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加藤吉人，古川春树，池田康行，中西俊一，佐野正，富冈贤二那 “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“，国际化学工程杂志那 卷。2018年那 文章ID.2787641那 7. 页面那 2018年． https://doi.org/10.1155/2018/2787641
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
Yoshihito加藤
那1
Haruki古那1
Yasuyuki Ikeda那2
Toshikazu Nakanishi.那2
Tadashi Sano.那3.
和
kenji tomioka3.
1生命科学与应用部化学，名古屋理工学院，Gokiso-Cho，昭和岛，名古屋，Aichi 466-8555，日本
2朝日玻璃厂，1978，高滨，日本熊本864-0025
3.Takasago化学工程有限公司，哈吉尼西，川口史3-14-8，埼玉县334-0012
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。
有许多用于混合过程的基本扩展规则，包括每单位体积的恒定功耗，恒定叶轮尖端速度，恒定传热系数，恒定传递体积常数系数，恒定的悬架旋转叶轮速度。混合过程中扩大的困难点之一是当我们优先考虑控制参数时，这样做可能会对其他参数产生不利影响。当雷诺数对于小尺度或大规模混合容器恒定时，每单位体积的功耗不能保持恒定。因此，如果材料的相同物质用于工业生产，则无法在实验室规模完全繁殖相同的现象。在进行从实验室过程中进行扩展到工业过程时，几何相似性通常不能保持。例如，当圆柱形磁力搅拌棒用于实验室中的小规模过程时，具有桨叶叶轮的混合容器可用于相应的大规模工业过程。另外，已经开发了许多混合叶轮，例如桨叶，涡轮机，螺旋桨，锚，螺旋色带和许多新型的大型大桨叶叶轮。
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.］．这些叶轮在各种雷诺数下非常有用。
Inoue等人[4.建议有一个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。在先前的论文中，作者发现了使用Inoue等人提出的条纹线可视化方法的各种大型桨叶的重要组合性能。另外，当在层状区域中使用MB和FZ叶轮时发现液体高度是一个非常重要的因素。
本作者开发了一种新的家用基础型（HB型）叶轮，基于棒球中使用的家用板的形状的指定，在各种雷诺数下使用，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。
本作者使用HB型叶轮的混合过程，用于实验室规模，飞行员规模和工业规模。在本文中，作者证明了HB叶轮的混合性能和使用HB叶轮的混合过程的扩大系统。
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。
线线的实验性可视化由铀溶液和平面激光进行。将0.025g铀粉溶解在100ml淀粉糖浆溶液中以制备与混合液相同的粘度溶液。铀溶液通过叶轮中空轴注入叶轮尖端。通过平面激光垂直照射铀溶液以观察条纹线。
脱色实验基于氧化还原反应。分别采用硫代硫酸钠和碘作为氧化和还原剂。将硫代硫酸钠和碘溶于淀粉糖浆溶液中，得到与混合液相同的粘度。硫代硫酸钠溶液和碘溶液的浓度为0.5mol / L.将碘溶液加入混合液中，然后将硫代硫酸盐溶液加入到液体表面的混合液中。碘溶液和硫代硫酸酯溶液的比例为1至1.4。允许该比率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.］．
500ml玻璃烧杯用于小规模实验。由PTFE板制成的小型HB叶轮安装在圆柱形搅拌棒上，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米，0.05米和0.045米。Hb叶轮的正常圆柱形搅拌棒的附接和移除非常容易，因为搅拌棒简单地被迫进入HB叶轮下部的孔中。
3.结果与讨论
3.1。混合HB叶轮的性能，用于试验规模
一，数字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)。
（一种）
（b）
（一种）
（b）
（C）
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。
（一种）
（b）
（C）
（d）
数据6.和7.显示HB叶轮混合过程的时间序列。在层状区域中未观察到类似甜甜圈的IMR，并且在具有平坦或料道的容器中的湍流区域中没有观察到圆柱形旋转区（CRZ）。HB叶轮操作中最重要的考虑因素是在广泛的雷诺数下不需要挡板的安装。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.］．
（一种）
（b）
（C）
（d）
（e）
（F）
（G）
（H）
（一种）
（b）
（C）
（d）
（e）
（F）
（G）
（H）
３．２．实验室用HB型叶轮的混合性能
数据8.和9.分别在500mL烧杯中使用正常磁圆柱搅拌棒和Hb叶轮的混合过程。圆柱形搅拌棒中的流体粘度为60mPa·s，而Hb型搅拌棒（Asahi Glassplant Inc.）在烧杯中实现完全混合，如图所示9.．数据10.和11.在湍流区域中填充有去离子水的500mL烧杯中的正常圆柱形搅拌棒和Hb叶轮的混合过程。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.］．
（一种）
（b）
（C）
（d）
（一种）
（b）
（C）
（d）
（一种）
（b）
（C）
（d）
（一种）
（b）
（C）
如上所述，Hb型叶轮可以用于小尺度容器中。另一方面，由于它们的几何形状非常复杂，因此不能使用其他由日本公司开发的双刀片宽桨叶叶轮。此外，这些其他叶轮的几何形状是复杂的，这使得它们难以清洗，并且它们不适合实验室使用。
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.，可以使用正常来实现完全混合。
3.3。HB叶轮扩大到工业规模
工业级HB叶轮(D.= 1.7米）是由高崎化学工程有限公司开发的基于上述考虑因素，如图所示12.．
4。结论
新型HB型叶轮的扩展变得非常简单，因为叶轮的几何形状可以与实验室规模的实验保持一致，以产业规模生产。另外，由于要保持几何相似性，所提出的HB型叶轮在扩展到工业规模生产中地解决了其中一个困难。
命名法
| B： | 叶轮刀片的高度（m） |
| B.'： | 叶轮叶片的排出部分的高度（m） |
| D.： | 血管直径（m） |
| D.： | 叶轮直径(米) |
| H： | 液体深度（m） |
| N： | 叶轮转速（s-1） |
| 关于： | 叶轮雷诺数（=nd2ρ/μ）（ - ） |
| μ： | 液体粘度(Pa·s) |
| ρ： | 液体密度（kg·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
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