機(jī)械攪拌反應(yīng)釜概述

馮桂江

（江蘇金斗重工有限公司，江蘇 鹽城 224000）

機(jī)械攪拌反應(yīng)釜概述

馮桂江

（江蘇金斗重工有限公司，江蘇 鹽城 224000）

反應(yīng)釜廣泛應(yīng)用于石油、化工、橡膠、農(nóng)藥、染料、醫(yī)藥、食品，用來(lái)完成硫化、硝化、氫化、烴化、聚合、縮合等工藝過(guò)程的壓力容器，按其用途還可分為化學(xué)反應(yīng)釜和生物反應(yīng)釜，但無(wú)論是化學(xué)反應(yīng)釜還是生物反應(yīng)釜，常用的結(jié)構(gòu)形式是相同的，主要有機(jī)械攪拌式反應(yīng)釜、管式反應(yīng)釜、固定床反應(yīng)釜、流化床反應(yīng)釜。本文主要對(duì)機(jī)械攪拌式反應(yīng)釜進(jìn)行了介紹，簡(jiǎn)述了反應(yīng)釜的基本結(jié)構(gòu)。

化學(xué)反應(yīng)釜；生物反應(yīng)釜；機(jī)械攪拌式反應(yīng)釜

1 機(jī)械攪拌反應(yīng)釜基本結(jié)構(gòu)

機(jī)械攪拌式反應(yīng)釜，適用于各種物性（如粘度、密度）和各種操作條件（溫度、壓力）的反應(yīng)過(guò)程，廣泛應(yīng)用于合成塑料、合成纖維、合成橡膠、醫(yī)藥、農(nóng)藥、化肥、染料、涂料、食品、冶金、廢水處理等行業(yè)。如實(shí)驗(yàn)室的攪拌反應(yīng)器可小至數(shù)10 mm，而污水處理、濕法冶金、磷肥等工業(yè)大型反應(yīng)器的容積可達(dá)數(shù)千立方米。除用作化學(xué)反應(yīng)器和生物反應(yīng)器外，攪拌反應(yīng)器還大量用于混合、分散、溶解、結(jié)晶、萃取、吸收或解吸、傳熱等操作。

攪拌反應(yīng)器由攪拌容器和攪拌機(jī)兩大部分組成。攪拌容器包括筒體、換熱元件及內(nèi)構(gòu)件。攪拌器、攪拌軸及其密封裝置、傳動(dòng)裝置等統(tǒng)稱(chēng)為攪拌機(jī)。

2 攪拌容器

攪拌容器的作用是為物料反應(yīng)提供合適空間。攪拌容器的筒體基本是圓筒，封頭常采用橢圓形封頭、錐形封頭和平蓋，以橢圓形封頭應(yīng)用最廣。根據(jù)工藝需要，容器上裝有各種接管，以滿足進(jìn)料、出料、排氣等要求。為以物料加熱或取走反應(yīng)熱，常設(shè)置外夾套或內(nèi)盤(pán)管。上封頭焊有凸緣法蘭，用于攪拌容器與機(jī)架的連接。操作中為了對(duì)反應(yīng)進(jìn)行控制，必須測(cè)量反應(yīng)物的溫度、壓力、成分及其它參數(shù)，容器上還設(shè)置有溫度、壓力等傳感器。支座選用應(yīng)考慮容器的大小和安裝位置，小型的用裙式支座或支承式支座。

工藝設(shè)計(jì)給定的容積，對(duì)直立式攪拌容器通常是指筒體和下封頭兩部分容積之和；對(duì)臥式攪拌容器是指筒體和左右兩封頭容積之和。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)攪拌容器的容積、所選用的筒體高徑比，可確定筒體直徑和高度。

3 攪拌器

攪拌器又稱(chēng)攪拌槳或攪拌葉輪，是攪拌反應(yīng)器的關(guān)鍵部件，其功能是提供過(guò)程所需要的能量和適宜的流動(dòng)狀態(tài)。攪拌器旋轉(zhuǎn)時(shí)把機(jī)械能傳遞給流體，在攪拌器附近形成高湍動(dòng)的充分混合區(qū)，并產(chǎn)生一股高射流推動(dòng)液體在攪拌容器內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。這種循環(huán)流動(dòng)的途徑稱(chēng)為流型。

3.1 攪拌器的分類(lèi)

按流體流動(dòng)形態(tài)，攪拌器可分為軸向流攪拌器、徑向流攪拌器和混和流攪拌器。按攪拌器結(jié)構(gòu)可分為平葉、折葉、螺旋面葉。槳式、渦輪式、框式和錨式的槳葉都有平葉和折葉兩種結(jié)構(gòu)；推進(jìn)式、螺桿式和螺帶式的槳葉為螺旋面葉。按攪拌器用途可分為：低粘流體用攪拌器和高粘流體用攪拌器。用于低粘流體攪拌器有：推進(jìn)式、長(zhǎng)薄葉螺旋槳、槳式、開(kāi)啟渦輪式、圓盤(pán)渦輪式、布魯馬金式、板框槳式、三葉后彎式、MIG和改進(jìn)MIG等。用于高粘流體的攪拌器有：錨式、框式、鋸齒圓盤(pán)式、螺旋槳式、螺帶式（單螺帶、雙螺帶）、螺旋-螺帶式等。槳式、推進(jìn)式、渦輪式和錨式攪拌器在攪拌反應(yīng)設(shè)備中應(yīng)用最為廣泛，據(jù)統(tǒng)計(jì)約占攪拌器總數(shù)的75%～80%。

3.2 攪拌器的選用

攪拌操作涉及流體的流動(dòng)、傳質(zhì)和傳熱，所進(jìn)行的物理和化學(xué)過(guò)程對(duì)攪拌效果的要求也不同，至今對(duì)攪拌器的選用仍帶有很大的經(jīng)驗(yàn)性。攪拌器選型一般從三個(gè)方面考慮：攪拌目的、物料粘度和攪拌容器容積的大小。選用時(shí)除滿足工藝要求外，還應(yīng)考慮功耗、操作費(fèi)用，以及制造、維護(hù)和檢修等因素。

3.3 機(jī)械攪拌器設(shè)備技術(shù)進(jìn)展概述

機(jī)械攪拌反應(yīng)器的操作性能直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量、能耗和生產(chǎn)成本。工程界和學(xué)術(shù)界對(duì)攪拌混合都非常重視，進(jìn)行了大量的研究工作，取得了不少的研究成果。

3.4 新型攪拌器的開(kāi)發(fā)

每一種攪拌器都不是萬(wàn)能的，只有在某一特定的應(yīng)用范圍內(nèi)才是高效的。最近開(kāi)發(fā)的幾種適用于低、中粘度流體的高效軸流型攪拌器，由于葉片的寬度和傾角隨徑向位置而變，稱(chēng)為變傾角變?nèi)~寬攪拌器。這種攪拌器非常適用于均勻相混合、固液懸浮操作。高效的徑向流有Scaba攪拌器，其特點(diǎn)是弧形葉片形狀可消除葉片后面的氣穴，使通氣功率下降較小，常用于發(fā)酵罐的底層攪拌，提高按氣體分散能力。最大葉片式、泛能式、葉片組合式攪拌器，適用的粘度范圍寬，對(duì)于混合、傳熱、固液懸浮以及液液分散等操作都比常用的攪拌器效率高。這些攪拌器具有高效節(jié)能、造價(jià)低廉而且易于大型化的優(yōu)點(diǎn)，正在傳統(tǒng)的攪拌設(shè)備改造中發(fā)揮著重要作用。

3.5 組合式攪拌器的應(yīng)用

在一個(gè)攪拌容器內(nèi)設(shè)置不同構(gòu)形，不同轉(zhuǎn)速的攪拌器以達(dá)到全罐攪拌與混合的目的。例如，用于化妝品、牙膏等生產(chǎn)的攪拌設(shè)備，其介質(zhì)為高粘物料，含有大量固體粉沫，混合要求較高，常在一個(gè)容器內(nèi)設(shè)有齒片式、錨式和螺桿式三個(gè)不同轉(zhuǎn)速攪軸。齒片式攪拌器高速回轉(zhuǎn)、高剪切打碎和分散固體粒子；慢速旋轉(zhuǎn)的錨式攪拌器不斷把流體輸送到齒片攪拌器產(chǎn)生的高剪切區(qū)；螺桿式攪拌器使流體上下循環(huán)，三個(gè)攪拌器的配合使用，使全罐物料更快達(dá)到均勻混合。這種組合式攪拌器可減少混合時(shí)間，大量節(jié)省能耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

3.6 改變攪拌器傳動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能

回轉(zhuǎn)兼上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的攪拌反應(yīng)器已在很多場(chǎng)合應(yīng)用。上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)由曲軸帶動(dòng)連桿來(lái)完成，通過(guò)在曲軸上掛一副傘齒輪并輔以萬(wàn)向節(jié)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，合理地設(shè)計(jì)傘齒輪副，使轉(zhuǎn)動(dòng)和上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)之間有一個(gè)小的相位差，槳葉每次不走重復(fù)路線，提高混合效果。由于使用了曲軸連桿機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)速太高會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，一般適合于轉(zhuǎn)速低于100 r/min、中粘流體的混合，以及固體粉末在中粘流體中的溶解。

3.7 攪拌設(shè)備的多功能化與智能化

攪拌設(shè)備操作靈活方便，特別適合于批量小、更新快、工藝流程用計(jì)算機(jī)控制的間歇操作的精細(xì)化工生產(chǎn)。對(duì)于干擾因素多的攪拌反應(yīng)器，應(yīng)用傳感器測(cè)控，對(duì)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè)圖控制和模糊控制，使設(shè)備運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠，產(chǎn)品質(zhì)量更好。

攪拌操作往往與反應(yīng)、蒸發(fā)、真空等過(guò)程相聯(lián)系。對(duì)特定的工藝，可以把幾個(gè)功能集中在一起，在同一個(gè)攪拌設(shè)備內(nèi)完成，實(shí)現(xiàn)多功能一體化。這種設(shè)備具有結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)連接管道，損耗少，效率高，易于滿足衛(wèi)生要求等優(yōu)點(diǎn)。這類(lèi)集多功能于一體的攪拌裝置已在制藥行業(yè)中獲得應(yīng)用。

攪拌設(shè)備是由兩個(gè)攪拌器裝在同一中心軸線的內(nèi)外套筒上，外軸帶動(dòng)框式攪拌器慢速旋轉(zhuǎn)，框式攪拌器的外緣裝有刮板，可對(duì)容器內(nèi)壁面進(jìn)行清污，內(nèi)軸帶動(dòng)二層斜葉渦輪攪拌器高旋轉(zhuǎn)。這種攪拌設(shè)備特別適合于操作過(guò)程粘度變化的場(chǎng)合。當(dāng)粘度低時(shí)，公開(kāi)動(dòng)內(nèi)軸渦輪攪拌器；粘度高了，則起動(dòng)框式攪拌器，刮板可清除壁面粘結(jié)構(gòu)，大幅度提高高粘度流體對(duì)槽壁的傳熱膜系數(shù)，使整個(gè)攪拌操作達(dá)到高效節(jié)能。

攪拌反應(yīng)器是化學(xué)工程和生物工程中最常見(jiàn)也是最重要的單元之一。目前，反應(yīng)器選型和內(nèi)構(gòu)件的設(shè)計(jì)還在很大程度上依賴(lài)于實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)放大規(guī)律還缺乏深入的認(rèn)識(shí)，對(duì)于能耗和生產(chǎn)成本只能在一定規(guī)模的生產(chǎn)裝置上對(duì)比后才能得出結(jié)論。由于對(duì)產(chǎn)品的回收率和質(zhì)量要求越來(lái)越高，對(duì)攪拌反應(yīng)器的研究日趨深入，已從早期就對(duì)攪拌功率和混合時(shí)間有了研究，20世紀(jì)80年代對(duì)反應(yīng)釜內(nèi)的流體速度場(chǎng)分布的研究，進(jìn)入到20世紀(jì)90年代以來(lái)的攪拌釜內(nèi)三維流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究。流場(chǎng)數(shù)值模擬必須在深入進(jìn)行流體力學(xué)研究的基礎(chǔ)上，綜合考慮其流動(dòng)的三維性、隨機(jī)性、非線性和邊界條件不確定性，通過(guò)數(shù)值模擬不但可以解決反應(yīng)器的放大機(jī)理，而且可以?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)新型高效攪拌器，使機(jī)械攪拌器的設(shè)計(jì)理論更加完善。

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Overview of mechanically stirred reaction kettle

TQ052

1009-797X （2015） 22-0056-02

A DOI：10.13520/j.cnki.rpte.2015.22.022

馮桂江（1981-），畢業(yè)于江蘇大學(xué)，現(xiàn)從事壓力容器設(shè)計(jì)與制造工作。

2015-09-13