谷歌学者
4. Y. Inoue, D. Takaoka, B. Okada, K. Natami, S. Hashimoto, Y. Hirata，“基于条纹的搅拌容器中流体混合的分析”，Kagaku Kogaku Ronbunshu第35期3, pp. 265 - 273,2009。视图:出版商的网站|谷歌学者
5. Y. Kato, M. Hiramatsu, S. Ohtani, M. Yoshida, K. Shiobara，“基于条纹线观察的新型大桨叶(HB型)叶轮的开发”，Kagaku Kogaku Ronbunshu号，第41卷。1, pp. 16-20, 2015。视图:出版商的网站|谷歌学者
6. K. Takahashi, Y. Takahata, T. Yokota, H. Konno，“在螺旋带搅拌器中混合两种可混溶的高粘性牛顿液体”，日本化学工程学报第18卷第2期2，页159-162,1985。视图:出版商的网站|谷歌学者
7. Y. Kato, S. Ohtani, H. Furukawa，“新型大桨叶(HB型)叶轮的功率消耗和混合时间特性”，Kagaku Kogaku Ronbunshu号，第41卷。5、pp. 276-280, 2018。视图:出版商的网站|谷歌学者

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