机械搅拌操作看似简单，实际上极为复杂，所涉及的影响因素较多。搅拌混合的研究涉及流体力学、化学工程、机械制造等有关理论，而且搅拌混合的性能直接关系到产品的质量、能耗和成本，因此工业界对搅拌混合非常重视。

搅拌器设计包括工艺设计和机械设计两部分。工艺设计主要是提出处理量、操作方式、最大工作压力、最高工作温度、被搅拌物料的性质和腐蚀情况等，有时还提出搅拌器结构形式、转速与功率等。机械设计主要是对搅拌容积、搅拌器、传动装置、轴封以及内部构件等进行合理的选型、强度计算和结构设计。

（一）搅拌器工艺设计

（1）明确任务、目的。其基本内容有以下几方面：

1）明确被搅拌物料体系。

2）明确搅拌操作所达到的目的。

3）明确被搅拌物料的处理量，连续操作按班或年处理量。

4）明确有无化学反应、有无热量的传递。

（2）了解物料性质。物料性质包括物料的处理量、物料的停留时间、物料的黏度、物料表面张力、搅拌和反应过程最大黏度、颗粒的沉降速度等。

（3）搅拌器选型。对给定的搅拌过程，搅拌器的选型还没有成熟、完善的方法，往往在同一搅拌目的下，几种搅拌器均可适用，多根据过去的经验，或相似工业实例进行选型。对一些特殊搅拌，有时要进行模型演示来确定合适的搅拌器结构形式。

（4）确定操作参数。操作参数包括搅拌设备的操作压力与温度、物料处理量与时间、连续或间歇操作方式、搅拌器直径的大小与转速、物料的有关特性与运动状态等，从而计算出搅拌雷诺数，确定流动类型，进而计算搅拌功率。

（5）搅拌器设备结构设计。确定搅拌器的结构和几何尺寸。

（6）搅拌特性计算。确定搅拌功率，考虑轴封和传动中的功率损耗，确实电动机额定功率，选用相应的电动机。

（7）机械设计。根据操作环境和工艺要求，确定传动机构的类型，同时根据搅拌器转速和所选用的电动机，选择合适的变速器，并进行必要的强度计算，绘制零件图和装配图。

（8）费用估算。在满足工艺要求的前提下，花费费用是评价搅拌设备性能、校验设计是否合理的重要指标之一。完整的费用估算应包括以下几方面：

1）设备制造与安装费用，包括材料、加工、标准件购置等费用。

2）维修费用，包括耗材、更换新零件、人工等费用。

（二）搅拌机械设计

1.搅拌器 应满足的基本要求

（1）保证物料的有效混合，消耗功率低，操作方便，易于制造和维修。

（2）搅拌器浆叶应有足够的强度，浆叶根部所受弯矩最大，该截面应有足够的抗弯模量。当浆叶很长时，在浆叶根部非工作面处可设置加强板，这样可有效地增加截面的抗弯模量，并且不致过分地增加浆叶的重量。

2.搅拌器容器或搅拌池 搅拌器容器或搅拌池应合理地选择装料系数，尽量提高设备利用率，釜体一般选用立式圆筒形，池体选用方形，并确定合适的径高比。

3.搅拌轴 搅拌轴应有足够的抗扭强度和抗弯强度。通常，搅拌轴均应设计成刚性轴，为防止共振，转速应控制在第一临界转速的75%以下。搅拌轴的结构要保证其质量较小，如轴径较大时尽量采用空心轴结构。

4.轴封 允许液体泄漏量较多、压力较小时，可采用填料密封；不允许泄漏、压力较高、轴与轴套摩擦要求低的情况下，可采用机械密封。

5.变速器 除应满足功率和输出转速的要求外，还应运转可靠、有较高的机械效率、噪声较低和维修方便。

6.机架 搅拌设备的机架应该使搅拌轴有足够的支撑间距，以保证操作时搅拌轴下端的偏摆量。机架应保证变速器输出轴与搅拌轴的同轴度，同时还应保证与轴封装置的同轴度。机架除承受径向载荷外，还应承受搅拌器所产生的轴向力。

7.搅拌设备内构件 对于低黏度较大的液体的搅拌，常设置四块挡板，宽度为D/12～D/10，即可满足全挡板条件。随着黏度的增加挡板可变窄。当黏度为20Pa·s时，挡板宽度可取常用值的75%；当黏度超过50Pa·s后，就没有必要设置挡板。

（三）搅拌物料特性

搅拌是指固态、液态混合操作，或者气态与液态的混合操作。混合是指任何状态下，将固态、液态、气态物料均匀地掺和在一起的操作。搅拌的目的是使药品混合均匀，加速溶解，发生化学反应。搅拌物料通常是可以流动的体系，可以是单相体系，也可以是多相体系。与搅拌有关的物料特性包括密度、流变行为、表面张力、相分力以及分散相尺寸等。搅拌过程的特性取决于物料的流变特性，其流变行为有牛顿型和非牛顿型两种。这两种流变行为的区分，取决于物料本身的结构和受力情况。例如，水在通常情况下是典型的牛顿流体，但是在高速运动时，水可表现出明显的弹性行为。

1.牛顿流体 当某种流体上承受的切应力正比于所产生的切应变速率时，该流体称之为牛顿流体，可表示为

τ=μγ

式中τ——切应力（N/m²或Pa）；

γ——切应变速率（1/s）；

μ——黏度（N·s/m²或Pa·s）。

牛顿流体的黏度不随搅拌设备中的搅拌转速变化，也不随位置而变。在通常的切应变速率范围内，水、各种盐的水溶液、饴糖等均属于牛顿流体。

2.非牛顿流体 凡流变行为不符合牛顿流体行为的流体都称为非牛顿流体。高分子溶体与溶液、发酵液、原油、各种浓悬浮体、乳浊液以及泡沫等均属于非牛顿流体。非牛顿流体的流变行为与管道输送、搅拌设备的设计与选用，以及控制过程终点和产品质量等均有密切关系。

在一定温度、压力条件下，非牛顿流体的黏度是切应变速率γ的函数，不同γ下黏度的差异可达三个数量级以上。表9-8中列出了常见生产过程中切应变速率的大致范围。

表9-8 常见生产过程中切应变速率的大致范围

3.单相物料体系的搅拌 搅拌过程中，最常见的操作是将互溶的液体混合在一起，形成单相流体。单相流体按流体性质可分为低黏度互溶液体、高黏流体、黏弹性流体和异黏流体等。

（1）低黏度互溶液体的搅拌。黏度是流体的一种属性，流体在管路中流动时，有紊流、层流和湍流三种状态，搅拌设备中也同样存在这三种状态，而决定这三种状态的主要参数就是流体的黏度。在搅拌中，黏度<50Pa·s称为低黏度，大于50Pa·s称为高黏度。

低黏度互溶液体搅拌是两种及两种以上互溶液体在搅拌作用下，任意一点的浓度、温度以及其他物理状态达到均匀的过程，它是搅拌过程中最基本的一种过程。有时为了强调其属于均相搅拌的特点，也称其为调和或调匀。

低黏度互溶液体搅拌的主要特征是不存在传递过程的相界面。对于一个纯物理混合过程，低黏度互溶液体的混合是最容易完成的过程。但如果混合过程中伴有化学反应时，往往会使过程复杂化，主要表现在两个方面：一是对混合时间有比较严格的要求，以避免产生一些不希望的副反应；二是大多有反应热的导出或热量的导入，从而增加了混合的控制难度。

低黏度互溶液体的搅拌操作一般都是在湍流状态下进行的，因而这一过程具有较强的主体扩散、湍流扩散和分子扩散，在宏观混合的同时伴有很强的微观混合过程。为达到搅拌液体的混合均匀状态，低黏度互溶液体的搅拌首先要求提供足够的循环量，以免在设备内出现死区，使所有搅拌液体都能产生快速对流循环运动。其次，还要求搅拌器造成的液体湍流强度或剪切速度要大，尤其是当两种液体黏度相差比较大时，剪切的存在将有利于高黏度液体在设备中的分散，有利于湍流扩散的强化。此外，当需要混匀的两种液体数量相差较大时，少量液体的加料位置是很重要的，理想的位置是叶轮区或是在叶轮吸入区附近，以保证进料能很快通过叶轮，促使搅拌液体很快达到浓度均化。

（2）搅拌性能指标。评价搅拌器混合效果的主要指标有混合时间、混合能等。

1）混合时间是判断混合效果的最重要的性能指标。混合时间（θ_M）是指将两种完全互溶、但其物理性质或化学性质（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匀标准所需的时间。无因次混合时间（又称混合准数）N_θM是混合时间θ_M与转速N的乘积。

N_θM=θ_M·N

其物理意义是达到规定的混匀标准所需的转速，它是搅拌器几何形状的函数。对于特定的搅拌器，混合准数N_θM是常数；但对于不同的搅拌器，其N_θM是不同的。对于不同的混合区，如层流或湍流，N_θM也是不同的。然而，一个性能优良的搅拌器，其N_θM的数量级在层流区和湍流区是大致相同的。

由于测量混合时间的种种条件限制以及所要求的最终均匀程度是人为确定的，故混合时间θ_M的数值仅在相同的测试条件下才有比较价值。混合时间的测定方法有很多种，如对于湍流混合，可采用电导法和温差法等。

2）衡量低黏度互溶液体搅拌效果的第二个性能指标是混合能E，其与黏度、搅拌器叶轮直径、转速N存在如下关系：

（四）搅拌器功率计算

功率计算可通过图表和数学关联式进行。由于这些研究结论都是通过试验得出的，而实验又是在一定限定的条件下开展的，所以应用这些图表和数学关联式时，其搅拌器必须相同，且满足几何相似条件。

P=N_PρN³d⁵ （9-1）

式中 P——搅拌功率（W）；

N_P——功率准数，无量纲；

ρ——密度（kg/m³）；

N——搅拌转速（l/s）；

d——搅拌器直径（m）。

1.主要参数的确定

（1）Rushton图表——浆式、涡轮式和推进式搅拌器功率计算图。当液体黏度在1×10^-3～40Pa·s以内、雷诺数Re在106以下时，测定搅拌功率，得到了功率准数N_p和雷诺数Re关系的计算图表，如图9-17所示。

由图9-17可见，在低雷诺数（Re<10）的层流区内，流体不会打漩，重力影响可忽略，功率曲线是斜率为-1的直线；当10≤Re≤10000时为过渡流区，功率曲线为一下凹曲线；当Re>10000时为充分湍流区，功率曲线为一水平直线，即N_p与Re无关，为一恒定值。用式9-1计算搅拌功率时，功率准数N_p可直接从图9-17中查得。

图9-17 各种搅拌器的功率曲线（N_p-Re曲线）

曲线1—推进式S=dNBC 曲线2—推进式S=dBC 曲线3—推进式S=2dNBC 曲线4—推进式S=2dBC 曲线5—六直叶圆盘涡轮NBC曲线 6—六直叶圆盘涡轮BC 曲线7—六弯叶涡轮BC 曲线8—六矢叶涡轮BC 曲线9—八折叶涡轮（θ=45°）BC 曲线10—双叶平浆BC 曲线11—六叶闭式涡轮BC 曲线12—六叶闭式涡轮（带有20叶静止导向器）

S—叶片螺距；BC—有挡板（挡板数n_b=4，挡板宽W_b=0.1D）；NBC—无挡板

曲线5、6、7、8　d∶l∶B=20∶5∶4（l为浆叶长度，B为浆叶宽度）

曲线10B/d=1/6各曲线d/D≈1/3，C/D=1/3，H/D=1

（其中，C为搅拌器离容器底高度，H为容器内液体高度）

需要指出图9-17所示的功率曲线只适用于对应搅拌器的几何比例关系。如果比例关系不同，功率准数N_P也不同。

雷诺数为一无因次量，它的物理意义是液体流动时的惯性力和黏性力的比值。雷诺数大，表明这时的流动以惯性力为主，流动状态为紊流；雷诺数小，表明这时的流动以黏性力为主，其流动状态为层流。

（2）液体黏度μ。一般情况下液体黏度可从液体黏度共线图中查得。由液体黏度共线图坐标值找出对应的X、Y值，再在液体黏度共线图上查出某温度下的黏度。液体黏度共线图如图9-18所示。液体黏度共线图坐标值见表9-9。例如，查取苯在50℃时的黏度，可从表9-9中的序号26查得苯的X=12.5，Y=10.9。

图9-18 液体黏度共线图

表9-9 液体黏度共线图坐标值

把这两个数值标在图9-18的X-Y坐标上，再把这点与图中左边温度标尺上50℃的点连成一直线，并向右边加以延长，此延长线与右边黏度标尺相交，由此交点定出50℃苯的黏度为0.44MPa·s。

（3）计算举例。

例：搅拌反应器的筒体内径为ϕ1800mm，采用六直叶涡轮式搅拌器，搅拌器直径为ϕ600mm，搅拌转速为160r/min，容器内液体的密度为1300kg/m³，黏度为0.12。试求：①搅拌功率；②改用推进式搅拌器（S=2d）后的搅拌功率。

解：已知ρ=1300kg/m³，μ=0.12Pa·s，d=600mm，N=160r/min=2.667s^-1

①求搅拌功率P。

由式（9-2）可得，雷诺数

由图9-17中的功率曲线6（假设为全挡板条件，下同）查得，N_p=6.1。

由式（9-1）可得，搅拌功率

P=N_pρN³d⁵=6.1×1300×2.667³×0.6⁵=11.70kW

②求改用推进式搅拌器（S=2d）后的搅拌功率P。

雷诺数Re不变，由图9-17中的功率曲线4查得，N_p=0.92。

P=N_pρN³d⁵=0.92×1300×2.667³×0.6⁵=1.75kW

搅拌器偏心安装或侧面插入时的搅拌功率计算与同类搅拌器中心安装全挡板条件时的功率计算相同。

2.二叶平浆和二叶斜浆

可由图9-17查得N_p值后直接按式（9-1）计算，也可按式（9-3）进行计算。

（1）无挡板时的搅拌功率。按式（9-3）计算：

式中

当时，P的算式中包含四次方的项可忽略不计。

式中 b——叶片宽度（m）；

D——搅拌容器（池）内直径（m）；

H——液面到液底的高度（m）；

Re——雷诺数；

N_p——功率准数。

在无挡板进行湍流操作时，式（9-3）也能用于近似计算多层叶轮或一叶轮上有多于两个叶片的情况，其条件是叶片不是曲面，各层叶片倾角θ和叶轮直径d必须一致，且叶片宽度b和叶片总数Z的乘积相等（当有N_s层叶轮时，Z=N_s×B_n）。如六平直叶开启式涡轮，其叶宽为b，则可把它看作叶宽为3b的二叶浆式叶轮；又如两层叶宽为b的四叶开启式涡轮，可看作叶宽为4b的二叶浆式叶轮。用式（9-1）计算时，如浆叶是2层，叶片宽度b可乘2；若是3层，叶片宽度b可乘3。

（2）有挡板时的搅拌功率。在湍流状态下插入挡板会使搅拌功率大幅提高，当挡板宽度W_b和挡板数n_b满足下列关系时，搅拌功率达到最大值。

（W_b/D）^1.2n_b=K_b=0.35

式中 K_b——挡板系数；

D——搅拌容器（池）内直径。

K_b=0.35称为全挡板条件；0＜K_b＜0.35称为部分挡板条件，K_b取0.06～0.12时可使混合能耗最小。

1）二叶平浆在全挡板时的搅拌功率。全挡板和无挡板时的N_P-Re曲线如图9-15所示。在湍流域，全挡板的N_P-Re关系为一水平线，此线的延长线与低Re时的N_P-Re曲线的交点所对应的Re，即表示由层流转变成过渡流时的临界Re，记作Re_c。Re_c可用下式计算

将Re_c代入式（9-3），求得的N_P值就是全挡板时的N_P数，记作N_Pmax。搅拌器在低黏度流体中的启动功率也可用N_Pmax计算。

2）二叶折叶浆在全挡板时的搅拌功率。记为倾角为θ的折叶浆的临界雷诺数Re_θ，Re_θ可由Re_c来计算。

将Re_θ代入式（9-3），可求得二叶折叶浆在全挡板时的N_Pmax。

搅拌器偏心安装或侧面插入时的搅拌功率计算与同类搅拌器中心安装全挡板时的功率计算相同。

（五）搅拌轴直径计算

搅拌轴的强度条件是：

式中 [τ]——轴材料的许用剪应力（MPa），[τ]=б_b/16，或按表9-10，选取；

τ_max——截面上最大切应力，MPa；

б_b——轴材料抗拉强度，MPa；

M_te——轴上扭转和弯距联合作用时的当量扭距（N·m）；

W_p——抗扭截面模量（m³）。

(www.daowen.com)

式中 M_n——按传动装置效率计算的搅拌轴传递扭距（N·m）；

M——轴上弯距的总和（N·m）。

M=M_A+M_R

M_A——由轴向推力引起的作用于轴的弯距（N·m）；

M_R——由径向力引起的作用于轴的弯距（N·m）。

注：仅受扭距作用的垂直轴，可忽略轴上的弯距总和M。

对于空心圆轴W_p=πd³/16（1-N⁴₀）

N₀——空心轴内径和外径的比值。

搅拌轴的直径

表9-10 几种轴用材料的许用切应力[τ]（单位：MPa）

（六）搅拌器的选型

废水处理的搅拌都是低黏度，单相和液、液的搅拌，符合牛顿流体条件，即流体上承受的切应力正比于所产生的切应变速率，黏度不随转速变化，也不随位置变化。因此，低速搅拌选用折叶浆式搅拌器，高速搅拌选用推进式搅拌器。

混合搅拌也可选用浆式或推进式搅拌器。浆式搅拌器结构简单，加工制造容易，但所能提供的混合功率较小；推进式搅拌器所能提供的混合功率较大，但制造复杂。应先选浆式搅拌器，通过演算，浆式搅拌器所提供的功率不能达到混合功率的要求时可改用推进式搅拌器。浆式搅拌器安装技术参数见表9-11，浆式搅拌器安装图如图9-19所示。

图9-19 浆式搅拌器安装图

表9-11 浆式搅拌器安装技术参数

1.常用搅拌器的规格与型号 常用搅拌器有平（折）浆式、推进式、涡轮式、框式与锚式。

（1）折叶浆式搅拌器如图9-20所示，主要尺寸见表9-12，搅拌器选用参数表9-13。

图9-20 折叶浆结构

表9-12 平浆式搅拌器主要尺寸（单位：mm）

（续）

注：D_j——搅拌器直径，d——搅拌器中心孔直径。

表9-13搅拌器选用参数

注：D——混合池直径（m）；d——搅拌器直径（m）；H——混合池液面高度（m）。

（2）推进式搅拌器如图9-21所示，主要尺寸见表9-14。

图9-21 推进式搅拌器

a）左旋推进式搅拌器 b）右旋推进式搅拌器

表9-14 推进式搅拌器主要尺寸（单位：mm）

（3）六叶圆盘涡轮式搅拌器如图9-22所示，主要尺寸见表9-15。

图9-22 六叶圆盘涡轮式搅拌器

a）六平直叶圆盘涡轮式 b）六斜叶对开圆盘涡轮式

表9-15 六叶圆盘涡轮式搅拌器主要尺寸（单位：mm）

2.浆式搅拌器的技术条件

（1）加工面的未注尺寸公差按GB1804《未注公差尺寸的极限偏差》第12级精度，非加工的未注尺寸公差按GB1804第14级精度。

（2）浆叶、加强筋板的材料，选用碳钢应符合GB699、GB700、GB3274的规定；选用不锈钢应符合GB3280、GB1220的规定；紧固件的材料应符合图样及相应的标准要求。

（3）浆叶的焊接采用连续焊，加强筋板可采用间断焊，焊接接头形式和尺寸按GB985的规定；焊条应符合GB5117、GB5118及GB983的规定。

（4）浆叶端线速度v<5m/s，可不进行静平衡试验；浆叶端线速度v>5m/s，要做静平衡试验。焊接的浆叶和加强筋板应对称，以减少不平衡因素。

（5）浆叶和轴孔轴线应垂直，垂直度公差为浆叶总长度的0.4%，且不超过5mm，浆面的平面度公差按GB/T1184的12级精度。

（6）搅拌器的直径和浆叶长度极限偏差按GB/T1804的C级精度；加工面未注公差尺寸的极限偏差按m级精度；非加工面未注公差尺寸的极限偏差按C级精度。

（7）斜浆叶的倾斜角偏差不大于3°。

（8）搅拌器表面应无棱和毛刺，浆叶应平整。

（9）检测搅拌器浆叶形状、尺寸所用的样板及量具的误差，不超过被测尺寸公差的1/5。

（七）搅拌器传动系统的选用

搅拌设备的传动系统一般包括电动机、变速器、联轴器、搅拌轴、机架、机架固定座等。

1.电动机的选用 由于搅拌设备的转速都比较低，因而电动机多数情况下都是与减速器组合在一起使用的，电动机与减速器成套供应。电动机选用要注意下面几点。

（1）确定电动机型号。根据设备负载性质和工艺条件，以及对电动机的起动、制动、运转、调速等要求确定。

（2）确定电动机额定功率。可按下式确定：

式中 P_N——电动机功率（kW）；

P′——搅拌器功率（kW）；

P_s——轴封装置的摩擦损失功率（kW），填料密封约为0.368kW，机械密封的损失功率为填料密封的10%～50%；

η——传动装置的机械效率，见表9-16。

表9-16 传动装置的机械效率

（3）防护型式。按GB4208规定，电动机外壳防护等级代号由特征字母IP与防护特征数字A、B组成，A代表防止固体进入内部的防护等级；B代表防止水进入内部的防护等级。

2.减速器的选用

（1）确定工作时间，即每天工作的小时数。

（2）根据工作时间、总传动比、输入转速和功率，在各产品“减速器承载能力表”中确定接近或偏大中心距的减速器。

（3）校验输出轴最大短暂扭矩。如果已知输出轴扭矩，应采用式（9-10）将扭矩T转化为功率

式中 P——功率（kW）；

T——输出轴扭矩（N·m）；

n——输入转速（r/min）；

i——总传动比；

η——总传动效率。

（4）考虑减速器在振动和载荷变化情况下工作的平稳性，并连续工作，一般首先选择机械效率较高的摆线针轮行星减速器。

3.机架

长度大于1200mm的搅拌轴，摆动量大，如直接与减速器输出轴相连，会使减速器轴承受损害，从而使减速器的滚针或齿轮受损害。因此长度大于1200mm的搅拌轴必须要考虑采用机架，加中间传动轴，从而使搅拌轴的摆动传不到减速器上，保证减速器的使用寿命。

国内的机架标准有三部，均为化工行业标准，分别是HG21566《搅拌传动装置—单支点机架》、HG21567《搅拌传动装置—单支点机架》和HG/T3139.1《釜用立式减速机型式和基本参数》附录A，HG/T3139.1所列机架型式比较全面，所以选用时尽可能按HG/T3139.1附录A选型。

（八）搅拌附件

搅拌附件是指为了改善液体的流动情况而增设的构件，有挡板、导流筒、稳定器、温度计、气体分布器等，下面主要介绍挡板和稳定器。

1.挡板 当搅拌器沿容器（池）中心线安装，搅拌物料的黏度不大，且搅拌转速较高时，液体将随着旋转方向一起运动，容器（池）中间部分的液体在离心力作用下涌向内壁面并上升，中心部位下降，形成漩涡，通常称为“打漩区”。随着搅拌转速的增加，漩涡中心下凹到与浆叶平齐，此时外面的空气进入浆叶被吸到液体中，液体混入气体后密度减小，从而降低了混合效果。为消除这种现象，通常可加入一定数量的挡板。安装在筒体（池）内壁的挡板可把回转的液体改变为径向和轴向流动，较大地增加了流体的剪切强度，从而改善搅拌效果。因此，挡板主要是为了消除漩涡，改善主体循环，增大湍动程度，改善搅拌效果；同时还能降低负荷的波动，使功率消耗保持稳定。

挡板的结构和数量对混合效果的影响很大。过多的挡板将减少容器内流体的流动，将其控制在局部区域，导致不良的混合性能。一般情况下，在容器内壁面均匀安装4块宽度为搅拌器直径的1/12～1/10的挡板，就可以满足全挡板条件（若再增加挡板数和挡板宽度，能耗不再增加）。

通常低黏度流体混合时都需要安置挡板。当物料的黏度增加时，挡板的数量可相应减少。当黏度达到10Pa·s时，无需设置挡板。

（1）挡板的通用尺寸。挡板的宽度W_b一般取（1/12～1/10）D；当搅拌器（池）容积直径D≤1000mm时，挡板数量为2～4块；当搅拌容器（池）容积直径D≥1000mm时，挡板数量为4～6块，即可满足全挡板条件。

（2）挡板与搅拌容器内壁间隙S_b。当被搅拌液体的黏度μ<100mPa·s（低黏度）时，S_b=0；当被搅拌液体的黏度μ=100～2500mPa·s（中黏度）或介质为固-液两相时，S_b>0，见表9-17。

表9-17 挡板与搅拌容器内壁间隙S_b

（3）挡板在搅拌容器内的设置高度。挡板上缘一般与液面齐平，当液面上有轻质易浮而不易润湿的固体物料时，挡板上缘可低于液面100～150mm，这样可形成漩涡，润湿固体物料。挡板下缘一般与底封头直边齐平。

2.稳定器 废水处理搅拌轴较长，传统的设计往往采用中间轴承和底轴承的措施，这样虽然可以减少轴端的挠度，但却增加了多点对中的难度，且底轴承和中间轴承浸在物料中，润滑不好，如物料中含有固体颗粒，更易磨损，需经常维修。对中不良的搅拌轴，中间轴承和底轴承的磨损严重，更换费用高。

若设计成悬臂轴，其运转时由于搅拌流体形成的水平推力以及轴本身及搅拌器等零件的不均匀性产生的离心力的联合作用，使搅拌轴端挠度过大，引起轴的摆动，影响轴承的寿命，时间长了，则因变形积累使搅拌轴弯曲甚至破坏。因此，减小搅拌轴端挠度的方法有三种：缩短轴长度、加大轴直径和设置稳定器。前两种涉及工艺的变动及相关零部件尺寸加大，并不可取。稳定器的工作原理是：利用搅拌容器中被搅拌液体对稳定器产生的阻尼作用，阻止或减少搅拌器的摆动，使搅拌轴端挠度控制在允许的范围内。稳定器摆动时，其阻尼力与承受阻尼的面积有关，迎液面积越大，阻尼作用越大，稳定效果越好。当搅拌轴在介质中摆动时，由于稳定器的存在增加了介质的阻尼作用及稳定器的惯性作用，减小了轴的摆动量。稳定器的应用，使搅拌器的运行得到了改善，轴承的寿命得以延长。

图9-23 稳定器

稳定器的结构型式有两种：圆筒型和叶片型。圆筒型的形状为空心圆，安装在搅拌叶片下。由于稳定筒的迎液面积较大，所产生的阻尼力也大，且安装在轴端，因而稳定效果好。稳定器如图9-23所示。

d_t/d=0.65～0.7 h/H=1～1.1

式中 d_t——稳定筒内径（mm）；

d——搅拌器直径（mm）；

h——稳定筒高度（mm）；

H——搅拌器叶片高度（mm）。

图9-23a中的稳定叶片切向布置，可避免产生搅拌作用。图9-23b为安装在搅拌轴上的稳定叶片，由于离上部轴承较近，阻尼产生的反力矩较小，稳定效果也小。稳定叶片的尺寸一般取：w/d=0.25，h/d=0.25。

（九）搅拌实验技术

1.搅拌功率的测量

（1）电动机反扭矩测量法。本方法适用于规模较小的搅拌体系。其工作原理如下：当电动机工作时，作用于电动机转子上的电磁矩和作用于电动机定子上的电磁矩总是大小相等、方向相反的。因此，只要测出作用于定子上的扭矩就等于测得了作用于转子上的扭矩，再扣除转子轴承上的摩擦扭矩后，就可测得搅拌的实耗扭矩，由扭矩和转速便可以计算出搅拌功率。图9-24所示为电动机反扭矩测量法简图。转盘固定在电动机外壳上，电动机和转盘由推力轴承安装在支架上，电动机外壳（定子）受到的扭矩由转盘切向引线的拉力构成的力矩所平衡。而拉力的大小，通过滑轮，由天平上的砝码测出。砝码数与转盘半径的乘积，即为作用于转子上的扭矩，其计算式为

P=2πNmgR（9-11）

式中 N——搅拌转速（l/s）；

m——平衡扭矩的砝码质量（kg）；

g——重力加速度（m/s²）；

R——测矩盘半径（m）。

图9-24 电动机反扭矩测量法简图

（2）应变测量法。采用动态应变仪测量搅拌轴的扭矩，以此来计算搅拌功率。其原理是搅拌轴的扭矩大小与切应变成正比，只要测出搅拌轴外表面上切应变大小，即可计算出扭矩。该方法适用于测量功率较大的搅拌体系。图9-25所示为测量装置原理图。将4片电阻丝应变片按与轴线成45°的方向，对称地粘贴在搅拌轴上，并使之组成电桥。当搅拌轴在扭矩的作用下发生相应的改变时，会引起电阻丝阻值的变化，破坏了电桥的平衡，产生出与切应变成线性关系的电压信号，并通过动态电阻应变仪将此电压信号放大后输入到记录仪中，读出切应变变化数据。

图9-25 测量装置原理图

根据扭矩与切应变之间的换算关系，经数据处理后可方便地得出搅拌轴的扭矩值，再扣除用空载实验测出的密封、轴承等处的摩擦扭矩，即是搅拌时实耗的扭矩大小。

2.混合时间的测量 混合时间的测量通常是通过局部注入具有相同流动性质但不同检测性质的物质，如不同的温度、颜色、电导率、pH等，然后通过测量装置检测这些性质均匀遍及整个体系的时间，即为混合时间。

（1）温差法。图9-26所示为温差法测量混合时间装置原理图。图中的搅拌釜为内壁为有机玻璃的平底圆筒，高600mm，内装4块标准挡板，实验时装液高度为釜径的2倍。搅拌器为二层圆盘涡轮、折叶涡轮，或者折叶涡轮与圆盘涡轮的组合。

图9-26 温差法测量混合时间装置原理

同时，在釜内安装6对E型热电偶，其中5对用于测量搅拌釜内5个不同位置的温度变化，剩下的一对测量E型热电偶的冷端温度。利用PCLD-789和PCL-812两块集成电路板进行数据的自动采集和处理。其中，PCLD-789是一块有效的前馈调节和多路信号通道的子板，主要用作放大器和多路信号传输；PCL-812是一块高性能、快速、多功能的数据采集卡，主要用作A/D转换。图9-27所示为层间距等于D时双层圆盘涡轮在转速为3r/s时的混合实验过程（混合时间θ_m=23s）。

上面的一条曲线代表搅拌釜液面附近靠近挡板处热电偶电位随时间变化情况，下面的一条曲线代表釜底附近靠近底部的电位变化情况。在达到混匀前，上面的曲线中有一些小峰，这是由流体循环所引起的，从峰的个数可以判断循环的次数。

（2）脱色法。对于高黏度流体的混合，可用碘和硫代硫酸钠脱色反应来测定混合时间。使用该法时，要求釜和流体必须透明。先在釜内流体中加入一定量的碘溶液，通过搅拌使流体均匀着色，在一定的搅拌转速下将适当过量的硫代硫酸钠溶液（例如，碘与硫代硫酸钠的当量比为1∶3快速加入釜内，用眼睛观察或用光电池监视其褪色情况。从投入硫代硫酸钠溶液起到延至某个规定程度所需的时间就是混合时间。

图9-27 双层圆盘涡轮在转速为3r/s时的混合实验过程