攪拌器在化工單元設備中的選用

在化工 , 特別是精細化工生產中, 攪拌設備的應用是非常廣泛的。攪拌器選用是否合理 , 將直接影響到化學反應的轉化率、 收率、 能耗等 , 因此合理的選用攪拌器在工程設計中是不可忽視的。
 
1 目的和機理
 
要合理的選用攪拌器 , **先要了解攪拌目的和攪拌的混合機理。在化工生產中 , 經常有以下幾種情況要進行攪拌。
1.1 均相液體混合
 
把互溶液體混合。通過攪拌盡可能達到分子規模均勻程度。如混酸配制、 石油產品混合等。
1.2 非均相液體混合
 
把互不相溶的兩種液體混合起來, 使其中的一相以微小液滴狀均勻分散到另一相液體中去。比如在精細化工制藥和食品工業中常會碰到乳化過程, 通過攪拌 , 使**液相以極小的液滴形式分散于第二液相 , 形成穩定的混合物。又如溶劑萃取過程中 , 為了增大液液兩相間的界面, 實現相間傳質 , 可通過攪拌來完成。
1.3 固液混合
 
讓固體顆粒在液體中懸浮。如在以固體作為催化劑的液相反應中 , 用攪拌器可以防止固體沉降, 提供反應所需的固液傳質環境。
1.4 氣液混合
 
在氧化、 加氫和生物發酵等工業操作中 , 攪拌時, 把大氣泡打碎成微小氣泡并使之均勻分散 
到整個液相中 , 以增大氣液接觸面。
 
1.5 強化液體與器壁的傳熱
 
為了強化流體與器壁之間的傳熱 , 在器壁處的流體應有足夠的流速 , 使介質和器壁面有一個較大的傳熱系數, 通過攪拌可達此目的。
 
以上幾種情況是化工生產中常見的。在實際的攪拌操作過程中, 常常同時要達到好幾種目的。攪拌之所以能達到以上幾種目的是因為物料在攪拌作用下相互摻合 , 形成具有某種均勻程度混合的緣故。攪拌器旋轉, 推動液體高速流動,同時又帶動周圍液體, 使全部液體在釜內循環流動, 形成宏觀上的總體流動。攪拌器有兩大功能:①使液體產生強大的總體流動, 以保證裝置內不存在靜止區, 達到宏觀均勻 ;②產生強大的湍動 , 使液體微團尺寸減小。湍流的強弱在攪拌器的選用過程中是較為重要的一個環節。因為總體流動中高速旋轉的旋渦與液體微團之間會產生很大的相對運動和剪切力, 攪拌器選用得當, 攪拌效果越好時 , 液團分割得就越細小 , 使得混合的組分之間接觸面不斷增大 , 分子擴散速率增加, 混合物的分離強度下降, 也即混合效果越好。
 
2 分類
 
化工生產過程中, 通常用到的攪拌器種類有槳式攪拌器、 渦輪式攪拌器、 推進式攪拌器、 錨式攪拌器、 框式攪拌器、 螺帶式攪拌器等。各類攪拌器由于其構造 , 性能等差異 , 使其能夠分別適用于化工生產中各種不同的工況。以下就各種類型的攪拌器作一簡單介紹。
 
2.1 槳式
 
槳式攪拌器如圖 1 所示。
槳式攪拌器又可分為平直葉和折葉攪拌器兩種。這類攪拌器的結構和加工都比較簡單。攪拌器直徑d 與釜徑 D 之比 d/D 為 0.35 ~ 0.8 , 其運轉速度為 10 ~ 100r/min , 為大型低速攪拌器 , 適用于低、 中等粘度物料的混合及促進傳熱 , 可溶固體的混合與溶解等場合。運轉時以剪切力為主。就平直葉和折葉兩種相比較而言, 由于折葉槳式攪拌器的葉片與旋轉平面形成夾角 , 因此在旋轉時產生的軸向流要大于平直式 , 其宏觀混合效果更好些。在實際生產中, 會遇到釜深液高的情況, 此時單層槳式攪拌器難以攪拌均勻, 通常采用的方法是裝幾層槳葉, 相鄰二層槳葉間成90°角交錯安裝 。由于槳式攪拌器制造和更換方便, 因此常用于化工生產中有防腐蝕和金屬污染要求的工況。
2.2 渦輪式
 
渦輪式攪拌器如圖 2 所示。

比 d/D 為 0.17 ~ 0.5 , 轉速為30 ~ 500r/min 。旋
 
轉時有較高的局部剪切作用 , 能得到高分散度微團, 適用于氣液混合及液液混合或強烈攪拌的場合, 常用于低中等粘度物料 (μ<5 ×104cP)。就開啟式和圓盤式相比較而言 , 其構造上差異造成開啟式比圓盤式循環流量更大, 軸向混合效果更好。渦輪式攪拌器的葉片形狀除了有平直葉和折葉外 , 還有一種彎葉, 在攪拌中 , 此種葉片受損程度、 消耗功率都低, 適用于固體懸浮、 固體溶解等攪拌場合。
2.3 推進式
 
推進式攪拌器如圖 3 所示。
圖 4  錨式和框式攪拌器
 
錨式攪拌器從外形結構上看 , 即在平直葉槳式攪拌器的葉片上加垂直槳葉。而框式攪拌器則在錨式攪拌器上加一橫梁。此類攪拌器的一個特點是攪拌外緣與釜壁間隙很小 , d/D 為 0.9 ~ 0.98 , 此特點使得攪拌時物料不易產生死區 。轉速為 1 ~ 100r/min , 為低速攪拌器, 只產生切線流, 剪切作用小 , 無軸向混合 , 適用于高粘度(μ<105cP)物料的攪拌 。如精細化工產品涂料 、油漆、 化妝品的生產過程中常用到此類攪拌器。
2.5 螺帶式
 
螺帶式攪拌器如圖 5 所示。
 
此類攪拌器是把一定螺距的螺旋形鋼帶固定在攪拌軸上 , 螺帶外緣很接近釜壁。攪拌時 , 物料沿釜壁上升, 沿軸向下運動。適用于高粘度料液 (μ<105cP)的混合。
3 提高攪拌效率的措施
 
為了提高攪拌效率, 常采用以下措施。
 
3.1 擋板
 
攪拌釜內加擋板有安裝豎擋板和橫擋板兩種。**常用的是沿容器壁垂直安裝條形鋼板 , 數量一般為 4 塊, 寬度為容器直徑的 1/12 ~ 1/10 。當容器內徑很大和很小時 , 可按實際情況確定擋板數目。安裝擋板后 , 作圓周運動的料液遇擋板后, 運動方向發生變化, 在擋板后造成旋渦 , 使切向流改為軸向和徑向流 , 而對料液本身的徑向流和軸向流沒有影響 , 提高了混合效果 , 液面下凹現象消失。
 
當雷諾數較小時就不應采用擋板, 因為會在檔板后面形成停滯區而降低攪拌效果。只有當雷諾數大于 300 時 , 設置擋板才有效。
3.2 導流筒
 
導流筒限制了循環路徑, 減少短路 , 使設備內的物料通過導流筒內的劇烈攪拌以達到預期的攪拌效果。
3.3 非對稱性循環回路破壞循環回路的對稱性即破壞料液的圓周運動, 消除液面下凹現象。在工程設計中, 常會看到將攪拌器偏心安裝或偏心傾斜安裝。此種方法常用于小型設備。對于大型容器可將攪拌器偏心水平安裝。
 
4 選用
 
在攪拌器的選用時 , 可按需攪拌的料液粘度及攪拌目的來選型。
4.1 料液粘度
 
就攪拌料液的物性來看 , 粘度對攪拌效果的好壞是一個很重要的因素。
 
低粘度料液混合時的流動形式是湍流 , 運動時高速旋轉的旋渦尺寸越小 , 對液體微團的破碎作用越大 , 混合效果就越好。由此看來應選用直徑小 , 高轉速攪拌器。性能優劣依次為:推進式>渦輪式 >槳式。
 
反之 , 高粘度料液混合時的流動形式通常是層流。由于料液高粘度這一特性 , 使得攪拌時不能象低粘度料液那樣依靠慣性力 , 因此攪拌葉輪直徑 d 與釜徑 D 之比 d/D 盡量大 , 所以應先選擇錨式和框式攪拌器, 也可選螺帶式。
4.2 攪拌目的
 
4.2.1 均相液體混合
 
均相低粘度液體混合流動狀態為湍流 , 即循環流量起決定性因素。按此特點選擇的攪拌器依次為 :推進式 >渦輪式 >槳式。
4.2.2 非均相液體混合
 
為了使其中一相以盡可能小的液滴狀均勻分散到另一相中去, 就要求液體被攪拌時有較大的剪切力和循環流量 , 以此來選擇的優劣依次為:渦輪式>推進式>槳式。
4.2.3 固液混合
 
固液混合要求讓固體懸浮于液體中需要容積循環好。如固體比重與液體比重差小時, 可選用推進式攪拌器。因為此類攪拌器為軸流型 , 循環速率高。當固體比重與液體比重差大時, 則應選用開啟式渦輪攪拌器, 此類攪拌器工作時會把沉降的固體顆粒浮起來而推進式則正好相反。
4.2.4 氣液混合
 與液液互不相溶混合相似, 在剪切力作用下盡可能將大氣泡打碎成小氣泡以增大接觸面積,
使之均勻分散**液相 , 剪切力起決定作用, 應優
先選用渦輪式攪拌器 , 又以平直葉圓盤渦輪攪拌
器**為合適。因為此攪拌器中間的圓盤可將氣泡
(一般由容器底部通入)壓**其下, 而后均勻分
散**液相 , 避免了氣泡直接由攪拌軸短路。
4.2.5  強化液體與器壁的傳熱
此類操作的總體循環流量和換熱面積上的高
速流動起主要作用, 可優先選用渦輪式攪拌器。

5 實例
 
通過以上分析不難看出, 化工工藝設計中在選用攪拌器時, **先要分析攪拌的目的 , 再結合所需攪拌的物料的物性綜合考慮, 按各類攪拌器的特性進行選用。筆者曾經在某一精細化工項目中遇到一硝化反應過程, 反應是將甲苯以油珠狀態分散到混酸中進行硝化。從攪拌目的來看 , 此反應屬于互不相溶的液液混合。前面分析過 , 要使互不相溶的液液混合反應充分, 就要使被分散物料甲苯的尺寸越小越好 , 以增加與混酸的接觸面積, 這就要求所選用的攪拌器有較好的剪切作用和循環流量, 而渦輪式攪拌器正好符合這一要
 
求 , 選用后反應效果很好 。
 
以上所述是理論上及經驗上選用攪拌器的方
 
法和步驟。事實上, 攪拌是一個十分復雜的過程, 攪拌效果和攪拌形式、 尺寸之間很難建立定量關系 , 在實際選用過程中**通過實驗確定 , 通過小試、 中試**后適用于實際生產中 , 即所謂的攪拌器的放大。
 
化工工藝中經常會遇到一些特殊工況, 按照上述的方法選擇單一形式的攪拌器效果不好 , 這就需要通過試驗 , 選用不同種類攪拌器進行組合。某個西藥的生產過程中有一步氯化反應 :將鹽酸加入粉狀的環氧物內進行氯化。此反應中沒
有加入溶劑溶解粉狀物, 所以反應料液狀態復
雜, 既有粘稠物, 又有粉狀物。先采用較常選用
的錨式攪拌器進行攪拌 , 但發現反應不充分, 轉
化率低。分析后發現錨式攪拌器只有在同高度上
的環向流而無軸向流, 底部有很多環氧物沒有與
鹽酸反應 , 形成 “死區” 。后來用錨式攪拌器上
組裝推進式攪拌器 , 以增加軸向流, 結果效果十
分明顯, 反應轉化率迅速提高, 達到了要求。

6 結語
 
綜上所述 , 通過對攪拌目的 , 攪拌機理及攪拌器的類型進行分析后 , 不難看出, 化工工藝應按以下方式選用攪拌器。
 
(1)分析工藝設計中的攪拌目的 :是均相液體混合還是互不相溶的液液混合 ;是固液混合還是氣液混合。
 
(2)結合所需攪拌的物料性質綜合考慮, 按各類攪拌器的特性進行選用。
 
(3)遇到特殊工況時, 還需分析研究 , 在掌握攪拌器的經驗用法的同時 , 通過小試、 中試,對攪拌器進行合理選用 , 以達到工藝要求。
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