葉輪式攪拌器的研究進展-

1、葉輪式攪拌器的研究進展韓丹,李龍,程云山,徐峰(河海大學水利水電工程學院,江蘇南京210098摘要:介紹了葉輪式攪拌器的主要特點,分析了當前攪拌混合技術存在的問題,綜述了國內外攪拌混合設備的開發(fā)和改進情況以及激光多普勒測速儀測試技術、計算流體動力學技術等流場測量技術、智能化專家系統(tǒng)等優(yōu)化設計方法的新進展。關鍵詞:葉輪式攪拌器;攪拌設備;混合技術;綜述中圖分類號:TQ 05117+2文獻標識碼:A 文章編號:1000-1255(200501-0071-04攪拌混合設備是一種應用廣泛、品種繁多的流體機械產品,適用于化工、冶金、醫(yī)藥、食品和飼料等領域。攪拌操作是工業(yè)反應過程的重要環(huán)節(jié),它的原理涉及流

2、體力學、傳熱、傳質及化學反應等多種過程,而攪拌器是為了使攪拌介質獲得適宜的流動場而向其輸入機械能量的裝置。攪拌能量問題和流動場問題一直是攪拌過程所研究的主要課題。1葉輪式攪拌器的特點在對物料的攪拌操作中,人們希望實現(xiàn)多種攪拌目的,因此了解各種攪拌器的特點,選擇適宜的葉輪型式,設計出符合流動狀態(tài)特性的攪拌器是非常重要的。攪拌槽內的液體進行著三維流動,為了區(qū)分攪拌槳葉排液的流向特點,根據主要排液方向,按圓柱坐標把典型槳葉分成徑向流葉輪和軸向流葉輪1。齒片式葉輪、平葉槳式葉輪、直葉圓盤渦輪式葉輪和彎曲葉渦輪式葉輪在無擋板攪拌槽中除了使液體產生與葉輪一起回轉的周向流外,還形成強大有力的徑向流,故稱這些

3、葉輪為徑向流葉輪2。徑向流葉輪攪拌器旋轉時,物料由軸向吸入再徑向排出,葉輪功率消耗大,攪拌速度較快,剪切力強。在湍流狀態(tài)下,推進式葉輪除了產生周向流動外,還產生大量軸向流動,是典型的軸向流葉輪2。折葉圓盤渦輪式葉輪與直葉圓盤渦輪式葉輪、彎曲葉渦輪式葉輪相比,其軸向流成分較多,多用于軸向流的場合。螺帶式和螺桿式葉輪使高黏度物料產生軸向流動,也屬軸向流葉輪型式。軸向流葉輪攪拌器不存在分區(qū)循環(huán),單位功率產生的流量大,剪切速率小,且在槳葉附近較大范圍內分布均勻,具有較強的最大防脫流能力。2攪拌混合技術的新進展由于攪拌目的多樣性和混合反應的復雜性,當前,攪拌混合技術還存在著一些問題,例如:傳統(tǒng)軸向流葉輪

4、攪拌器攪拌效率低,功耗大,鑄造成本高,難以在大型攪拌裝置中放大運用;攪拌槽內液體的流動是三維高度不穩(wěn)定的湍流,脈動和隨機湍流給流速測量帶來了很大困難;在自動化選型和設計問題上,長期以來一直依靠領域專家根據經驗知識人工完成,智能化水平不高,導致設計周期較長,資金和人力物力耗費巨大等。攪拌混合技術的進展圍繞著2個中心展開,即一方面是開發(fā)新型、高效的混合設備;另一方面是快速、準確地選擇和設計攪拌混合設備。211新型攪拌混合設備的研制21111新型軸向流葉輪在通常情況下,大量的攪拌設備用于低黏度物系的混合和固-液懸浮操作,葉輪以低能耗提供高軸向循環(huán)流量。由于傳統(tǒng)的推進式葉輪葉片為復雜的立體曲面,雖能滿

5、足要求,但制造卻很收稿日期:2004-05-12;修訂日期:2004-09-05。作者簡介:韓丹(1979,女,碩士研究生?；痦椖?河海大學科技基金資助項目(2002409543。專論綜述合成橡膠工業(yè),2005-01-15,28(1:7174CHINA SYN THETIC RUBBER INDUSTR Y困難,亦不易大型化,因此競相開發(fā)高效節(jié)能、造價低廉且易于大型化的第二代高效軸流攪拌器成為混合設備公司的目標。最近十幾年來,國內外研究者在軸流槳的開發(fā)研制上做了很多工作。美國Lightnin公司開發(fā)了A310和A315葉輪系列3。A310葉輪的葉片由鋼板按一定規(guī)律彎曲制成,不必使用銑或精密澆

6、注等成型工藝,且葉片用螺栓固定在輪轂上,易于裝配成較大型的葉輪。A315葉輪適用于氣-液體系的混合,因為它的葉片傾角不大,大面積的葉片阻止氣體從葉輪穿過,延長了氣液接觸時間。加拿大Rprchem公司將研制的Maxflo軸流槳應用于生化領域4。在800L罐曲霉酶的培養(yǎng)下,使用該軸流槳比傳統(tǒng)圓盤渦輪槳傳質系數(shù)提高40%,功耗降低50%,相應機械攪拌發(fā)酵罐容量可達400m3。據報道,這些攪拌槳都是通過激光多普勒測速儀(LDV測量結果和計算流體動力學(CFD數(shù)值模擬相結合開發(fā)研制的,并且這些軸流槳已經廣泛地投入生產,使攪拌反應的剪切變化均勻,功率因素小,在實際生產中有非常好的應用前景。國內如北京化工大

7、學和華東理工大學等也分別開發(fā)了CB Y 型軸流槳和翼型槳。沈惠平等研制開發(fā)了一種新型高效易于加工的軸流式攪拌葉輪5。21112新型寬黏度域攪拌葉輪傳統(tǒng)上,攪拌葉輪也可按適用范圍分為適用于低黏度流體的和適用于高黏度流體的。然而在很多聚合反應中,起初物料是低黏度流體,隨反應的進行,黏度越來越高,變成了高黏度物流,因此開發(fā)適用黏度范圍很寬的攪拌葉輪也是改進攪拌混合技術的重點。日本住友重機、三菱重工等公司開發(fā)了最大葉片式、泛能式和葉片組合式等攪拌槳2。它們都有一個共同的特點,即葉輪在攪拌槽縱剖面上的投影面積占槽縱剖面面積的很大比例,大葉片不僅使槽壁的局部傳熱膜系數(shù)較均勻,也提高了傳熱膜系數(shù)。21113

8、其他新型攪拌混合設備近年來歐洲和日本開發(fā)了很多種適用于高黏物系和超高黏物系的臥式自清潔攪拌設備。臥式雙軸全相型攪拌機就是典型的一例2,它的左邊一根是主攪拌軸,另一根為清潔軸,清潔軸以主攪拌軸的4倍轉速進行旋轉,通過2根軸上的元件相互嚙合,使攪拌器具有自清潔功能。荷蘭的Twente大學基于聲學和空洞作用的基本原理,將超聲波技術應用于清洗紡織品,研制了一種實用機械裝置6。另外,北京燕山石油化工有限公司設計院針對在大直徑、低轉速和介質較黏稠的場合,設計了一種復合式攪拌器,很好地解決了無法配備大功率的電機,及制造、檢修以及安裝的困難等問題7。212流場測量技術的新進展攪拌混合技術的核心任務是要了解對于

9、某類混合需要怎樣的流場,使用怎樣的葉輪以及用怎樣的操作方式以最小的能耗獲得適宜的流場,從而達到預期的混合效果。評價一種新型攪拌混合設備的混合效果時,可以使用很多測試手段測量攪拌能耗、傳熱能力、混合速率和混合效率等,但最基本的評價手段在于測量攪拌混合設備內的流場。21211LDV和粒子圖像測速技術(PIV20世紀80年代以來,國內外開始運用LDV 來測量攪拌槽內流場,它是一種較為有效的流場測量手段。利用LDV測量技術,可以準確獲取攪拌槽中豐富的信息,如時均速度場、湍流強度場、雷諾應力場和剪切速率場,并可進一步計算得到宏觀特征參數(shù)8。LDV是在一段時間內某一測點處進行測量,因此所測速度是時均定量值

10、,通過對攪拌槽中每一點的測量可以得到整個流場。然而LDV僅僅提供了一些重要參數(shù),而不能從本質上認識混合與流動,無法改變目前依靠經驗來放大的現(xiàn)狀,并且LDV是一種光學儀器,它只能在光學透明容器內進行測量,液體內不能有高濃度的氣泡和懸浮固體。LDV是典型的單點測量儀器,即使使用微機自控的激光測速儀,每次也只能測量一點,然而要獲得一個攪拌混合設備的流場信息,就需要測量幾十到幾百個點,由于這些測量不能同時進行,因此LDV不能用于研究非穩(wěn)態(tài)流動。近年來,在激光測速技術上有所改進,研制出光纖激光流速儀。為了研究時變流動,采用更先進的PIV,可在瞬時得到整個流場分布。PIV本質上是圖像測速技術中的一種,它將

11、攝像機與圖像處理技術相結合,其原理是狹縫激光束照射攪拌槽,用2個脈沖激發(fā)光源,得到粒子場的2次曝光圖像,接著從曝光時間內粒子的位移計算出速度場8。PIV能夠測量瞬時速度場,描繪整個速度場上的全部速度矢量,從而解析出一個剖面的流場信息。27合成橡膠工業(yè)第28卷21212計算流體動力學(CFD技術數(shù)值模擬與理論分析及實驗研究相輔相成,逐漸成為研究流體流動的重要手段,形成了新的學科CFD。CFD技術具有初步性能預測、內部流動預測、數(shù)值試驗和流動診斷等作用。因此,采用CFD模擬和預測不同幾何尺寸、操作條件的攪拌槽中詳細的流體流動及混合特性,是流體混合技術的發(fā)展趨勢。CFD技術是研制攪拌混合機械必不可少

12、的工具和手段,它使設計者以最快、最經濟的途徑,從流體流動機理出發(fā),尋求提高攪拌葉輪性能的設計思想和設計方案。在國外,荷蘭Delft技術大學對攪拌槽內固體乳濁液進行了數(shù)值模擬試驗研究9。近幾年,浙江大學、北京化工大學和華東理工大學等對攪拌槽LDV流場測量和CFD模擬領域進行了大量相關的研究1012。21213電子過程斷層成像技術(EPTEPT發(fā)源于歐洲,20世紀80年代后期,英國Umist大學開發(fā)了EPT,包括電阻斷層成像系統(tǒng)(ER T、電容斷層成像系統(tǒng)(ECT和電磁斷層成像系統(tǒng)(EM T3類。在被測攪拌槽或管道外壁等距離貼附1組816只傳感器1周,此傳感器為長方形不銹鋼電極片,既是發(fā)射器又是接

13、收器。攪拌槽或管道內存在2種具有不同電性能(電導率、電容率等的物料(液-液體系、氣-固體系、液-固體系,然后在有規(guī)律的電脈沖作用下,所有可能的相鄰傳感器組合的電壓通過數(shù)據采集單元傳送回計算機。計算機將記錄所有電極的信號和先后次序,并采用圖像重建技術還原出槽或管道橫截面的圖像,可獲得高達100幀/s的圖像。如果采用多組傳感器對不同高度進行斷層成像,則可在圖像重建技術的輔助下,建立攪拌槽或管道的三維圖像和實體造型3。EPT是多相流體系的非接觸式的實時檢測和可視化技術,可以測量不透明介質的流場。由于EPT可以準確地測量出攪拌反應器中的流動區(qū)域、速度場、氣體和固體組分濃度分布,而這些數(shù)據可用于從空間和

14、時間兩方面驗證多相體系的混合模型和CFD模型,因此EPT技術可直接用于優(yōu)化攪拌器的設計和操作。213智能化專家系統(tǒng)目前,攪拌混合設備與自動控制技術的結合已經成為一個新的課題。根據混合專家的經驗和常識,在混合設備選型和設計中運用人工智能技術和基于知識的系統(tǒng),實現(xiàn)了混合設備選型和設計的智能化。攪拌設備設計專家系統(tǒng)從攪拌葉輪的選型、過程設計、機械設計和經濟分析評價,到最終機械繪圖的全過程都給出了智能化的計算機輔助設計。它采用總設計任務控制各階段設計分任務,分任務調度相應的設計知識和數(shù)據,實現(xiàn)混合設備的專家系統(tǒng)設計的組織方法13。通過仔細的分析、歸屬,用智能化設計系統(tǒng)原型階段性地實現(xiàn)混合設備的設計過程

15、,可以將其表示為一系列的設計過程的鏈式序列。各階段相對獨立又相互連續(xù),其中每一個設計階段都將設計結構傳遞給后繼設計過程3。該系統(tǒng)可應用于牛頓流體和非牛頓流體,液-液體系、固-液體系和氣-液體系,并且可以處理容積超過上百立方米的應用體系。20世紀90年代以來,有關攪拌設備選型和設計的專家系統(tǒng)在國外有少量報道。如1994年美國Chemineer公司開發(fā)了1個用于渦輪式攪拌設備設計的知識庫軟件AgDesign,據稱該公司研制的頂伸入攪拌器的90%設備均已用此軟件進行設計14。美國的Massachusetts大學化學工程系研究了一套系統(tǒng)程序15,它可以把攪拌器內的液相展開公式化,該程序分為3個部分:合

16、成、模擬、比例放大。芬蘭的Lappeenranta工業(yè)大學在1994年發(fā)表了有關混合設備初步設計的知識庫系統(tǒng)的論文16。在國內,浙江大學也正與大型石化企業(yè)合作開發(fā)攪拌槽式反應器的智能化輔助選型和設計軟件17。3結束語傳統(tǒng)的攪拌混合設備是各種化工反應所不可或缺的重要工具,它們在化學工業(yè)中擔當著非常重要的角色。隨著化學工業(yè)的不斷發(fā)展,對于攪拌混合技術的要求也變得越來越高,改進和研制攪拌混合設備勢在必行。同時運用LDV,PIV, CFD等先進測量技術,深入分析攪拌反應器內的流體流動機理和微觀混合,安全和優(yōu)化設計,提高過程效率性能和降低失敗風險,并最終提高反應產率。這些新的測量和模擬技術的應用必將推動

17、著混合技術向一個更新的階段發(fā)展。參考文獻:1陳乙崇主編1攪拌設備設計M1上海:上?？茖W技術出版社,1985111212王凱,馮連芳著1混合設備設計M1北京:機械工業(yè)出版社, 200014737第1期韓丹等1葉輪式攪拌器的研究進展3馮連芳,王嘉駿,王凱,等1流體混合技術新進展J1化學工程,2002,30(2:70744胡長鷹1軸流式生化攪拌器的研制進展J1食品與機械, 2001,85(5:33345沈惠平,張鎖龍,張國忠,等1一種新型軸流式攪拌器的研究與開發(fā)J1中國機械工程,2000,11(5:5025056Moholkar V S,Warmoeskerken M M C G,Ohl C D,e

18、t al1 Mechanism of mass2transfer enhancement in textiles by ultra2 soundJ1AIChE J,2004,50(1:58647胡躍華1復合式攪拌器設計與探索J1石化技術,2002,9(1:43458王嘉駿,馮連芳,王凱,等1LDV和CFD在流體混合中的應用進展J1化學工程,2001,29(4:62659Derksen J J1Numerical simulation of solids suspension in a stirred tankJ1AIChE J,2003,49(11:2700271410毛德明,馮連芳,許國軍,

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20、Development of liquid2phase agitated re2 actorsJ1AIChE J,1999,45(11:2371239116K oirnen T,Kraslawski A,Nystrom L1Knowledge2based system for the preliminary design of mixing equipmentJ1Ind Engng Chem Res,1995,34(12:3059306717王嘉駿,馮連芳,顧雪萍,等1層次分析法在攪拌器選型中的應用J1計算機與應用化學,1999,16(3:207R esearch development of

21、 impeller stirrerHan Dan,Li Long,Cheng Yunshan,Xu Feng(College of W ater Conservancy and Hydropower Engi neeri ng,Hehai U niversity,N anji ng210098,Chi naAbstract:The specialty of the impeller stirrer was described and problems in stirring and mixing technology in present studies were analyzed1The exploitation and amelioration of stirring and mixing equipment in China and abroad were intro2 duced1New development of fluid field measure technology on laser Doppler velocimetry,computa2tional fluid dynamics,design and optimization methods such as intell