化工行業(yè)常用攪拌器研究熱點研究熱點攪拌器

化工 行業(yè) 常用 攪拌 器 研究熱點 陳俊英，李紅偉 （鄭州大學化學工程與能源學院，河南 鄭州 450001） 摘 要 本文歸納了近 幾 年來化工行業(yè)常用攪拌器的研究熱點 ， 分析了攪拌器發(fā)展的多樣性。 將攪拌器的研究熱點總結為八個方面：攪拌器的大型化、微型化、連續(xù)化、數(shù)值模擬、智能化、節(jié)能化、高黏度化和反求工程。分析各個研究熱點的優(yōu)越性， 提出 尚待 解決的問題，并瞻望了攪拌器未來的發(fā)展方向。 關鍵詞 攪拌器 ； 混合器 ； 化工 Study on the Research Hotspots of Mixer in Chemical Industry CHEN Junying, LI Hongwei (School of chemical engineering and energy, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, Henan, China) Abstract This paper generalizes the research hotspots of mixer in chemical industry and analyses the diversity of agitator development. The research hotspots of mixer in chemical industry are summed up as eight aspects: large-scale, micro-scale, becoming continuous, numerical simulation, intelligent, energy-saving, getting high viscosity and reverse engineering. The advantages of each research hotspot are analyzed, the problems that need to be solved are proposed, and the development directions of mixer are highlighted in this paper. Key words Agitator； Mixer； Chemical 攪拌設備在工業(yè)生產(chǎn)中應用范圍很廣，尤其在化工生產(chǎn)中，幾乎所有的化工部門或多或少的都存在著攪拌操作。甚至在近些年來高速發(fā)展的高 分子工業(yè)中，作為生產(chǎn)高分子材料的核心設備的聚合反應器中 90%是攪拌設備。 攪拌操作 作為過程工業(yè)的基本單元操作 是化工反應過程的重要環(huán)節(jié)，其原理涉及流體力學、傳熱、傳質及化學反應等多種過程，攪拌過程就是在流動場中進行動量傳遞或是包括動量、熱量、質量傳遞及化學反應的過程。 攪拌器 就 是利用攪拌槳葉的旋轉向釜內流體輸入機械能 從而 使流體獲得適宜的流動場的機械裝置 12。 攪拌設備歷史悠久，應用范圍廣泛。但是 針 對攪拌操作的研究卻遠遠不夠。攪拌操作所涉及的因素極為復雜：攪拌的物料的物性千差萬別，攪拌的目的也不盡相同，攪拌設 備形式多種多樣，再加上物料 在攪拌設備內部流動極其復雜，如何合理正確的設計以及選擇攪拌器都沒有一個嚴密的理論指導，仍在很大程度上依賴于經(jīng)驗設計 。 近年來，隨著科學技術的發(fā)展，化工、醫(yī)藥以及石油等各個行業(yè)對攪拌操作的要求 越來越高，攪拌的物料也呈現(xiàn)出復雜性 ，不再是低粘度的牛頓流體，高黏度、變黏度的流體也經(jīng)常碰到 。 在化工行業(yè)中， 陳俊英 (1972-),女，博士，副教授， 主要從事生化設備強化及可再生能源方面的研究。 聯(lián)系人：陳俊英 E-mail： 聯(lián)系電話：常見的攪拌形式是機械攪拌、噴射攪拌以及氣流攪拌等，由于機械攪拌在化工行業(yè)中仍舊占據(jù)著重要的地位，因而 本文 主要 對 近 幾年來 機械 攪拌器的研究熱點進行了分析、歸納，介紹了部分研究成果，并提出研究尚不充分的問題， 為進一步研究提供參考。 1 攪拌器的 研究熱點 1.1 大型化 攪拌器在服從系列化和多樣化的同時也日趨大型化 。 例如 PVC、乙烯、聚醚、 順丁橡膠等裝置中使用的攪拌反應釜容積都已經(jīng)達到 70m3以上， 我 國國內研制的年產(chǎn) 40萬噸的關鍵設備 PVC聚合釜 (LF135聚合釜 )的容積已經(jīng)達到了 135m3， 這也是目前亞洲地區(qū)投入的最大的容積的聚合釜 34， 國內其他 化工行業(yè)大型生產(chǎn)裝置的反應釜容積已經(jīng)達到 200m3左右 ，而在 發(fā)酵工程中，發(fā)酵罐體積已經(jīng)達到了 350m3。而根據(jù)文獻報道，外國的大型化攪拌器已經(jīng)達到 1000m3以上 5。 采用大型化的攪拌器具有非常多的優(yōu)點： 可以提高產(chǎn)品的質量和均一性，可以減少裝置的占地面積，降低裝置建設投資，降低裝置的生產(chǎn)管理和維修費用，同時有利于實現(xiàn)自動化控制。 但是，設備的大型化過程 對 科研與設計單位提出了更高的要求，即如何把基礎研究的結果、單元操作的有關理論與具體工藝過程的要求有機的結合起來 6。 例如：大型攪拌器的壁厚比較厚，如何更 好的解決傳熱問題？大型攪拌器 的攪拌軸一般比較長 ， 攪拌軸承受的扭矩也更大，這不僅 對攪拌器 生產(chǎn)提出了更高的要求，也對攪拌器 的安裝精度 提出了更高的要求。 1.2 微型化 和集成化 隨著納米材料以及微機電系統(tǒng) (Micro-Electro-Mechanical Systems,簡稱 MEMS)的迅速 發(fā)展，微型化和集成化成為化工技術的一個發(fā)展方向 ，我國微化工技術起源于 2000年，經(jīng)歷十年的發(fā)展，已經(jīng)取得了很大的成就 。微混合器作為微化工 關鍵 設備之一，由于其獨特的優(yōu)越性成為近年來研究的熱點之一。 微混合器可以 根據(jù)有無外界驅動力 分為 主動 式微混合器和 被動 式微混合器。 主動式混合器主要是利用外場的作用產(chǎn)生液體間的相對運動來進行混合， 例如 微流體超聲波混合器、磁力攪拌微混合器、動電式 微 混合器、壓力擾動式 微 混合器 、電滲流微混合器等等 79。 被動式混合器 主要依靠管道的內部結構和形狀，盡可能增大混合面積以達到增強混合的效果， 近年發(fā)展出來的微混合器主要有混沌微混合器、T型微混合器、靜態(tài)微混合器 、分流微混合器 等等 1013。 微混合器具有許多優(yōu)點： 具有非常大的面容比 ， 具有非常高的傳熱傳質系數(shù)， 可大幅度提高反應過程中資源和能量的利用效率 ，同時體現(xiàn)出更高的選擇性，具有更高的安全性，并且易于控制，可以實現(xiàn)化工過程的連續(xù)和高度集成、分散和柔性生產(chǎn) ,并具有易于放大等優(yōu)點 14。 國 內外近年來的研究熱點主要集中在微混合器加工技術 、 研究流體流動 以及混合機理 、研究微混合器的性能 以及壓力降 、 利用 CFD進行模擬 等方面， 但是 由于微尺度理論和技術都不完善，因此微混合器的 發(fā)展仍舊不成熟 1519。 現(xiàn)在微混合器工業(yè) 化還是一個難點，因為微混合器的處理能力比較 低 ， 要想實現(xiàn)工業(yè)化規(guī)模就必須對微混合器進行放大，如果單單利用微混合器數(shù)量的疊加來實現(xiàn)放大，那么其檢測和控制的難度將大大增加， 對于實際生產(chǎn)來說成本相對比較高 20。微混合器還有一個缺點就是管道容易堵塞， 微混合器現(xiàn)在只能處理相對潔凈的物料，而對于有顆粒產(chǎn)生的物料則非常容易堵塞，其清理過程非常復雜 21。相信 在今后幾年， 微混合器的研究重點將集中在 微混合器與其他單元過程的集成，微混合器的放大 、 工業(yè)化應用以及開發(fā)新型清潔的微混合器 等方面。 1.3 連續(xù)化 傳統(tǒng)意義的攪拌器 在生產(chǎn)的過程中往往不能連續(xù)生產(chǎn)，在攪拌操作結束之后就要停止攪拌進行卸料，然后重新進行裝料進行生產(chǎn) ， 這種攪拌方式嚴重降低了生產(chǎn)效率 。 尤其 對于懸浮液和乳濁液來說，在停止攪拌后 會出現(xiàn) 沉淀和分層， 從而 影響產(chǎn)品的質量。 因而近年來如何實現(xiàn)攪拌器的連續(xù)化生產(chǎn)也是攪拌器的研究熱點之一。 實現(xiàn) 攪拌器的連續(xù)化 操作 具有很多優(yōu)點：相對于批量攪拌可以 減少勞動力， 提高攪拌效率，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質量，便于自動化控制等等 22。 現(xiàn)在常用的連續(xù)攪拌器是將需要混合的物料以穩(wěn)定的流速流入攪拌器 ，攪拌器中 的物料以同樣穩(wěn)定的流速流出攪拌器 。物料的混合是通過攪拌器強烈的攪拌作用，在很短的時間內使物料達到均勻混合，這種連續(xù)攪拌 的 方式主要適用于低粘度流體，而對于高粘度流體則不很適用 。 在高粘度流體的攪拌操作中常采用互換容器的方法實現(xiàn)半連續(xù)化生產(chǎn) 6，但需要設立多個攪拌罐，初期投資比較大。 連續(xù) 化 攪拌器的控制是一個難點，近年來的研究 主要 集中在自動化控制 以及數(shù)值模擬上 2325。 近些年來發(fā)展出了很多可行的控制方案，基本可以滿足生產(chǎn)過程的基本需求，但是仍舊有許多不足，相信隨著電腦的發(fā)展以及新控制方案的提出，連續(xù)攪拌的自動化控制水平會越來越高。 所以攪 拌器的連續(xù)化還有很大的發(fā)展 空間。 1.4 數(shù)值模擬 攪拌槽內流場的實驗研究開展的比較早，但是由于攪拌槽內的流動是三維和高度不穩(wěn)定的湍流，脈動和隨機湍流給流速測定帶來了很大的困難。比較成熟的測量流場的方法是采用激光多普勒測速儀（ Laser Doppler Velocimetry， LDV）以及采用更先進的粒子成像測速儀（ Particle Image Velocimetry， PIV）來測量攪拌槽內流場， LDV測量只能在某一測點處一段時間內進行，不能對流場進行同時 測量 ，因而 LDV不能用于研究非穩(wěn)態(tài)流動。 PIV可以瞬 時得到整個流場的分布， 目前 PIV技術已經(jīng)不再局限于 二維粒子圖像測速儀 （ 2DPIV） 技術 26，一些改進的技術例如 三維粒子圖像測速儀 （ 3DPIV） 27以及 時間解析粒子圖像測速儀 （ TRPIV） 28技術都已經(jīng)有了應用 。 無論是 LDV還是 PIV技術，都需要花費大量的時間來進行測量。 近年來隨著電子計算機的發(fā)展，計算流體力學（ Computational Fluid Dynamics， CFD）技術的發(fā)展為 研究攪拌槽內流場 提供了新的思路和方法。 1982年， Hervey第一次將 CFD方法引入到攪拌槽內流場的數(shù)值模擬 ，用 CFD方法預測了攪拌槽內的二維流場。近三十年， CFD技術得到了很大發(fā)展，在攪拌槽內流場模擬的研究中，較為成功的商業(yè)軟件有 PHOENICS、 CFX、 STAR-CD、 FLUENT、 PRO/E等等。 CFD研究方法也比較多，目前應用最廣泛也最成熟的是利用黑箱模型法 （ Impeller Boundary Condition， IBC） 進行穩(wěn)態(tài)分析，除此之外，還有動量源法、內外迭代法、多重參考系法、滑移網(wǎng)格法、動網(wǎng)格法等等 2930。 CFD技術雖然得到了長足的發(fā)展，也有許多優(yōu)點，但是 CFD技術相對來說還是不夠成熟 ，有許多缺陷仍舊無法解決，例如：黑箱模型法仍舊需要通過實驗來確定幾何邊界，并且一套邊界條件只能用于相似的幾何體系，另外就是不能獲得槳葉附近流場的詳細信息，限制了數(shù)值模擬在裝置優(yōu)化和放大設計中的應用，通用性不強 ； 多重參考系法只對于定常流動有意義，而且旋轉速度必須是常數(shù) ； 滑移網(wǎng)格法是一種非穩(wěn)態(tài)模擬方法，但是該方法計算資源比較大，對內存、 CPU速度都有比較高的要求，另外 即便 采用很高的網(wǎng)格密度，對湍流動能的預測仍然嚴重偏低。 早期的數(shù)值模擬一般側重于功率準數(shù)、混合時間和傳熱系數(shù)的關聯(lián)上，而對流動本身的研究則別較少， 早期的數(shù)值模擬 也 很少進行實驗論證。而近年來，國內外的學者側重于對流場的模擬 及功率耗散等 ，同時 為了驗證 CFD模擬的精度，往往會利用 LDV、 PIV技術以及示蹤技術等對數(shù)值模擬的結果進行了實驗論證 29,3133， CFD分析和實驗測試兩者之間相輔相成，實驗測試可以為數(shù)值計算的可靠性提供依據(jù)，而數(shù)值計算有助于更直觀地捕獲流場特性 ，此外還可以補充某些測量手段無法獲得的數(shù)據(jù)。 隨著計算機的飛速發(fā)展和商業(yè)軟件的不斷優(yōu)化， CFD技術的模擬精度 和 預測能力 必將越來越高，利用 CFD技術不僅可以節(jié)約大量的人力、物力，同時也可以 大大縮短攪拌器的設計周期，可以相信 CFD技術的發(fā)展必將為未來攪拌器的發(fā)展提供不竭的動力。 1.5 智能化 攪拌過程的智能化是 21世紀提高產(chǎn)品質量、產(chǎn)量，提高能源利用率以及滿足保護環(huán)境要求的主導方向。 攪拌器的智能化包括兩個方面：一是攪拌器的控制智能化；二是攪拌器的設計智能化。 攪拌器智能化控制指的是在利用計算機自動控制攪拌器內溫度、液位配料比等參數(shù)的控制系統(tǒng)。 攪拌器的智能化控制具有非常多的優(yōu)點：可以降低工人的勞動強度，降低操作周期中的輔助時間， 降低產(chǎn)品質量波動，降低安全風險，提高設備的生產(chǎn)強度，同時 易于規(guī)?；a(chǎn) 34。 攪拌器的智能化設計指的是利用 人工智能技術與傳統(tǒng)設計程序相結合的方法，實現(xiàn) 攪拌器的選型和設計的智能化。國內最先是浙江大學 開發(fā)了攪拌設備設計專家系統(tǒng) 35， 近年來其他的智能化設計軟件 也有相關的報道 3637。 國外的攪拌設備設計專家系統(tǒng)最早報道于 1990年， J.M.Morrison等開發(fā)的攪拌器選型專家系統(tǒng)，比較著名的是 A.Bakker等開發(fā)的渦輪攪拌槳的設計專家系統(tǒng) AgDesign38。如今，國外有許多比較成熟的公司 致力于 開發(fā)攪拌器設計軟件，例如 VisiMix公司開發(fā)的系列軟 件等等。 攪拌器的智能化設計可以 提高設計效率， 降低制作成本、減少人為因素所造成的差錯率 以及保證設備質量等。攪拌器的智能化設計系統(tǒng)還不盡完善，很多數(shù)據(jù)具有局限性，因此需要在以后不斷進行豐富和發(fā)展，同時未來的研究方向將集中在與其他模塊的集成上， 逐步 形成一個界面友好 、功能強大的設計系統(tǒng)。 1.6 節(jié)能 化 節(jié)能與環(huán)保是 21世紀科技發(fā)展的目標之一，對于攪拌操作來說同樣面臨著合理利用資源 、 節(jié)能減排以及環(huán)境保護的挑戰(zhàn)。 目前 在攪拌操作中，實現(xiàn)節(jié)能的途徑有很多 主要是 開發(fā) 新型節(jié)能攪拌器 和利用先進的控制技術。 例如王平玲等人研制的 JH-2新型節(jié)能軸流式攪拌槳在相同的操作條件下比同尺寸的三折葉攪拌槳節(jié)約了 20%30%的功率 39；黃志堅等人通過弱化軸向流和強化軸向流來優(yōu)化發(fā)酵罐中的組合式攪拌器，使得改進后的攪拌器 比原有攪拌器節(jié)能 20%左右 40； S.Masiuk等人對同一種攪拌器 往復運動和回轉運動的能量消耗做了對比分析，分析結果指出往復運動的功率消耗明顯小于回轉運動的 功率 消耗41； 姜洪松 將變頻器應用在發(fā)酵罐中，根據(jù)發(fā)酵的不同時期改變攪拌器的轉速， 不僅節(jié)約了 20%45%的能量，同時也提高了產(chǎn)量 42。 每一種攪拌器都不是萬能 ，都有一定的適用范圍，合理的選型也可以實現(xiàn)節(jié)能。相信隨 著科學技術的發(fā)展，新型、高效的攪拌設備將不斷地被開發(fā)出來， 同時 各種現(xiàn)代化的 節(jié)能 控制理論也將不斷被應用到生產(chǎn)實踐中 。 1.7 高黏度 化 在石化、化妝 品、制藥、涂料以及油墨等工業(yè)部門常常會遇到高黏度流體的攪拌操作，有的攪拌操作甚至是以固體產(chǎn)物為終結的。 對于高黏度流體混合來說，其流動狀態(tài)往往是層流，因此高黏度流體的混合機制主要是剪切混合和對流混合，擴散所起的作用不大。因而 合理選擇和設計攪拌設備形式，研究其混合效果，對于強化傳熱、提高混合質量、改善被混合介質的性 能至關重要 43。 近年來，高黏度流體混合設備已經(jīng)得到了長足的發(fā)展，除了傳統(tǒng)的立式單軸混合設備之外，還出現(xiàn)了立式雙軸混合設備，臥式單軸混合設備，臥式雙軸混合設備。 這些混合設備 的攪拌方式 各種各樣，都各有優(yōu)缺點。例如： 立式單軸混合設備雖然制造簡單，但是 混合效率非常低 ；臥式雙軸混合設備因為 其攪拌構件之間以及它們與混合器壁之間相互刮擦而具有自清潔作用，但是 其制造工藝比較復雜，對安裝精度要求比較高 ，另外其混合特性的數(shù)據(jù)研究相對較少，因而在設計時理論依據(jù)和經(jīng)驗依據(jù)都比較少 。 近年來許多學者都致力于改進或者開發(fā)適合高黏度流 體的攪拌器，例如宋吉昌等人設計的 適合高黏度流體攪拌的 行星輪式攪拌器，在 250r/min的轉速下，其混合效率是錨式攪拌器的 5倍，是推進式攪拌器的 11倍 44。 目 前，高黏度流體的混合仍舊是化工工藝中的難點。 未來的研究重點將 著重于 開發(fā)適合高黏度流體的新型高效攪拌器，逐步建立一套正確的方法來研究評估攪拌器的混合特性和功率特性。 另外 CFD技術對高黏度流體的預測能力并不是很強，如何更精確的利用 CFD技術來研究高黏度流體也是發(fā)展的一個方向。 1.8 反求 工程 反求工程 （ Reverse Engineering）這一術語起源于 20世紀 60年代，但 直到 20世紀 90年，反求工程才開始蓬勃發(fā)展。 反求工程是近幾年才被應用到攪拌器的研究改進上的。 國際上近幾年來提出了一些新型攪拌器， 我們沒有掌握其設計軟件，我 國 目前只能 進口 這些新型的攪拌器 ，不僅價格昂貴而且周期長 。在我國國內，相關高校和企業(yè)對新型攪拌器也有研究開發(fā)，但是我國攪拌器研究開發(fā)起步比較晚，又缺乏系統(tǒng)的理論指導，總體來說開發(fā)創(chuàng)新能力不強。 鑒于國際國內的實際情況 ，利用計算機反求技術 消化、吸收外國先進攪拌器的設計經(jīng)驗從而改進提高 并 創(chuàng)新 設計出新型 攪拌器 ，可以極大得縮短產(chǎn)品的 開發(fā)周期， 對發(fā)展我國攪拌技術具有重要的學術價值和重大的經(jīng)濟和社會效益。 例如袁建平等人利用三維坐標測量機，利用 surface軟件和 Pro/E軟件獲得了原葉輪的三維實體造型， 并完成葉輪模具的制造、葉輪的抗磨損性能研究和備件的國產(chǎn)化工作 45。 除了以上所闡述的研究熱點之外 ，攪拌器的研究仍舊有許多研究熱點，例如 ：如何滿足不同行業(yè)的密封、衛(wèi)生、清潔要求等。 2 結論 本文 從不同的方面闡述了攪拌器的研究熱點，但 這些研究熱點并不是孤立的，而是有機結合起來的 ， 例如攪拌器的智能化控制本身就可以 實現(xiàn)節(jié)能 化 ，而 攪拌器 的 節(jié)能 化 也是 實現(xiàn) 智能化控制的推動力，攪拌器的大型化 又 為實現(xiàn)智能化 和 節(jié)能化 提供了有利條件 。 攪拌器近年來的發(fā)展呈現(xiàn)出多樣性， 不僅僅朝大型化和微型化發(fā)展，其 連續(xù)化、 節(jié)能化和智能化 等方面 也成為研究的熱點。 攪拌器仍舊有許多問題尚待解決， 例如如何提高 CFD技術的預測能力和模擬精度，如何解決微型混合器的清潔問題等。 LDV和 PIV等先進檢測技術的發(fā)展和 CFD技術有機的結合起來，不僅有助于反映攪拌器內流場宏觀特性和微觀流動狀態(tài)之間的關系，更有助于促進新型攪拌器的開發(fā)和攪拌系統(tǒng)的優(yōu)化設計，可以降低 研究風險，提高開發(fā)效率。 攪拌操作是工業(yè)反應過程的重要環(huán)節(jié)，攪拌混合設備在化學工業(yè)中扮演著非常重要的角色。 隨著科技的發(fā)展，各個行 業(yè)都要求有更快更好的攪拌技術， 這必將為攪拌器的發(fā)展提供動力 ； 同時，新材料 、新加工工藝的出現(xiàn)也為新型攪拌器的開發(fā)研制提供了便利條件。 在現(xiàn)代先進技術的推動下， 新型高效的攪拌器將不斷地被開發(fā)出來，攪拌器的選型也將日趨合理， 攪拌器的發(fā)展必將走向一個更新的階段。 參考文獻 1 陳志平 ， 章序文 ， 林興華 ， 等 .攪拌與混合設備設計選用手冊 M.北京 ： 化學工業(yè)出版社 ， 2004 2 王凱 ， 虞軍等 .攪拌設備 M.北京 ： 化學工業(yè)出版社 ， 2003 3 朱衛(wèi)國 ， 王忠宏 .大型攪拌反應設備釜體制造工藝 J.石油和化工設備 ， 2007(4)： 4345 4 張艷秋 ， 張濤 ， 羅忠新 .大型 PVC聚合釜配套釜頂冷凝器的設計制造要點 J.聚氯乙烯 ， 2008， 36(4)： 3941 5 I.V. 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