磁力驅動攪拌器的發展和應用

隨著醫藥、食品、有機合成、石油化工以及核工業等行業的發展,工業中對一些易燃、易爆、有
 
毒、強腐蝕性和貴重介質的攪拌或攪拌反應過程的要求越來越嚴格,對反應設備清洗和滅菌的要
 
[1] 。因此,在上述工況中所使用的
求也十分苛刻
攪拌釜或攪拌反應釜,其密封要求是應做到零泄漏。在此背景下,磁力密封技術已成為必然的選擇,磁力釜( 或磁力攪拌器) 應運而生2。磁力釜以靜密封結構取代動密封,該結構無接觸傳遞力矩,能徹底解決機械密封與填料密封的泄漏問題,并且攪拌部件處于**密封狀態,是石油化工、有
 
機合成、食品加工、生物制藥過程中進行硫化、氫
 
化、氧化及發酵等反應的選擇趨勢。
 
1 磁力攪拌器的原理及分類
 
1 . 1  原理及結構
 
磁力攪拌器是磁力聯軸器與攪拌裝置的結合,是磁力傳動技術的成功應用之一。所謂磁力傳動是指以現代磁學為基礎,利用永磁材料之間的磁力耦合作用實現無接觸傳遞力矩的一種實用
 
[1]
 
技術。磁力傳動由磁力聯軸器來完成 。磁力攪拌器的結構主要包括馬達、攪拌裝置、主動磁轉子、從動磁轉子以及隔離套等零部件。其中馬達通過傳動軸將動力傳遞給主動磁轉子,在磁力耦合的作用下從動磁轉子開始轉動,從而帶動與從動磁轉子聯接在一起的攪拌裝置轉動,以達到攪
 
[3]1. 2 分類
 
磁力攪拌器可依據不同的方法分類。按磁力傳動裝置的結構可將其分為圓筒式磁力攪拌器和圓盤式磁力攪拌器; 按其應用**域可分為工業用磁力攪拌器和實驗室用磁力攪拌器; 按放置方式可分為頂入式磁力攪拌器、底入式磁力攪拌器和旁入式磁力攪拌器。
1. 2. 1 圓筒式磁力攪拌器
 
圓筒式磁力耦合傳動攪拌器是以外磁環套內磁環,并在內外磁環之間設置隔離套,三者同心安裝,工作面均為圓柱面,磁體呈瓦形。該傳動形式傳遞力矩較大,對高黏度的物料也有足夠的力矩進行充分攪拌,適用于高轉速場合4。因此,生產用設備主要采用該形式的磁力傳動攪拌器。
1. 2. 2 圓盤式磁力攪拌器
 
圓盤式磁力耦合傳動攪拌器中兩磁環相向安裝,工作面為互相平行的平面,磁體呈扇形。在耦合傳動的兩磁環之間,通常需設隔離密封罩。該
 
傳動形式可簡化磁鋼的幾何尺寸和磁力傳動裝置的軸向尺寸,但傳遞的力矩較小,故通常只適用于實驗室進行氣、液相混合反應的小型反應釜等低
[4]
轉速場合 。
 
1. 2. 3 實驗室用磁力攪拌器目前實驗室中使用的攪拌器主要有電動攪拌
 
器和磁力攪拌器兩種。實驗室用磁力攪拌器主要用于加熱或加熱攪拌同時進行,適用于黏稠度不

是很大的液體或固液混合物。使用時,先將液體放入容器中,再將攪拌子放入液體中,當底座產生磁場后,利用磁力耦合和漩渦的原理,帶動攪拌子做圓周循環運動,從而達到攪拌液體的目的。
 
與電動攪拌器相比磁力攪拌器的優點有: a. 噪音小,調速平穩; b. 可以在密閉的容器中進行混合,使用方
 
便;
 
c. 攪拌子是由**磁鋼包覆聚四氟乙烯精制而成的,耐熱、耐磨、耐腐蝕;
 
d. 可與底部溫度控制裝置配合,使液體受熱更均勻。故可根據具體的實驗要求控制并維持樣本溫度,極大地提高了實驗的重復性。
 
1. 2. 4 工業用磁力攪拌器工業用磁力攪拌器主要包括: 頂入式磁力攪
 
拌器、底入式磁力攪拌器和旁入式磁力攪拌器。
 
頂入式磁力攪拌器是將磁力攪拌裝置安裝在立式設備筒的中心線上或在立式容器上偏心安裝,有時為了防止渦流的產生可將攪拌軸斜插入筒體內。頂入式磁力攪拌器由電機、減速器、傳動
 
軸、主動磁鋼、隔離套、從動磁鋼、聯軸器、攪拌軸和槳葉組成,有的還設有冷卻結構。這種結構的優點是: 主動磁體與從動磁體間無軸向吸引力,且永磁耦合部分遠離被攪拌的液體,磁體受高溫或腐蝕的影響小,攪拌液體中允許夾帶顆粒物。
 
然而,隨著工業的快速發展,設備有向大型化發展的趨勢,容器的大型化使釜型由細長型向矮胖型發展,這使得工業應用中對攪拌設備的需求也越來越趨向于大型化,但大型化頂入式磁力攪拌器又存在以下問題:
 
a. 攪拌軸懸臂過長、軸臨界轉速低、抗彎能力差,攪拌時容易彎曲變形甚**折斷,影響攪拌效果; 當產生擺動時,會導致內磁鋼轉子與隔離套內壁發生摩擦,縮短設備的使用壽命;
 
b. 攪拌軸直徑一般都很大,所傳遞的扭矩很大,而軸承、磁力耦合裝置的制造均受到限制。
 
由于頂入式磁力攪拌器存在上述缺陷,許多新技術的工程設計需采用底入式磁力攪拌器,特別對于那些在攪拌或反應中物料容易出現沉淀的
 
工況下更能體現出該種形式的優越性。底入式磁力攪拌器是將磁力攪拌裝置安裝在設備的底部,
 
其結構一般由 3 個獨立的部件及一些零部件組成,即葉輪、與罐底焊接盤和驅動裝置,零部件包
括輪轂軸承、定位軸承以及密封圈等。此種攪拌裝置的特點是: 確保罐體完整性、底部安裝、傳動軸短、結構緊湊、易拆卸; 允許高轉速,自潤滑冷卻,低液位攪拌很出色,無顆粒物產生; 可實現在線清洗和在線滅菌 ( CIP / SIP) ,結構設計符合
 
GMP 要求。
 
現代工業在快速發展的同時,保護環境、節約能源越來越受到各個**家的關注,這也驅使技術裝備向大型化、高效能發展,但大容積磁力釜中攪拌效率明顯降低。這是因為影響拌效率的因素比較復雜,并不是單一地遵從幾何放大規律,在放大常規的頂入式或底入式磁力攪拌裝置時,設備造
 
[5] 。此時,
價、能耗和負荷成為主要的約束條件
一種高效能的攪拌裝置———旁入式磁力攪拌器出現在工業應用中。旁入式磁力攪拌器( 亦稱磁力傳動側攪拌) 是將磁力攪拌裝置安裝在設備筒體的側壁上適當的深度位置,同時采用多種攪拌槳葉的組合形式,定向布置,使其達到**佳攪拌效果。此形式在大型儲槽中投入少量的功率便可以
 
[6] 。
得到適當的攪拌效果,故被廣泛采用
2 磁力攪拌器的發展歷史與應用情況
 
早在 20 世紀 30 年代,人們已經對磁力驅動技術在攪拌反應釜中的應用問題進行了探討和展望,40 年代出現了簡易磁力驅動攪拌器( 如美**** Magnetic Stirrer) ,這種簡易的攪拌器是在一個玻璃器皿底部的外側裝有永磁元件,器皿內部放置一個磁性攪拌子,當外部永磁元件旋轉時,帶動磁性攪拌子運動,從而達到攪拌介質的目的。
 
永磁傳動技術用于化工攪拌的密封始于 20 世
 
紀 60 年代,由于當時的磁性材料性能差,傳動裝置體積大,影響了其在化工攪拌方面的應用。隨著磁性材料的發展,20 世紀 70 年代**際上開始重視對
[1] ,
 
磁力驅動技術的研究 。80 年代初 由于磁性材料的快速發展,磁路設計也有一定進展,并出現了葉輪式下磁力攪拌器,美**** Magnetic Mixer 就
 
是典型的葉輪式下磁力攪拌器。同時,德、日等**
 
家也相繼報道研制出了小型磁力驅動反應釜。90
 
年代,衛生級下磁力攪拌器逐漸發展起來,其結構更簡單、更開放,攪拌槳葉與從動轉子整體加工,且推拉組合磁路已比較成熟,可傳遞更大的磁扭矩。**部件軸承,采用的是硬質合金。
 
21 世紀起,磁力攪拌器在結構上不斷改進創新,葉輪和軸承都往開放式發展,軸承是用硬質合金( 如 SiC、TC、Si3 N4 等) 制成的滑動軸承,無清洗死角,實現了 CIP 和 SIP,并且對葉片的結構形式也有了深入地研究( 如葉片上開通槽、葉片的曲度等) ,能夠滿足更高的流體剪切量要求。
 
由此可見,磁力攪拌技術經過半個多世紀的發展,對科研和生產的各行各業發揮著越來越重要的作用,同時取得了巨大的經濟效益。隨著其技術的改進和發展,很大程度上擴展了磁力攪拌器的使用范圍,如在制藥、食品、乳品、啤酒、飲料、
 
水處理、化工、化妝品、生物工程以及機械制造等工業**域,特別是在消毒和無菌應用及其他特殊應用中,如涉及對剪切力敏感的產品,在真空或壓力下處理等得到了廣泛應用。
2. 1 **外發展與應用情況
 
**外對磁力傳動技術的研究較早,其應用范圍也很廣,從**早的磁力泵,擴展到制藥、食品、乳
 
品、啤酒、飲料、水處理、化工、化妝品、生物工程以及機械制造等工業**域。表 1 是與其相關的**外
 
**。
 
表 1 **外磁力 拌器 利
 
頒布日期 美****號 / 公布號 名稱
     
2010-12-09   US20100309746A1 帶有槽口葉片的超潔凈
磁力攪拌器
   
2009-04-21 US7520657B2 磁力攪拌器
2006-10-05 US2006022176**1 超潔凈磁力攪拌器
2004-04-22 US20040076076A1 無菌液體攪拌器
2003-05-20   US20030053371A1 磁力攪拌器和混合裝置
2000-05-23 6065865 帶有磁性監測器的磁力
驅動攪拌器
   
1998-06-02 5758965 混合系統
1995-02-28 5393142 用于無菌液體混合的葉輪
1991-02-19 4993841 混合容器的磁力葉輪裝置
1986-02-04 4568195 磁力攪拌裝置
     
 
隨著材料科學和結構設計的進步,磁力攪拌器的材料安全性已解決,產品結構更開放、無死角、易于清洗滅菌,所以許多對無菌工藝要求很高的工藝選擇了磁力攪拌器。一般葉輪、定位軸承和焊接板的上部是完全與物料接觸的,葉輪的設計越開放,CIP / SIP 的效果越好。葉輪和焊接板一般采用 316L 不銹鋼,軸承材料采用耐磨耐蝕的硬質合金( 如 SiC、Si3 N4 ) 。
 
如今生物制藥巨頭的前 100 強都已經在大規模地使用罐底磁力攪拌器,其中瑞典 Nov Aseptic
磁力攪拌器較為出名,它在磁力攪拌器的無菌設
計和功能劃分上非常具有代表性。其攪拌器安裝在反應釜底部,與釜底齊平,其特點是易于拆卸,可靠、耐用和便于維修,且能滿足 CIP 和 SIP 的要求。Nov Aseptic 公司進行了微粒測試,支撐軸承在工作 48h 后,檢測到非常小的失重 ( 僅為
 
0. 5mg) 。瑞典 ROPLAN 集團下 STERIDOSE 公司生產的 STERIMIXER 磁力攪拌器,Lightnin 公司生產的 MBI 系列清潔磁力攪拌器和阿法拉伐的新型磁力攪拌器等均為該**域的先進產品。德**
 
IKA 集團的實驗室用磁力攪拌器是實驗室用攪拌
 
混合**域的**。
 
2. 2 **內發展與應用情況
 
**內對于磁力攪拌器的研究起步稍晚,但進步很大。**內從 20 世紀 80 年代開始制造磁力傳動設備,所研制的磁力驅動攪拌釜在第七屆**際稀土永磁材料及應用會議上引起了各****的極大關注和好評。我**不斷吸收**外的先進技術,探索創新,磁力攪拌器正在向大功率、大容積、高
 
溫、高壓、高轉速方向發展。
 
1990 年,北京大學在**上**研制成
 
Sm2 Fe17 Nx ,居里溫度提高到 480℃ ,且成本低于釹鐵硼磁體,開拓了**永磁材料研究與開發的新
, [7]
 
**域 也帶來了磁力傳動技術的新發展 。江蘇大學許士芬( 香港) 聯合研究所研制的耐高溫異步磁力聯軸器,利用電磁感應原理進行傳動,不需在內轉子上布置永磁體,有效地解決了同步磁力
 
[3]
聯軸器高溫時內轉子上永磁體退磁的問題 。
 
90 年代開始,磁力攪拌裝置在我**進入了快速發展階段,表 2 列出我**的相關**。
 
表 2 中**磁力 拌器 利
 
頒布日期 中****號 名稱
         
2012-05-02 201120339249 . 7 磁力驅動攪拌機
2011-03-16 201020512966 . 0 一種磁力攪拌裝置和動物細
胞培養生物反應器
     
2010-09-08 201010275877 . 3 磁力攪拌生物反應器及其
磁力攪拌系統
     
2010-03-10 200920069954 . 2 用于生物反應器的磁力
攪拌裝置
     
2009-09-02 200810020287 . 9 磁力攪拌密封裝置
2008-08-20 200720073950 . 2 一種用于發酵罐的磁力
攪拌裝置
     
2007-10-03 200620010569 . 7 高溫反應釜用磁力傳動裝置
2004-08-04 03259505. 0   新型磁力傳動攪拌器
2002-08-07 01263095. 0   高溫高壓磁力攪拌反應釜
1999-02-03 97202281. 3   搪瓷玻璃磁力傳動攪拌反應釜

**內曾經以昂貴的外匯引進了瑞典的磁力傳動藥用攪拌釜,提高了注射液的純度。20 世紀 80
 
年代,蘭州物理研究所與重慶化工機械廠密切協作,研制了**內**臺藥用磁力攪拌釜。在藥用磁力傳動攪拌釜基礎上為幾家農藥廠研制了**內**臺加氫磁力攪拌釜,該釜是為生產當時**內緊俏
 
[8]
農藥原料研制的 。
 
[9]
何承代 為溫州龍化塑料制劑有限公司某
 
裝置設計的合成釜和蒸餾釜,2001 年 3 月正式投入生產,該裝置外磁鋼等配循環水冷卻,運行期間傳動裝置性能穩定,密封安全可靠。2001 年,蘭化有機廠二六二叔丁苯酚裝置中的反應釜采用了
 
[10] 。
磁力傳動裝置,效果良好
目前,**內威海自控反應釜公司、威海坤昌化
 
機公司、威海瑞豐化機設備廠、威海新元化工機械有限公司、威海宏協化機公司、開原化工機械磁力反應釜廠、上海志威電器有限公司、溫州中偉磁傳密封設備廠、溫州市工業科學研究院磁傳動設備廠以及天津市歐諾儀器儀表有限公司等均生產磁力攪拌器。中牧股份蘭州生物藥品廠、燕山石化、雙鶴藥業、威遠生化、新昌制藥、成都生物制品研究所及成都英德生物科技有限公司等單位在使用磁力攪拌器。
 
3 磁力驅動攪拌器存在的主要問題及解決措施
 
3 . 1  主要問題
 
3 . 1. 1 渦流效應磁力驅動攪拌器的隔離套處于內外磁轉子之
 
間,若隔離套為金屬材料,當內、外磁轉子同步 ( 或不同步) 旋轉時,金屬隔離套便處在交變磁場中,磁場的大小和方向按一定規律變化,即隔離套壁中的磁通量隨時間而變,導體將感應產生環繞
 
[1] 。
磁通量變化方向的電流,稱為渦流
渦流效應一方面會減弱工作磁場,降低傳遞
 
扭矩; 另一方面產生渦流損耗,并以焦爾熱的形式釋放能量,消耗軸功率,降低傳遞效率。同時,由渦流耗散引起的熱量釋放,將使磁體的工作環境溫度升高,磁性下降,使傳遞的扭矩進一步降
 
[11]
低 。
3. 1. 2 軸承問題
 
磁力攪拌器的出現徹底解決了動密封處的泄漏問題,但從一定意義上講又把矛盾轉化到密封在釜內的軸承上。軸承是磁力攪拌器的**部

件,在底入式磁力攪拌器運行過程中,軸承與介質直接接觸,影響了軸承的壽命,且密閉在反應釜內部,損壞后不易監測。
 
當釜內有固體物料時,容易沉積在底部,固體顆粒容易進入到磁力攪拌器的軸承之間,引起軸承表面擦傷,嚴重時會導致軸承破壞失效。同時軸承的磨損,使軸承的軸向和徑向間隙增大,還有可能引起磁轉子與隔離套的摩擦。另外,滑動軸承之間的摩擦熱需要介質來冷卻,當這部分液體流量過小或起不到冷卻、潤滑作用時,必然使周圍溫度急劇升高,**終造成磁體磁性下降、轉子卡
 
死。
 
3. 2 解決措施
 
3. 2. 1 減小渦流的措施減小渦流的措施有:
 
a. 在工況允許的情況下,應優先選用非金屬材料隔離套,如氧化鋯( ZrO2 ) ,這樣則無渦流產生,如**采用金屬隔離套,則盡可能采用高電阻、高強度的材料,如 316L、哈氏合金 C 及鈦合金等;
 
b. 應盡可能將隔離套設計成細長形狀,即緊湊設計,使傳動半徑盡可能小;
 
c. 雙密封隔離套的內壁設冷卻系統 ( 如新型實 用 專 利 高 速 磁 力 傳 動 裝 置,專 利 號:
 
200420055044. 6) ;
 
d. 研制新型隔離套,如迭層隔離套,把隔離套切成一系列薄圈,各圈之間相互**緣,這樣就可以將渦流損失控制到**小。
3. 2. 2 軸承的改進措施
 
軸承的改進可以從兩方面著手,一方面是新材料的研制和使用,目前**內外已研制出多種適用于一些特殊要求的軸承材料,如具有極好的耐熱、耐腐蝕和耐磨性能的工程陶瓷材料( 氮化硅、碳化硅和氧化鋁) 、三層復合自潤滑材料( SF 型)及自潤滑復合材料( DV 型) 等1。另一方面是結構上的改進,為保持潤滑介質的暢通,防止軸承間溫度升高,可在軸承內表面開設導流槽( 直導流槽或螺旋槽) ,這樣可以保證攪拌器在運行過程中介質能順利流經軸承,在軸承間形成液膜,提高軸承的承載能力,并改善冷卻潤滑效果; 同時能使磨料或顆粒在導流槽中流動,減少軸承之間的相互磨損。此外,應對軸承進行監控、定期檢查和更


換。
 
4 結束語
 
產品在滿足功能要求的同時,也應充分滿足
 
安全性、可靠性和生態環保要求。隨著保護環境、節約能源越來越受到各個**家的關注,21 世紀清潔、經濟的生物技術將大行其道,由于磁力攪拌技術在防止泄漏,減少污染,節約能源方面有著突出優點,正適應生態環保的發展態勢,必將得到更加廣泛的應用。
 
雖然磁力驅動攪拌技術現已取得了很大的成果,但還有很多需要攻克的問題,如: 磁場的存在會干擾周圍環境; 目前常規的下磁力攪拌系統在定位軸的軸瓦處開有導流槽,使罐體內液體進入軸瓦對其進行潤滑及在線清洗,但是在生物反應器中罐內細胞培養液進入軸瓦后,細胞培養液中細胞會被碾碎破壞掉,無法正常完成培養; 磁力攪拌器的設計目前還沒有一套系統和完善的設計方法,磁路的設計、轉矩的計算均建立在實驗或半實驗的基礎上,精度有待進一步提高; 磁力傳動機構的進一步小型化和大型化、高溫環境下設計的進
 
一步完善、結構材料和構件的開發選擇等都是需要努力的方向。因此,有必要對磁力攪拌技術做更深入的研究和探索,使其不斷發展、完善并為科研和生產服務。
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