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搅拌槽内温度场分布的实验研究

    搅拌是化工过程中重要的单元操作之一，搅拌反应器也是化工生产过程中应用非常广泛的一种反应器。了解搅拌槽内温度场的分布对于一些化学反应过程来说是非常重要的，尤其是对聚合反应和生化反应等过程。在聚合反应过程中常伴有较大的热效应，搅拌槽内的温度分布是否均匀、传热速率的大小是否适当等对整个反应过程及产品质量有着决定性的影响。在生化反应过程中，菌类的生长条件受温度的影响很大，不同的温度条件下会培植不同的菌类。为了得到所需的产品，也必须了解搅拌槽内的温度场的分布情况，从而准确及时地控制好反应温度。因此，研究搅拌槽仙温度场的分布具有重要的实际意义。液晶测温技术以其反应灵敏、能以彩色显示全场的温度分布、对流场和温度场干扰极小等优点在中国国外已被用于研究搅拌槽中的传热、混合时间及传热膜系数的测定等；而在中国内这方面的研究却很少。

一、LC测温技术

   实验所采用的测温方法为液晶测温法（又称LC测温法），其基本原理为一种热色液晶为示踪剂，让它均匀分布在搅拌槽内的工作液中，随着工作液的温度在一定范围内变化，该液晶就会产生一系列彩色。一种确定的热色液晶材料只在一个较窄的温度范围内显彩色，低于或高于这个温度范围液晶都不显彩色。热色液晶呈现的每一种彩色都对应一个确定的温度，因此，在使用热色液晶进行实验之前必须先对它进行标定，即定出它的彩色与温度之间的关系。彩色具有3个特性：色度、明度和饱和度，其中色度是彩色彼此区分的判据。因此，在标定热色液晶时，只要得到其色度-温度的一一对应关系即可。

二、实验部分

    2.1 实验装置

    实验装置：在直径D=500mm 的圆柱形有机玻璃搅拌槽内装有高 h=480mm 的甘油，在实验温度范围内（28～32℃）测得所用甘油的平均粘度为μ=0.292 Pa·s ，密度为ρ=1252kg/m³，在其中均匀分散有平均粒径为75μm液晶粒25g。实验中我们所用的微胶囊状的胆甾相液晶型号BM100/R29C4W/S40，其温度响应范围大约为28～32℃，在此范围仙液晶随温度的升高逐渐由红变绿再变蓝最后为紫色。该液晶随温度的响应时间为毫秒级。槽内对称分布有四组垂直列管，每组垂直列管分别由2个功率为150W的U型电加热棒串联组成。列管总高度为600mm，实际加热段为400 mm，外径为6.5mm，离槽底距离为15mm，列管间距为6mm，与槽壁的最小间距为5mm。实验中所用的搅拌桨为CBY桨，它的几何尺寸及安装高度如表1所示。槽壁外侧为一个外切等八面体，因为甘油和水的折射率分别为1.47和1.3相差不大，所以为了利于拍摄及实验操作的方便在槽壁外侧的间隙中装有与槽内物料高度一样的水，因为这样可以消除光学折射所造成的视差。采用575W的球形镝灯为光源，透过特制的灯箱狭缝形成片光源，照亮所要拍摄的截面。用数码照相机的型号为( Nikon COOLPIX950型）。最后将拍摄好的图片传送到计算机中利用图象处理软件进行处理。

    表 1 CBY桨的几何尺寸及安装高度

    2.2 热色液晶的标定

    在上述实验装置中对所用的热色液晶进行标定。同时开启四组加热列管并快速搅拌，使槽内物料的温度分布基本一致。调整片光源的位置使它照亮搅拌槽的一个轴截面，在与人射光成135°的方向上固定好数码照相机。当槽内主体温度加热至35℃左右时停止加热，开始在槽壁外侧通冷却水，使得槽仙主体温度逐渐缓慢降低。用水银温度计记录槽内中心主流区的温度变化，当温度每降低0.1℃时用数码相机拍摄槽内彩色的变化。实验中所用的温度计算程为50℃，精确度为0.1℃。为了消除流动的影响，在拍摄时停止搅拌静止半分钟左右后再进行拍摄，将色度值与温度值一一对应起来。重复以上步骤，再标定两次，然后将三次标定结果取平均值，作出色度-温度对应曲线。

三、结果与讨论

    3.1 温度分布随时间的变化

    3.1.1 轴向温度分布随时间的变化

    调整片光源的位置,使它能垂直照在搅拌槽的一个轴截面上,为了有利于拍摄在与人射光成135℃的方向上固定好数码照相机。同进开启四个加热捧，并提高搅拌桨的转速使槽内的甘油尽量混合均匀。当搅拌槽内主体温度为28.5℃时将搅拌桨的转速调至40r/min，打开片光源，一边记时一边用数码相机拍摄槽内轴截面上颜色的变化，因为是轴对称，所以只需拍摄搅拌槽的一半即可。

    实验证明搅拌槽内的温度分布很不均匀，在桨的上下附近分别存在有两个明显的暗色区域，也就是说整个槽内在桨的上下附近存在两个环状的低温区域。在此轴截面上这两个低温区域随着列管加热时间的增加而逐渐减小。在 t=1186s时桨左上方的低温区域的面积大约是t=0s的17%。总之，在此操作条件下搅拌槽内传热效果不好，温度分布不均，多处存在传热列区。

    3.1.2 径向温度分布随时间的变化

    为了研究搅拌槽内径向温度分布随时间的变化，首先在槽壁外侧标好所要拍摄的各个横截面的位置。实验中共选取了7个位置，从1至7分别为离底480mm、410mm、320mm、200mm、175mm、95mm及槽底。调整片光源的位置，使它能水平照亮搅拌槽的一个横截面，把数码相机固定在搅拌槽的正上方。同进开启四个加热棒，并提高搅拌桨的转速使槽内的甘油尽量混合均匀。当搅拌槽内主体温度为 28.5℃时将搅拌桨的搅拌桨的转速调至40r/min，打开片光源，一边记时一边用数码相机拍摄槽内某一横截面位置上颜色的变化。因为是轴对称，所以只拍摄一组列管附近的区域即可。

    加热列管附近有一股高温流体，从它的分布情况可大致知道此处流场的一些信息。可以看到在这种操作条件下此截面上的温度分布很不均匀。这是因为在n=40r/min时叶轮雷诺数为 115.48，搅拌槽内液体流动型态为层流，所以在整个搅拌槽内的传热方式主要是主体对流和分子扩散，传热速度较慢。又因为位置2离叶轮较远，受叶轮的作用力较小，使得此处的流体混合效果差，造成温度分布不均。

    结合起来可以更清楚地了解此截面上的温度分布。截面上的温度分布仍不均匀，存在一个明显的环状低温区。

    3.2 温度分布随转速的变化

    为了研究搅拌槽内温度分布随转速不同变化的情况，实验中分别取n=40、60及80r/min三种转速来分析。

    转速n=40 r/min及n=60 r/min时当t=420 s在桨的上下附近还存在两个明显的低温区域，而当转速n增加为80r/min时，这两个低温区域已不存在，即n=80r/min时搅拌槽内的混合效果相对 n=40r/min和n=60r/min要好，此时温度分布也相对较为均匀，不存在明显的传热死区。这是因为此时叶轮雷诺数为230.97是n=40r/min的两倍。虽然叶轮雷诺数的大小并不能确切地表示整个槽内的流动情况，但它仍能很好说明叶轮附近区域的流体流动状态。随着转速的提高，搅拌槽内的混合效果好、传热速度快、温度分布趋于均匀。

四、结果

    （1）对于所用的CBY桨在转速为40r/min时，在搅拌槽内无论是轴向还径向温度分布都很不均匀。在桨的上下附近存在两个环状的低温区域，而且在槽面附近也有大面积的低温区，这里因为实验中所用搅拌桨的直径较小，转速又比较低，使得这些区域的传热速度较慢。

    （2）随着叶轮转速的增加，搅拌槽内的温度分布趋于均匀，但在实际生产中也不能一味地靠增加转速来获得均匀的温度场，因为随着转速的增加功率消耗也随之增大。所以为了获得均匀的温度分布要综合考虑桨型、桨径、转速及功率等诸多因素。

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