化工行業常用攪拌器研究熱點

攪拌器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。攪拌設備在工業生產中應用范圍很廣,尤其在化工生產中,幾乎所有的化工部門或多或少地都存在著攪拌操作。甚**在近些年來高速發展的高分子工業中,作為生產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的基本單元操作是化工反應過程的重要環節,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。
 
雖然攪拌設備歷史悠久,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,如何合理正確地設計以及選擇攪拌器都沒有一個嚴密的理論指導,
 
在很大程度上仍依賴于經驗設計。
 
近年來,隨著科學技術的發展,化工、醫藥以及石油等各個行業對攪拌操作的要求越來越高,攪拌的物料也呈現出復雜性,不再是低黏度的牛頓流體,高黏度、變黏度的流體也經常碰到。在化工行業中,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中仍舊占據著重要的地位,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 傳統攪拌器研究熱點
 
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達到 70 m3 以上,我****內研制的年產 40 萬 t 的**設備 PVC 聚合釜
 
( LF135 聚合釜) 的容積已經達到了 135 m3 ,這也是
[1],
目前亞洲地區投入的**大容積的聚合釜 **內其他化工行業大型生產裝置的反應釜容積已經達到
 
200 m3 左右,而在發酵工程中,發酵罐體積已經達到了 350 m3 。根據文獻報道,外**的大型化攪拌器已經達到 1 000 m3 以上。
 
采用大型化的攪拌器具有非常多的優點: 可以提高產品的質量和均一性,減少裝置的占地面積,降
低裝置建設投資,降低裝置的生產管理和維修費用,同時有利于實現自動化控制。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地結合起來。例如,大型攪拌器的壁厚比較厚,應更好地解決傳熱問題,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( micro -electro - mechanical systems,MEMS) 的迅速發展,微型化和集成化成為化工技術的一個發展方向,我**微化工技術起源于 2000 年,經歷 10 年多的發展,已經取得了很大的成就。微混合器作為微化工**設備之一,由于其獨特的優越性成為近年來研究的熱點之一。
 
微混合器可以根據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
[2 - 4]
合器等等 。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、靜態微混合器、分流微混合器
[5 - 8]
等等 。
 
微混合器具有許多優點,具有非常大的面容比、
 
非常高的傳熱傳質系數,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,可以實現化工過程的連續和高度集成、分散和柔性生產,并具有易于
[9]
放大等優點 。
 
**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
 
[10 - 14]
器的發展仍舊不成熟 ?,F在微混合器工業化
 
還是一個難點,因為微混合器的處理能力比較低,要
 
想實現工業化規模就**對微混合器進行放大,如
 
果單單利用微混合器數量的疊加來實現放大,其檢測和控制的難度將大大增加,對于實際生產來說成
[15]
本相對比較高 。微混合器還有一個缺點就是管
 
道容易堵塞,微混合器現在只能處理相對潔凈的物料,而對于有顆粒產生的物料則非常容易堵塞,其清
[16] 。相信在今后幾年,微混合器的
理過程非常復雜
 
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、工業化應用以及開發新型清潔的微混合器等方面。
 1. 3 連續化傳統意義的攪拌器在生產的過程中往往不能連續生產,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,這種攪拌方式嚴重降低了生產效率。尤其對于懸浮液和乳濁液來說,在停止攪拌后會出現沉淀和分層,從而影響產品的質量。因而近年來如何實現攪拌器的連續化生產也是攪拌器的研究熱點之一。
 
實現攪拌器的連續化操作具有很多優點,相對于批量攪拌可以減少勞動力,提高攪拌效率,降低生
產成本,提高產品質量,便于自動化控制等等。
 
現在常用的連續攪拌器是將需要混合的物料以穩定的流速流入攪拌器,攪拌器中的物料以同樣穩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,這種連續攪拌的方式主要適用于低黏度流體,而
 
對于高黏度流體則不很適用。在高黏度流體的攪拌
 
操作中常采用互換容器的方法實現半連續化生產,但需要設立多個攪拌罐,初期投資比較大。
 
連續化攪拌器的控制是一個難點,近年來的研
 
[17 - 18]
究主要集中在自動化控制以及數值模擬上 。
 
近些年來發展出了很多可行的控制方案,基本可以滿足生產過程的基本需求,但是仍舊有許多不足,隨
著電腦的發展以及新控制方案的提出,連續攪拌的自動化控制水平會越來越高,所以攪拌器的連續化還有很大的發展空間。
 
1. 4 高黏度化
 
在石化、化妝品、制藥、涂料以及油墨等工業部門常常會遇到高黏度流體的攪拌操作,有的攪拌操作甚**是以固體產物為終結的。對于高黏度流體混合來說,其流動狀態往往是層流,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
 
[19] 。近年來,高黏度流
被混合介質的性能**關重要
體混合設備已經得到了長足的發展,除了傳統的立式單軸混合設備之外,還出現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
 
外其混合特性的數據研究相對較少,因而在設計時理論依據和經驗依據都比較少。近年來許多學者都致力于改進或者開發適合高黏度流體的攪拌器,
 

[20]
例如宋吉昌等 設計的適合高黏度流體攪拌的行
 
星輪式攪拌器,在 250 r /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。
 
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**地利用 CFD 技術來研究高黏度流體也是
 
發展的一個方向。
 
1. 5 節能化
 
節能與環保是 21 世紀科技發展的目標之一,對
 
于攪拌操作來說同樣面臨著合理利用資源、節能減排以及環境保護的挑戰。目前在攪拌操作中,實現節能的途徑有很多,主要是開發新型節能攪拌器和
 
[21]
利用先進的控制技術。例如**平玲等 研制的
 
JH-2 新型節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約了 20% ~ 30% 的功
 
[22] 通過弱化軸向流和強化軸向流來優
率; 黃志堅等
化發酵罐中的組合式攪拌器,使得改進后的攪拌器
 
比原有攪拌器節能 20% [23] 對同一
左右; Masiuk 等
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
 
[24] 將變頻器應用在發
回轉運動的功率消耗; 姜洪松
酵罐中,根據發酵的不同時期改變攪拌器的轉速,不
 
僅節約了 20% ~ 45% 的能量,同時也提高了產量。
 
每一種攪拌器都不是**的,都有一定的適用范圍,合理地選型也可以實現節能。相信隨著科學技術的發展,新型、高效的攪拌設備將不斷地被開發出來,同時各種現代化的節能控制理論也將不斷被應用到生產實踐中。
 
2 其他技術在攪拌器發展中的應用
 
2. 1 數值模擬攪拌槽內流場的實驗研究開展得比較早,但是
 
由于攪拌槽內的流動是三維和高度不穩定的湍流,
 
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,因而第 31 卷第 10 期

 
[20]
例如宋吉昌等 設計的適合高黏度流體攪拌的行
 
星輪式攪拌器,在 250 r /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。
 
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**地利用 CFD 技術來研究高黏度流體也是
 
發展的一個方向。
 
1. 5 節能化
 
節能與環保是 21 世紀科技發展的目標之一,對
 
于攪拌操作來說同樣面臨著合理利用資源、節能減排以及環境保護的挑戰。目前在攪拌操作中,實現節能的途徑有很多,主要是開發新型節能攪拌器和
 
[21]
利用先進的控制技術。例如**平玲等 研制的
 
JH-2 新型節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約了 20% ~ 30% 的功
 
[22] 通過弱化軸向流和強化軸向流來優
率; 黃志堅等
化發酵罐中的組合式攪拌器,使得改進后的攪拌器
 
比原有攪拌器節能 20% [23] 對同一
左右; Masiuk 等
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
 
[24] 將變頻器應用在發
回轉運動的功率消耗; 姜洪松
酵罐中,根據發酵的不同時期改變攪拌器的轉速,不
 
僅節約了 20% ~ 45% 的能量,同時也提高了產量。
 
每一種攪拌器都不是**的,都有一定的適用范圍,合理地選型也可以實現節能。相信隨著科學技術的發展,新型、高效的攪拌設備將不斷地被開發出來,同時各種現代化的節能控制理論也將不斷被應用到生產實踐中。
 
2 其他技術在攪拌器發展中的應用
 
2. 1 數值模擬攪拌槽內流場的實驗研究開展得比較早,但是
 
由于攪拌槽內的流動是三維和高度不穩定的湍流,
 
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 不能用于研究非穩態流動。PIV 可以瞬時得到整個流場的分布,目前 PIV 技術已經不再局限于二維粒子圖像測速儀( 2DPIV) 技術,一些改進的技術例如三維粒子圖像測速儀( 3DPIV) 以及時間解析粒
[25] 。
子圖像測速儀( TRPIV) 技術都已經有了應用
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展,計算流體力學( computational fluid dynamics,CFD) 技
 
術的發展為研究攪拌槽內流場提供了新的思路和方法。1982 年,Hervey **次將 CFD 方法引入到攪拌槽內流場的數值模擬,用 CFD 方法預測了攪拌槽內的二維流場。近 30 年,CFD 技術得到了很大發展,在攪拌槽內流場模擬的研究中,較為成功的商業軟件有 PHOENICS、CFX、STAR -CD、FLUENT、PRO / E 等等。CFD 研究方法也比較多,目前應用**廣泛也**成熟的是利用黑箱模型法 ( impeller boundary condition,IBC) 進行穩態分析,除此之外,還有動量源法、內外迭代法、多重參考系法、滑移網格法、動網
[26 - 27]
格法等等 。
 
CFD 技術雖然得到了長足的發展,有許多優點,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,限制了數值模擬在裝置優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**是常數; 滑移網格法是一種非穩態模擬方法,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格密度,對湍流動能的預測仍然嚴重
 
[26]
偏低 。
 
早期的數值模擬一般側重于功率準數、混合時間和傳熱系數的關聯上,而對流動本身的研究較少,早期的數值模擬也很少進行實驗論證。而近年來,**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值模擬的結果進行實
[26,28],
 
驗論證 CFD 分析和實驗測試兩者之間相輔相承,實驗測試可以為數值計算的可靠性提供依據,而
 
數值計算有助于更直觀地捕獲流場特性,還可以補充某些測量手段無法獲得的數據。
 
隨著計算機的飛速發展和商業軟件的不斷優化,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,CFD 技術的發展必將為未來攪拌器的發展提供不竭的動力。2. 2 智能化
 
攪拌過程的智能化是 21 世紀提高產品質量、產
 
量,提高能源利用率以及滿足保護環境要求的主導方向。攪拌器的智能化包括 2 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、液位配料比等參數的控制系統。攪拌器的智能化控制具有非常多的優點: 可以降低工人的勞動強度,降低操作周期中的輔助時間,降低產品質量波動,降低安全風險,提高設備的生產強度,同時易于規?;a。
 
攪拌器的智能化設計指的是利用人工智能技術與傳統設計程序相結合的方法,實現攪拌器的選型和設計的智能化。**內**先是浙江大學開發了攪拌設備設計**系統,近年來其他的智能化設計軟件
 
[29]
也有相關的報道 。**外的攪拌設備設計**系
 
統**早報道于 1990 年,Morrison 等開發的攪拌器選型**系統,比較**的是 Bakker 等開發的渦輪攪拌槳的設計**系統 AgDesign。如今,**外有許多比較成熟的公司致力于開發攪拌器設計軟件,例如
 
VisiMix 公司開發的系列軟件等等。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還不盡完善,很多數據具有局限性,因此需要在以后不斷進行豐富和發展,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。
 
2. 3 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 年代,反求工程才開始蓬勃發展。反求工程是近幾年才被應用到攪拌器的研究改進上的。**際上近幾年來提出了一些新型攪拌器,我**沒有掌握其設計軟件,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****內,相關高校和企業對新型攪拌器也有研究開發,但起步比較晚,又缺乏系統的理論指導,總
 
體來說開發創新能力不強。鑒于**際**內的實際情況,利用計算機反求技術消化、吸收外**先進攪拌器的設計經驗,從而改進提高并創新設計出新型攪拌器,可以極大地縮短產品的開發周期,對發展我**攪拌技術具有重要的學術價值和重大的經濟和社會效
 
[30] 利用三維坐標測量機,利用 surface
益。袁建平等
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**產化工作。
 
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,如何滿足不同行業的
 
密封、衛生、清潔要求等。
 
3 結論
 
( 1) 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節能化,而攪拌器的節能化也是實現智能化控制的推動力,攪拌器的大型化又為實現智能化和節能化提供了有利條件。
 
( 2) 攪拌器近年來的發展呈現出多樣性,不僅僅朝大型化和微型化發展,其連續化、節能化和智能化等方面也成為研究的熱點。
 
( 3) 攪拌器仍舊有許多問題尚待解決,例如提
 
高 CFD 技術的預測能力和模擬精度,解決微型混合器的清潔問題等。
 
( 4) LDV 和 PIV 等先進檢測技術的發展和 CFD
 
技術有機地結合起來,不僅有助于反映攪拌器內流場宏觀特性和微觀流動狀態之間的關系,更有助于促進新型攪拌器的開發和攪拌系統的優化設計,可
 
以降低研究風險,提高開發效率。
 
攪拌操作是工業反應過程的重要環節,攪拌混合設備在化學工業中扮演著非常重要的角色。隨著科技的發展,各個行業都要求有更快更好的攪拌技術,這必將為攪拌器的發展提供動力; 同時,新材料、新加工工藝的出現也為新型攪拌器的開發研制提供了便利條件。在現代先進技術的推動下,新型高效的攪拌器將不斷地被開發出來,攪拌器的選型也將日趨合理,攪拌器的發展必將走向一個更新的階段。
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