節(jié)能型攪拌技術(shù)的研究

摘要：文章闡述了攪拌過程的參數(shù)化建模，通過多目標(biāo)優(yōu)化法實(shí)現(xiàn)了對(duì)攪拌器和攪拌參數(shù)的合理選取，從而在設(shè)備選取上保證了最佳節(jié)能；介紹了攪拌技術(shù)的節(jié)能性評(píng)價(jià)，分析了影響攪拌器能耗的幾個(gè)關(guān)鍵因素；最后以機(jī)械式攪拌發(fā)酵罐為例，論述了節(jié)能型攪拌技術(shù)的具體應(yīng)用原理和設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：節(jié)能型攪拌技術(shù)；機(jī)械攪拌；射流混合

中圖分類號(hào)：TM401 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）09-0119-02

1 概述

機(jī)械混合攪拌技術(shù)作為PVC手套配料操作的基本環(huán)節(jié)之一，它的性能與化工、制藥、石油和冶金等領(lǐng)域的發(fā)展息息相關(guān)。PVC糊料的性能除了受其各個(gè)組成材料的性能、配比等因素影響外，攪拌質(zhì)量的好壞也對(duì)其有顯著作用。我國的混合攪拌技術(shù)雖然取得了長足的發(fā)展，但與發(fā)達(dá)國家相比，還存在很大的技術(shù)差距。這種差距主要表現(xiàn)在高耗能上，例如，對(duì)于一些化工產(chǎn)品，混合攪拌過程的耗能占整個(gè)生產(chǎn)全過程的一半左右。因此，在保證PVC糊料的混合攪拌性能的前提下，研究節(jié)能型攪拌技術(shù)對(duì)產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)價(jià)值有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 攪拌過程參數(shù)化

攪拌過程是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，尤其針對(duì)一些應(yīng)用于化工領(lǐng)域的攪拌反應(yīng)器，除了物理作用外，還牽扯大量的化學(xué)變化。要實(shí)現(xiàn)節(jié)能型攪拌，就有必要建立數(shù)學(xué)模型對(duì)這一過程進(jìn)行綜合描述，數(shù)學(xué)模型中應(yīng)該包含有對(duì)混合攪拌性能的評(píng)價(jià)函數(shù)。這里需要指出的是，對(duì)攪拌結(jié)果的評(píng)價(jià)指標(biāo)需要包含兩個(gè)方面：攪拌性能和攪拌功耗。前者通過對(duì)混合攪拌后產(chǎn)品的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，后者通過攪拌時(shí)間進(jìn)行評(píng)價(jià)。節(jié)能型攪拌技術(shù)的一個(gè)重要指標(biāo)是保證在滿足給定的混合攪拌性能指標(biāo)的前提下，攪拌器的功率應(yīng)該盡可能的低，攪拌花費(fèi)時(shí)間應(yīng)該盡可能的少。顯然，這樣的指標(biāo)兼顧了混合攪拌性能和攪拌耗能，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能攪拌。這里需要一提的是，要實(shí)現(xiàn)對(duì)攪拌過程的參數(shù)化，還有必要對(duì)各種攪拌器進(jìn)行參數(shù)化。

這里的數(shù)學(xué)模型分為兩類：針對(duì)不同攪拌器的參數(shù)化建模和針對(duì)同一攪拌器的參數(shù)化建模。前者側(cè)重對(duì)不同攪拌器的耗能做一個(gè)綜合考慮；后者側(cè)重對(duì)同一攪拌器不同設(shè)置的耗能影響做一個(gè)測(cè)試。兩者一般是一個(gè)多參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，所以需要利用相關(guān)的多目標(biāo)優(yōu)算法進(jìn)行最優(yōu)解的求取。通常的做法是依次對(duì)單參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化（其他參數(shù)保持不變），然后將參數(shù)對(duì)攪拌性能和攪拌功耗的綜合影響進(jìn)行排序，最后根據(jù)排序結(jié)果對(duì)每個(gè)參數(shù)賦予影響力權(quán)值。通過多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果，我們可以得到一組經(jīng)過優(yōu)化后的設(shè)定參數(shù)，根據(jù)這個(gè)參數(shù)投入實(shí)際攪拌，可以實(shí)現(xiàn)最終的節(jié)能型攪拌目標(biāo)。

3 攪拌技術(shù)的節(jié)能性評(píng)價(jià)

機(jī)械式混合攪拌器除了當(dāng)做PVC糊料混合攪拌及普通反應(yīng)器運(yùn)用外，還作為大型制藥工業(yè)的發(fā)酵罐、化肥工業(yè)的合成器使用。節(jié)能型攪拌器的應(yīng)用，關(guān)鍵在于合適攪拌器的選擇或者設(shè)計(jì)。沒有通用的攪拌器或者攪拌器設(shè)計(jì)，在進(jìn)行攪拌器選擇或者設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)具體的使用要求（包括操作條件、混合攪拌的物質(zhì)以及對(duì)攪拌質(zhì)量的要求等）進(jìn)行分析。目前比較流行的運(yùn)用于化工領(lǐng)域的攪拌器結(jié)構(gòu)主要有三種：軸向流型結(jié)構(gòu)、徑向流型結(jié)構(gòu)和混合流型結(jié)構(gòu)等。具體選用哪種結(jié)構(gòu)的攪拌器或者基于哪種結(jié)構(gòu)進(jìn)行全新的攪拌器設(shè)計(jì)對(duì)最終混合攪拌時(shí)間、混合功耗等方面會(huì)產(chǎn)生重要影響?，F(xiàn)階段還沒有一套行之有效的選擇標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)人員或采買人員在進(jìn)行結(jié)構(gòu)選取的時(shí)候往往依照自己的經(jīng)驗(yàn)或有限次的實(shí)驗(yàn)，這里還需對(duì)結(jié)構(gòu)的節(jié)能性做進(jìn)一步的深入研究。

在通常情況下，攪拌器的功率與攪拌器轉(zhuǎn)數(shù)的三次方、攪拌器筒徑的五次方成正比。所以，在進(jìn)行攪拌器的設(shè)計(jì)或選取時(shí)，攪拌器的轉(zhuǎn)數(shù)和筒徑就成為了關(guān)鍵參數(shù)。在要求不高的混合攪拌過程中，選擇筒徑小、轉(zhuǎn)數(shù)低的攪拌器結(jié)構(gòu)對(duì)于實(shí)現(xiàn)最終的攪拌節(jié)能有重要意義。這里需要特別強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，使用單位應(yīng)該根據(jù)自己的需求進(jìn)行實(shí)際選取，既不能一味考慮節(jié)能而致使攪拌質(zhì)量降低，也不能一味選擇大功率、大轉(zhuǎn)速的攪拌器造成能耗浪費(fèi)。根據(jù)筆者的親身體驗(yàn)，很多企業(yè)習(xí)慣選取大功率電機(jī)帶動(dòng)的大轉(zhuǎn)速攪拌器，但對(duì)產(chǎn)品的實(shí)際攪拌質(zhì)量卻沒明確的要求，這是一種不合理的觀念。

除了上述介紹的攪拌器轉(zhuǎn)數(shù)和筒徑外，攪拌器的混合效率數(shù)（在一定的流體粘度和混合時(shí)間下，攪拌器所需要的單位體積混合能）也是衡量其混合性能和攪拌能耗的重要指標(biāo)。攪拌器的混合效率數(shù)越小，能耗越小。

4 節(jié)能型攪拌技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例

機(jī)械式攪拌發(fā)酵罐是制藥領(lǐng)域的高耗能設(shè)備之一，有著成本高的固有缺陷，本節(jié)將就機(jī)械式攪拌發(fā)酵罐為例，對(duì)節(jié)能型攪拌技術(shù)的研究與應(yīng)用作出詳細(xì)說明。

4.1 攪拌發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)形式

為了最大限度地節(jié)省能量，國內(nèi)外很多學(xué)者提出了大量的攪拌發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)，包括氣升式、自吸式、噴射式等。在這些結(jié)構(gòu)中，有的已經(jīng)發(fā)展出了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化的大規(guī)模投產(chǎn)，有的還只停留在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)或小規(guī)模試制的階段，甚至還有一部分停留在概念理論當(dāng)中，需要作進(jìn)一步的研究。總之，節(jié)能型攪拌器發(fā)展的主要趨勢(shì)是從機(jī)械攪拌過渡到其他形式的攪拌（如電磁攪拌、氣流攪拌等）。按氣泡分散所需能量的輸入方式的不同可將攪拌發(fā)酵罐分為下列三大類：

4.1.1 利用機(jī)械攪拌輸入能量。利用機(jī)械攪拌器的渦流剪切來實(shí)現(xiàn)罐內(nèi)氣體在液相中的二次分散，是目前使用最為廣泛的一種攪拌發(fā)酵罐。

4.1.2 利用氣體輸入能量。利用噴嘴和內(nèi)外環(huán)流配合來實(shí)現(xiàn)氣體的分散，這里攪拌作用的特點(diǎn)是無機(jī)械傳遞部件，相對(duì)機(jī)械攪拌式的發(fā)酵罐，能量利用率高。

4.1.3 利用泵送液體輸入能量。這種攪拌發(fā)酵罐的典型結(jié)構(gòu)是采用采用兩相射流混合器。其優(yōu)點(diǎn)是具有很高的氧傳質(zhì)系數(shù)和傳質(zhì)面積，缺點(diǎn)是易造成泵氣蝕，一般的泵無法滿足使用要求。

對(duì)以上三種結(jié)構(gòu)的攪拌發(fā)酵罐進(jìn)行研究比對(duì)，采用機(jī)械攪拌輸入能量的攪拌發(fā)酵罐單位能耗最高，采用射流混合器結(jié)構(gòu)的攪拌發(fā)酵罐單位能耗最低。

4.2 機(jī)械攪拌發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

4.2.1 射流混合器與機(jī)械攪拌器結(jié)合使用。通過分析比對(duì)各種攪拌形式和結(jié)構(gòu)可以看出，每種結(jié)構(gòu)都有自己的優(yōu)點(diǎn)。雖然機(jī)械式攪拌結(jié)構(gòu)單位功耗最高，但其應(yīng)用技術(shù)比較成熟，放大功率相對(duì)可靠，操作簡(jiǎn)便，還是有很大的潛在市場(chǎng)可供開發(fā)的。所以在傳統(tǒng)機(jī)械式攪拌結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過采用一些措施來降低能耗是十分有必要的。通過深入研究，可將射流混合器應(yīng)用到機(jī)械攪拌發(fā)酵罐中，與機(jī)械攪拌器協(xié)同作用，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，是獲得溶氧提高、能耗下降的有效途徑。

4.2.2 氣體射流混合器。氣體射流混合器由噴嘴、混合管和循環(huán)管組成，噴嘴采用縮放噴嘴，混合管為漸放管。安裝在發(fā)酵罐底部，安裝角度與水平傾角40°～80°?；旌瞎艹隹诤脱h(huán)管底部切線對(duì)接。

4.2.3 機(jī)械攪拌器。機(jī)械攪拌器安裝在循環(huán)管出口正上方，由多層攪拌器組成。第一層攪拌器采用渦輪式攪拌器，直徑不得小于發(fā)酵罐直徑的三分之一。其余各層采用以強(qiáng)化發(fā)酵液的湍動(dòng)和混和為主的攪拌器，其直徑可比第一層攪拌器直徑略小。

4.3 機(jī)械攪拌發(fā)酵罐的節(jié)能原理

由于射流混合器與機(jī)械攪拌器的結(jié)合使用，使得壓縮空氣能量可以充分被利用，從而形成良好的第一次分散。這時(shí)，機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐罐底的攪拌器功能可以被忽略，從結(jié)構(gòu)上可以予以取消，從而使攪拌器層數(shù)得以減少。而攪拌器層數(shù)與攪拌器消耗的功率直接相關(guān)，通過實(shí)驗(yàn)，在相同轉(zhuǎn)速下，N層攪拌器消耗的總功率遠(yuǎn)高于單層攪拌器，一般是單層攪拌器的N倍。例如，五層攪拌器消耗的功率是四層攪拌器（減小一層后）消耗功率的1.25倍。

此外，對(duì)各層攪拌器的直徑進(jìn)行合理選取也對(duì)節(jié)能有重要意義。針對(duì)攪拌發(fā)酵罐而言，由于接近循環(huán)管出口處的攪拌器除了正常的混合攪拌功能外，還要承擔(dān)粉碎氣泡、快速形成氣液?jiǎn)蜗鄥^(qū)的作用，所以宜采用較大的筒徑；其余各層攪拌器對(duì)細(xì)化氣泡的直徑?jīng)]有明顯效果，只起混合攪拌的作用，為了盡可能地實(shí)現(xiàn)節(jié)能，宜采用較小筒徑。

5 結(jié)語

機(jī)械混合攪拌技術(shù)是隨著化工機(jī)械的發(fā)展而不斷進(jìn)步?，F(xiàn)有的攪拌技術(shù)在滿足攪拌性能方面已經(jīng)非常成熟，但在降低能耗方面還存在很多不足。這種不足會(huì)對(duì)我國生態(tài)、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生制約影響。在現(xiàn)實(shí)中，我們不能只為了攪拌而攪拌，在滿足攪拌性能的前提下，盡可能地降低能耗對(duì)減少企業(yè)成本、提高產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)價(jià)值等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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作者簡(jiǎn)介：劉文靜（1971—），女，藍(lán)帆集團(tuán)股份有限公司董事，山東藍(lán)帆股份股份有限公司總裁，工商管理碩士，研究方向：化工行業(yè)、醫(yī)藥中間體及塑膠行業(yè)設(shè)備研發(fā)及改造。

（責(zé)任編輯：趙秀娟）