應(yīng)用于中高黏物系攪拌裝置的優(yōu)化形式

鄭毅駿

（中國(guó)石化上海石油化工研究院，上海 201208）

攪拌操作廣泛應(yīng)用于各類(lèi)化工領(lǐng)域，特別是在處理中高黏物系過(guò)程中，起到了不可替代的作用。根據(jù)流體切應(yīng)力與速度梯度之間是否呈線(xiàn)性關(guān)系，中高黏物系可分為牛頓流體和非牛頓流體。牛頓流體受到的切應(yīng)力與速度梯度的比值恒定，即為流體的黏度；非牛頓流體可分為與時(shí)間無(wú)關(guān)的塑性流體、假塑性流體、脹塑性流體，以及與時(shí)間有關(guān)的流變性流體和觸變性流體[1]。聚合物溶液大多屬于假塑性流體，其表觀(guān)黏度隨剪切變形速率的增加而減小，基于這類(lèi)流體的攪拌裝置的研究報(bào)道也較多。對(duì)中高黏牛頓流體攪拌過(guò)程的研究，常采用麥芽糖漿[2-3]、甘油[4-6]等作為實(shí)驗(yàn)物料；對(duì)假塑性流體攪拌過(guò)程的研究，常采用羧甲基纖維素[7]、羥乙基纖維素[8-10]、聚乙烯醇[11]、黃原膠[12-15]、威蘭膠[16]等作為實(shí)驗(yàn)物料。

隨著合成材料的不斷發(fā)展，中高黏物系攪拌操作在合成塑料、合成橡膠、合成纖維等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多[17]。其中非牛頓流體的表觀(guān)黏度隨剪切速率不同而改變的特性，會(huì)導(dǎo)致攪拌釜內(nèi)產(chǎn)生黏度梯度[18]，進(jìn)而增加物系混合均勻的難度，使相間傳質(zhì)速率下降[19]。為改善中高黏物系的混合及傳質(zhì)特性，高效率的攪拌設(shè)備需同時(shí)滿(mǎn)足較好的剪切性能和軸向循環(huán)性能[20]。傳統(tǒng)的單一小徑槳、錨式槳、螺帶槳等形式無(wú)法滿(mǎn)足這一要求，需通過(guò)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式上的組合創(chuàng)新，才能實(shí)現(xiàn)較適宜的混合效果。

1 小徑槳的優(yōu)化

小徑槳是指槳式、渦輪式等小槳徑攪拌槳，根據(jù)其產(chǎn)生流型的不同，可分為徑流式、軸流式和混流式。在低黏度物系中，單一小徑槳達(dá)到一定的攪拌轉(zhuǎn)速后，即可使釜內(nèi)物料達(dá)到湍流和充分混合的狀態(tài)[21]。但隨著物系黏度增加，小徑槳的影響區(qū)域不斷縮小，區(qū)域外的流體狀態(tài)趨于層流乃至靜止。為改善中高黏條件下小徑槳的混合特性，可通過(guò)結(jié)構(gòu)、材質(zhì)以及運(yùn)行模式上的改良，實(shí)現(xiàn)攪拌效果的優(yōu)化。

1.1 小徑槳的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在中高黏物系中小徑槳的影響區(qū)域有限，當(dāng)攪拌釜的高徑比較大時(shí)，在軸向上布置多個(gè)小徑槳，是最為簡(jiǎn)單有效的優(yōu)化形式。采用多層槳攪拌時(shí)，各層槳葉附近會(huì)形成局部的循環(huán)流，循環(huán)內(nèi)部的混合情況較好，而相鄰循環(huán)之間的對(duì)流則較為困難，全釜流場(chǎng)沿軸向會(huì)形成多個(gè)區(qū)域[22]。各區(qū)域之間對(duì)流情況的優(yōu)劣將決定全釜的混合效果，且這一影響會(huì)隨著槳葉層數(shù)的增加變得更為顯著[23]。相較于徑流式攪拌槳，軸流式攪拌槳產(chǎn)生的軸向流，更易于破壞各區(qū)域間的交界面，促進(jìn)層間的軸向?qū)α?。武斌等在?duì)羧甲基纖維素-空氣體系進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，軸流式翼型槳組合的混合速率相比徑流式渦輪槳組合提升了約40%。

考慮到氣體分散能力等因素的影響，多層槳結(jié)構(gòu)的底層槳大多仍選擇徑流式攪拌槳，否則容易造成氣體聚集在攪拌軸附近，難以均勻分布于全釜的情況。吳高杰等[24]在研究中發(fā)現(xiàn)，采用斜葉槳作為底層槳時(shí)具有更好的氧傳遞效果。這是由于混流式的斜葉槳兼具了徑流式攪拌槳的強(qiáng)剪切作用和軸流式攪拌槳軸向混合的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而可獲得較好的氣液分散效果和相對(duì)較低的功耗。

假塑性流體近槳葉區(qū)的黏度相對(duì)較小，遠(yuǎn)離槳葉循環(huán)區(qū)的黏度較大，選用合適的徑流式、軸流式攪拌槳組合以形成全釜范圍的大循環(huán)，將有利于釜內(nèi)流體表觀(guān)黏度趨于均勻。

1.2 小徑槳的材質(zhì)優(yōu)化

一些學(xué)者將攪拌作用下的高黏物系分為兩個(gè)區(qū)域，即攪拌槳附近的混沌混合區(qū)和遠(yuǎn)離攪拌槳的混合隔離區(qū)?；煦缁旌蠀^(qū)內(nèi)的能量主要以對(duì)流方式傳遞，混合隔離區(qū)內(nèi)則通過(guò)分子擴(kuò)散進(jìn)行傳遞[25]。劉作華等[26]認(rèn)為，傳統(tǒng)的剛性攪拌槳只能通過(guò)流體的動(dòng)能擴(kuò)散作用擴(kuò)大混沌混合區(qū)，他們提出在剛性槳末端添加柔性槳葉，通過(guò)槳葉擺動(dòng)產(chǎn)生的波動(dòng)破壞混合隔離區(qū)。盡管增加柔性槳葉后，會(huì)增加少量攪拌功耗，但將一定的黏度和混合時(shí)間下所需的單位體積混合能作為混合效率的評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)甘油溶液中的六直葉圓盤(pán)渦輪和對(duì)應(yīng)的柔性槳進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，柔性槳的混合效率提升了52.8%[27]。

按混沌混合的定義，非牛頓流體黏度在全釜范圍內(nèi)的分布不同，其攪拌過(guò)程中的分區(qū)現(xiàn)象會(huì)更為顯著。不過(guò)暫時(shí)還未見(jiàn)到非牛頓流體中柔性槳攪拌應(yīng)用的相關(guān)報(bào)道。

1.3 小徑槳的運(yùn)行模式優(yōu)化

與多層槳在結(jié)構(gòu)形式上進(jìn)行優(yōu)化的思路不同，為實(shí)現(xiàn)攪拌釜軸向上的均勻混合，Murakami 等[28]通過(guò)增加上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的方式，來(lái)改良傳統(tǒng)攪拌槳在玉米糖漿溶液中的混合效果，發(fā)現(xiàn)在相同功耗的操作條件下，增加了軸向運(yùn)動(dòng)的攪拌槳的混合時(shí)間只有傳統(tǒng)螺帶槳的1/3。

2 錨式槳的優(yōu)化

錨式槳由兩側(cè)的立葉和下方的橫葉構(gòu)成，其槳徑與釜徑的比值較大，運(yùn)行轉(zhuǎn)速較低。錨式槳在中高黏物系攪拌中形成的主要是切向流，在葉片前方的流體會(huì)受葉片的推動(dòng)作用形成較弱的徑向流，幾乎沒(méi)有軸向流產(chǎn)生[29-30]。單一錨式槳的剪切性能較好而循環(huán)性能較弱[31]，其混合、傳熱性能也不如多層小徑槳。

2.1 錨式槳的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

錨式槳的槳葉主要作用于攪拌釜壁面附近，對(duì)攪拌釜中心區(qū)域的混合效果較弱。對(duì)錨式槳的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最簡(jiǎn)單和常見(jiàn)的就是在其上方增加一條橫梁變成框式槳，此時(shí)對(duì)被攪拌物料的液面附近也有較好的剪切作用。進(jìn)一步對(duì)錨式槳增加立葉或橫梁，可增強(qiáng)攪拌釜中心區(qū)域流體的流動(dòng)狀態(tài)[32]。圖1(a)所示是在錨式槳的基礎(chǔ)上增加多條立葉的錨柵槳[33]，內(nèi)側(cè)的立葉會(huì)增強(qiáng)中心區(qū)域的剪切性能。圖1(b)所示為沿軸向增加多條橫梁的變形框式槳，當(dāng)橫梁采用斜葉結(jié)構(gòu)時(shí)，可起到類(lèi)似二斜葉槳的作用，在橫梁附近產(chǎn)生軸向流，促進(jìn)循環(huán)流的形成。

(a)錨柵槳 (b)變形框式槳

2.2 錨式槳的組合優(yōu)化

錨式槳的作用區(qū)域在被攪拌物料的外圍，與小徑槳的影響區(qū)域正好互補(bǔ)，因而可將錨式槳作為外槳，配合小徑槳作為內(nèi)槳，協(xié)同進(jìn)行攪拌混合。

內(nèi)外雙軸攪拌過(guò)程中，轉(zhuǎn)速較慢的錨式外槳對(duì)高轉(zhuǎn)速內(nèi)槳功耗的影響較小，反之受到內(nèi)槳轉(zhuǎn)速的影響很大[34]。當(dāng)內(nèi)、外槳同向旋轉(zhuǎn)時(shí)，外槳功耗會(huì)因內(nèi)槳的作用而減??；當(dāng)內(nèi)、外槳反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，外槳功耗會(huì)因內(nèi)槳的作用而變大[35]。盡管外槳對(duì)內(nèi)槳功耗的影響較小，但能使達(dá)到相同混合效果所需的內(nèi)槳轉(zhuǎn)速降低，起到減少功耗的作用，同時(shí)也能防止被攪拌物料因受到高速剪切而被破壞[36]，或因攪拌轉(zhuǎn)速過(guò)高產(chǎn)生的大量熱能而過(guò)熱。

3 螺帶槳的優(yōu)化

同錨式槳一樣，螺帶槳也屬于大槳徑槳葉。在形成相同雷諾數(shù)的流動(dòng)條件下，螺帶槳的功耗要大于小槳徑渦輪，但螺帶槳的液相傳質(zhì)系數(shù)要比渦輪高4～5 倍[37]。為防止攪拌功率過(guò)高，螺帶槳和錨式槳一樣，一般都在低轉(zhuǎn)速條件下運(yùn)行[38]。對(duì)螺帶槳的優(yōu)化常體現(xiàn)在與其他攪拌結(jié)構(gòu)相組合的形式上。

3.1 螺帶、螺桿的組合

根據(jù)螺帶葉數(shù)量的不同，常用的螺帶槳可分為單螺帶槳、雙螺帶槳、四螺帶槳等。如圖2(a)所示，這幾種槳型的各條螺帶葉到中心軸的距離相等，螺帶端部沿周向等角度分布。與錨式槳相比，螺帶槳的剪切性能相對(duì)較弱，但在軸向上有較強(qiáng)的推動(dòng)力。

與錨式槳類(lèi)似，螺帶槳同樣在靠近壁面處的混合效果較好，在攪拌釜中心區(qū)域較弱。除了配合小徑槳作為內(nèi)槳以加強(qiáng)中心區(qū)域的流動(dòng)狀態(tài)外，還可采用內(nèi)外螺帶槳的形式。如圖2(b)所示，內(nèi)外螺帶槳為2 條不同半徑的螺帶葉，固定在同一個(gè)攪拌軸上，相較于內(nèi)外雙軸攪拌，其攪拌軸及傳動(dòng)結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單。通常，內(nèi)外螺帶槳的內(nèi)、外2 條螺帶葉呈相反的螺旋狀態(tài)布置，這樣在同一轉(zhuǎn)動(dòng)方向下，攪拌釜四周和中心產(chǎn)生的軸向流方向相反，這有利于形成全釜的循環(huán)流。朱秀林等[39]對(duì)幾種螺帶槳進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)內(nèi)外螺帶槳的混合性能與四螺帶槳相接近，兩者均優(yōu)于雙螺帶槳。相較于四螺帶槳，內(nèi)外單螺帶槳的結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，加工較為方便。內(nèi)螺帶對(duì)混合、傳熱過(guò)程起到了強(qiáng)化的效果，同時(shí)也有利于降低攪拌功耗[40]。

如圖2(c)所示，進(jìn)一步縮小內(nèi)螺帶與攪拌軸之間的距離，最終會(huì)得到螺帶螺桿槳組合結(jié)構(gòu)[41]。同樣的，通常將螺帶和螺桿的螺旋方向設(shè)置相反，從而形成攪拌釜中心和四周軸向流向相反的大循環(huán)流。單獨(dú)采用螺桿進(jìn)行中高黏流體攪拌時(shí)，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)通常為細(xì)長(zhǎng)型，且物料從反應(yīng)器一端被螺桿推動(dòng)到另一端，需將出口物料通過(guò)管路接回入口端才能形成物料的循環(huán)。在物料需長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)攪拌的情況下，也可在大直徑攪拌釜內(nèi)布置螺桿，在螺桿外設(shè)置導(dǎo)流筒后，會(huì)在導(dǎo)流筒外側(cè)形成與導(dǎo)流筒內(nèi)部方向相反的軸向流動(dòng)，從而形成全釜的循環(huán)流[42]。

(a) 雙螺帶槳 (b) 內(nèi)外螺帶槳 (c) 螺帶螺桿槳

3.2 螺帶、錨式槳的組合

為避免攪拌死區(qū)的形成，攪拌釜的底部大多會(huì)設(shè)計(jì)成橢圓封頭或錐形封頭。錨式槳的外部輪廓能夠較好地貼合攪拌釜的內(nèi)壁，而采用螺帶槳時(shí)，下封頭區(qū)域就不能得到充分的混合。如圖2 所示，可在螺帶槳下方安裝錨式槳以貼合封頭形狀。李薇等[43]曾采用變徑螺帶槳作為底槳，但發(fā)現(xiàn)其改善效果不如錨式槳作為底槳。

4 行星攪拌器

行星攪拌器是通過(guò)多個(gè)攪拌槳葉的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的混合。當(dāng)各行星槳采用小徑槳時(shí)，便是另一種對(duì)小徑槳運(yùn)行模式的優(yōu)化形式。行星槳的運(yùn)行可分為被動(dòng)自轉(zhuǎn)式和主動(dòng)自轉(zhuǎn)式。

4.1 被動(dòng)自轉(zhuǎn)式行星攪拌器

被動(dòng)自轉(zhuǎn)式行星攪拌器的公轉(zhuǎn)部分是由傳動(dòng)軸帶動(dòng)的，行星葉輪的自轉(zhuǎn)則是通過(guò)液體阻力實(shí)現(xiàn)的。陳明義[44]通過(guò)理論受力分析，得到理想條件下行星葉輪的自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為：n = (24R/r)0.5N，即自轉(zhuǎn)速度n 只與自轉(zhuǎn)半徑r、公轉(zhuǎn)半徑R 和公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速N 相關(guān)，但這一推導(dǎo)過(guò)程忽略了行星葉輪自轉(zhuǎn)過(guò)程中，葉輪輪轂處受到的摩擦阻力以及攪拌過(guò)程中周邊流型對(duì)其產(chǎn)生的影響。從結(jié)構(gòu)上判斷，被動(dòng)自轉(zhuǎn)式行星攪拌器更像是對(duì)錨式槳的改良[45]，通過(guò)行星葉輪的被動(dòng)自轉(zhuǎn)，使錨式槳以切向流為主的流型得到改善，徑向流得到加強(qiáng)。當(dāng)公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速過(guò)快時(shí)，釜內(nèi)流型會(huì)更趨近于以錨式槳的切向流為主流型，因而在低轉(zhuǎn)速條件下，其流型的改善效果及混合優(yōu)勢(shì)更為顯著。宋吉昌等[46]在公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為250r·min-1條件下發(fā)現(xiàn)，被動(dòng)自轉(zhuǎn)式行星攪拌器的混合效率是錨式槳的5 倍，是推進(jìn)式軸流槳的11 倍，在使物料達(dá)到相同雷諾數(shù)條件下的功耗，也要低于錨式槳和推進(jìn)式槳。

4.2 主動(dòng)自轉(zhuǎn)式行星攪拌器

通常意義上的行星攪拌器是指主動(dòng)自轉(zhuǎn)式，主要通過(guò)行星齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，對(duì)各槳葉的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)進(jìn)行控制[47]，使用凸緣齒輪也可實(shí)現(xiàn)對(duì)變轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)[48]。也有研究者將不同的行星軸設(shè)計(jì)成高速軸和中速軸，高速軸上的槳葉用于快速分解物料，中速軸上的槳葉用于促進(jìn)不同區(qū)域間物料的混合[49]。除了將小徑槳布置為行星攪拌器外，也可以將錨/框式槳、螺帶槳等大槳徑槳葉布置為行星攪拌器[50]。為避免大徑槳在自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)過(guò)程中相互碰撞，要特別設(shè)計(jì)好各槳葉的回轉(zhuǎn)路線(xiàn)。

5 自清潔攪拌器

一些中高黏的高分子物料在高溫下會(huì)發(fā)泡、膨化、流變固化，會(huì)在反應(yīng)釜內(nèi)結(jié)塊甚至結(jié)焦，既不利于物料的混合，也容易導(dǎo)致反應(yīng)器的傳熱受阻[51]。一般會(huì)在框式、螺帶式等大槳徑攪拌槳外側(cè)設(shè)置刮刀，以清除器壁上粘附的物料，但這種方式無(wú)法去除粘附在槳葉上的物料。自清潔攪拌器又稱(chēng)為表面更新型攪拌器，常用于高黏聚合物的脫揮等過(guò)程[52]。一般采用多軸并列的結(jié)構(gòu)，通過(guò)相鄰攪拌軸上槳葉之間，以及槳葉與器壁之間的相互作用實(shí)現(xiàn)自我清潔。

如圖3 所示，何其雙等人[53]提出的自清潔攪拌器專(zhuān)利，有2 組內(nèi)外軸共4 個(gè)攪拌器，其中內(nèi)攪拌器為小徑槳葉，外攪拌器為間斷的螺帶槳。相對(duì)應(yīng)的內(nèi)外攪拌軸之間存在速度差，這在加劇攪拌剪切作用的同時(shí)，也使得內(nèi)攪拌槳葉能夠刮除對(duì)應(yīng)的外攪拌槳葉內(nèi)側(cè)的黏著物料，內(nèi)攪拌槳葉又能刮除相鄰的外攪拌槳葉外壁上的黏著物料。此外，外攪拌槳葉在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能將物料送往設(shè)備中部，內(nèi)攪拌槳葉則可進(jìn)一步對(duì)物料進(jìn)行剪切和翻滾。如圖4 所示，唐小斗[54]在專(zhuān)利中提出的立式自清潔攪拌器，采用了2 個(gè)并列的螺旋軸，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中螺旋軸間存在錯(cuò)位剪切，可清除附著在對(duì)方軸上的物料，同時(shí)也能清除器壁上的黏著物料。每根螺旋軸的結(jié)構(gòu)與螺帶槳相似，但在螺帶槳上安裝刮板，只能清除器壁上的物料，無(wú)法清除攪拌槳自身附著的物料。

圖3 四軸自清潔攪拌器Fig. 3 Self-cleaning agitator with 4 axes

圖4 立式螺旋雙軸攪拌器Fig. 4 Vertical agitator with 2 helical axes

6 結(jié)語(yǔ)與展望

在中高黏體系的各類(lèi)化工反應(yīng)過(guò)程中，使物料混合均勻，是后續(xù)動(dòng)量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞乃至化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的關(guān)鍵。隨著反應(yīng)體系和物系的日趨復(fù)雜，單一小槳徑攪拌設(shè)備已不能滿(mǎn)足反應(yīng)需求。多層槳、柔性槳、往復(fù)槳等形式的優(yōu)化，能夠有效彌補(bǔ)單一小徑槳在中高黏物系中影響范圍較小的劣勢(shì)，實(shí)現(xiàn)剪切性能和循環(huán)性能的優(yōu)化。錨式槳的剪切性能較好而軸向循環(huán)性能弱，可通過(guò)布置小槳徑軸流槳作為內(nèi)槳，對(duì)中心區(qū)域的混合性能進(jìn)行改善，或在錨兩側(cè)布置被動(dòng)式行星葉輪以增強(qiáng)徑向擾動(dòng)。螺帶槳的剪切性能不如錨/框式槳，但其形成的軸向流較強(qiáng)，在中心區(qū)域布置小徑槳，或采用內(nèi)外螺帶槳、螺帶螺桿槳等組合形式，能夠形成較強(qiáng)的全釜軸向循環(huán)。行星攪拌器和自清潔攪拌器在高黏度體系中的優(yōu)勢(shì)顯著，是今后攪拌器研發(fā)的重點(diǎn)方向。