攪拌技術(shù)進(jìn)展

攪拌技術(shù)進(jìn)展

DevelopmentofMixingTechnology

HPN項(xiàng)目組丁起2010.9目錄1、概述2、攪拌器的混合機(jī)理3、強(qiáng)化攪拌性能的措施4、攪拌功率5、攪拌器的放大6、攪拌技術(shù)的發(fā)展1、概述攪拌的目的：加快互溶液體的混合；使一種液體以液滴形式均勻分散于另一種不互溶的液體中；使氣體以氣泡的形式分散于液體中；使固體顆粒在液體中懸??；加強(qiáng)冷、熱液體之間的混合以及強(qiáng)化液體與器壁的傳熱。1、概述旋槳式攪拌器

轉(zhuǎn)速較高，適用于低粘度（<10Pa·s)渦輪式攪拌器 轉(zhuǎn)速較高，適用于低粘度或中等粘度（<50Pa·s)大葉片低轉(zhuǎn)速攪拌器轉(zhuǎn)速低、大葉片、粘度高1.1攪拌器的類型1、概述1.1攪拌器的類型旋槳式（圓彎葉）槳式（平直葉）渦輪式（開啟平直葉）渦輪式（開啟彎葉）旋槳式（直折葉）1、概述1.1攪拌器的類型渦輪式（圓盤渦輪式）錨式框式螺帶式1、概述1.2混合效果的度量調(diào)勻度（對均相物系）

分隔尺度（對非均相物系）對于多相分散體系，分隔尺度（如氣泡、液滴和固體顆粒的大小與直徑分布）是攪拌操作的重要指標(biāo)。

宏觀混合與微觀混合

2、攪拌器的混合機(jī)理攪拌器的功能★釜內(nèi)的總體流動與大尺度的混合★強(qiáng)剪切或高度湍動與小尺度的混合混合機(jī)理★低粘度液體的混合（均相）★高粘度及非牛頓液體的混合（均相）★液滴或氣泡的分散（非均相）★固體顆粒的分散（非均相）3、強(qiáng)化攪拌性能的措施提高攪拌器的轉(zhuǎn)速★壓頭H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比阻止容器內(nèi)液體圓周運(yùn)動★加裝擋板★破壞循環(huán)回路對稱性（偏心安裝）加設(shè)導(dǎo)流筒合適的槳葉形式4、攪拌功率混合效果與功率消耗對于低粘度液體，與泵不同，攪拌器的設(shè)計(jì)不是提高效率減少功率消耗，而是增加攪拌器的功率。能量的有效利用：★控制因素是快速的均布，則應(yīng)將攪拌用于增大輸送量；★控制因素是高的破碎度，則攪拌輸入能量應(yīng)主要用于增大湍動；功率曲線★幾何因素（槳葉直徑，葉片數(shù)，形狀，葉片長度，寬度，容器直徑，液體高度，擋板數(shù)目與寬度，攪拌槳距底部距離等）★物理因素（液體粘度，密度，轉(zhuǎn)速，重力等）4、攪拌功率攪拌功率的分配在等功率條件下，加大直徑降低轉(zhuǎn)速，更多功率消耗于總體流動，有利于大尺度上的調(diào)節(jié)；減小直徑提高轉(zhuǎn)速，則更多功率消耗于湍動，有利于微觀混合。為達(dá)功率消耗小，而混合效果好，必須根據(jù)混合要求正確地選擇攪拌器的直徑、轉(zhuǎn)速，否則浪費(fèi)功率。4、攪拌功率攪拌器的混合特性在評價攪拌器的混合性能時，常常采用混合效率數(shù)來比較混合效率的高低，表示流體在一定的流體粘度和混合時間下，攪拌器所需的單位體積混合能，越小，混合效率越高。

5、攪拌器的放大

很難建立攪拌效果與攪拌器幾何尺寸及轉(zhuǎn)速之間的定量關(guān)系供設(shè)計(jì)之用，只能通過模型試驗(yàn)來解決放大問題。（1）按照原始設(shè)備尺寸比例設(shè)計(jì)冷模設(shè)備攪拌釜；（2）設(shè)計(jì)并定制各種形式的攪拌攪拌槳；（3）測定各攪拌槳在不同n、H、μ下的攪拌混合效果（NP

、Cr）；（4）綜合比較，獲得最佳的實(shí)驗(yàn)操作條件（轉(zhuǎn)速）與攪拌器類型；（5）按一定準(zhǔn)則放大為幾何相似的生產(chǎn)裝置，確定其尺寸、轉(zhuǎn)速與功率。A、保持?jǐn)嚢枥字Z數(shù)不變：B、保持單位體積能耗不變：C、保持葉片端部切向速度nd不變：D、保持流量與壓頭比值不變：6、攪拌技術(shù)的發(fā)展6.1新型攪拌與混合設(shè)備的開發(fā)

在很多情況下，攪拌設(shè)備是作為一種輔助設(shè)備使用的，其操作條件比較簡單，攪拌的目的多是以混合和固－液懸浮為主，其攪拌器常用軸流式攪拌器或開啟渦輪。這些通用的攪拌設(shè)備占據(jù)了攪拌設(shè)備公司銷售額的大部分，因此，很對公司便集中力量在此領(lǐng)域開發(fā)新產(chǎn)品，即從提高混合和固－液懸浮效率著手致力于開發(fā)以較小能耗獲得較大排量的軸流式攪拌器?；旌显O(shè)備公司美國萊寧（Lightnin）公司、Chemineer公司德國EKATO公司法國Robin公司6、攪拌技術(shù)的發(fā)展6.1.新型軸向流攪拌器(a)A310(b)A315(C)A320(d)A6000萊寧公司的系列攪拌器EKATO公司的INTERPRO攪拌器ROBIN公司的HPM攪拌器ZCX攪拌器KSX攪拌器浙江長城減速機(jī)有限公司浙江長城減速機(jī)有限公司新型軸向流攪拌器6.1.新型軸向流攪拌器6、攪拌技術(shù)的發(fā)展A310攪拌器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注等成型工藝，且三枚葉片用螺栓固定在輪轂上，比較容易大型化。當(dāng)用于固液懸浮操作時，達(dá)到同樣懸浮效果，A310葉輪比傳統(tǒng)使用的45°折葉渦輪節(jié)能50%。A320的葉片面積率遠(yuǎn)大于A310主要適用于攪拌中等粘度的液體。A315的葉片面積率更大，其大面積的葉片也能與圓盤渦輪攪拌器中的圓盤一樣，起阻止氣體從葉輪穿過，延長氣－液接觸時間的作用，適用于氣－液體系的攪拌。A315攪拌器經(jīng)常用于幾十至數(shù)百立方的大型發(fā)酵反應(yīng)器。A6000攪拌器的葉片像飛機(jī)的機(jī)翼，全部由曲線構(gòu)成，它用玻璃纖維復(fù)合材料加工制造，在同樣的功耗下，A6000比A310能多產(chǎn)生30％的排量。

6、攪拌技術(shù)的發(fā)展Rushton渦輪CD-6攪拌器BT-6攪拌器ICI攪拌器（USP5198156）6.2新型徑向流攪拌器6.2新型徑向流攪拌器6、攪拌技術(shù)的發(fā)展6.3新型混合設(shè)備A靜態(tài)混合器特點(diǎn)：沒有運(yùn)動部件，維修方便，操作易連續(xù)化，操作費(fèi)用低。當(dāng)流體逐次流過每個軟件時，被分割成越來越薄的薄片，數(shù)量按元件數(shù)的冪次方增加，由于流體在混合器中擾動強(qiáng)烈，所以壁面給熱系數(shù)很大壓降是靜態(tài)混合器的一項(xiàng)重要指標(biāo)6、新型混合設(shè)6、攪拌技術(shù)的發(fā)展B管道混合器

多用于攪拌低粘度液體，管路攪拌器的體積小，功率小，但單位流體所得攪拌功率較大，以致物料加入能量較小，停留時間又短情況下容易得到均勻混合的產(chǎn)品，設(shè)備費(fèi)與操作費(fèi)均較低。C射流混合器

射流由噴嘴射出，在緊靠噴嘴的一個相當(dāng)短的區(qū)域，造成很大的速度梯度，形成旋渦。6、攪拌技術(shù)的發(fā)展6.4組合式攪拌器的應(yīng)用

新型寬粘度域攪拌器在一個攪拌容器內(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。組合式攪拌器可減少混合時間，大量節(jié)省能耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量。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，含有大量固體粉末，混合要求較高，常在一個容器內(nèi)設(shè)有齒片式、錨式和螺桿式三個不同轉(zhuǎn)速攪拌軸。

(a)最大葉片式(b)泛能式(c)葉片組合式6、攪拌技術(shù)的發(fā)展一類是用于低粘流體的槳式、渦輪式攪拌器等，另一類是用于高粘流體的螺帶、框式等攪拌器。但是，在許多反應(yīng)過程中，比如聚合反應(yīng)過程，開始時物料的粘度很低，隨著反應(yīng)的進(jìn)行粘度越來越大。在這種情況下，攪拌器的選用就會發(fā)生問題。對于這種工況，可以采用組合式攪拌裝置，即中心設(shè)置適用低粘流體的攪拌器，再增加適用高粘流體的大直徑框式攪拌器。粘度低時啟動中心攪拌裝置，停止框式攪拌器，使其作為擋板使用；粘度增大后，同時啟用兩套裝置，共同作用。但是，組合式攪拌裝置的傳動機(jī)構(gòu)一般比較復(fù)雜。板框－渦輪組合式攪拌設(shè)備高粘度流體混合設(shè)備另外，近年來歐洲和日本還開發(fā)了很多種適用于高粘和超高粘物系的臥式自清潔攪拌設(shè)備。瑞士臥式雙軸全相(AllPhase)型攪拌機(jī)。其左邊一根是主攪拌軸，另一根為清潔軸，清潔軸以四倍于主攪拌軸的轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，通過二根軸上的元件相互嚙合，使攪拌器具有自清潔功能。攪拌軸和盤片中間是空的，能通人傳熱介質(zhì)，加上央套的傳熱面積，使其具有很高傳熱能力。瑞士List公司全相型自清潔反應(yīng)器6、攪拌技術(shù)的發(fā)展6.5改變攪拌器傳動方式→實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能★回轉(zhuǎn)兼上下往復(fù)運(yùn)動的攪拌器

回轉(zhuǎn)兼上下往復(fù)槳葉端部的運(yùn)動路線6、攪拌技術(shù)的發(fā)展★雙軸異槳復(fù)動式攪拌設(shè)備

傳統(tǒng)攪拌設(shè)備中，攪拌器的旋轉(zhuǎn)是固定在一根軸上，只能是一種轉(zhuǎn)速。研究開發(fā)的雙軸異槳復(fù)動式攪拌設(shè)備，由低速的大循環(huán)量攪拌器和高速高剪切的齒盤式攪拌器組成，雙攪拌器繞各自的軸相反方向旋轉(zhuǎn)的同時，由液壓活塞帶動下作上下往復(fù)運(yùn)動，該攪拌設(shè)備處理的物料粘度可達(dá)50Pa·S，含固量達(dá)70%，混合效果好節(jié)省能耗20%以上，已應(yīng)用在涂料、壁紙、油墨、橡膠等行業(yè)。6、攪拌技術(shù)的發(fā)展6.6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)。對于干擾因素多的攪拌反應(yīng)器，應(yīng)用傳感器測控，對反應(yīng)過程進(jìn)行預(yù)測圖控制和模糊控制，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)、真空等過程相聯(lián)系。對特定的工藝，可以把幾個功能集中在一起，在同一個攪拌設(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。1—框式攪拌器2—渦輪式攪拌器3—刮板圖6、攪拌技術(shù)的發(fā)展

6.7流場的測試技術(shù)與計(jì)算流體力學(xué)

激光多普勒測速技術(shù)（LDV）

激光多普勒測速是通過測量流體中示蹤粒子運(yùn)動速度反映流體自身運(yùn)動速度的點(diǎn)測量儀器利用LDV測量技術(shù)可以準(zhǔn)確獲取攪拌流動場的豐富信息，如時均速度場、湍流強(qiáng)度場、雷諾應(yīng)力場、剪切速率場，并可進(jìn)一步計(jì)算得到宏觀特征參數(shù)如排量和功耗等。近幾年，LDV還被用于測量多層槳的攪拌特性，如排量和循環(huán)流量。因?yàn)樵趩螌訕獥l件下所采用的測量排量的粒子跟蹤法在多層槳條件下是不適用的。LDV測量是在某一測點(diǎn)處一段時間內(nèi)進(jìn)行的，所測是流場中點(diǎn)單元在采樣時間內(nèi)的平均速度，對瞬時速度的響應(yīng)不是很敏感，一般只能應(yīng)用于穩(wěn)態(tài)流場或周期性變化流場，并且必須逐點(diǎn)測量流場中各點(diǎn)速度才可得到整個流場，工作量非常大。LDV測速原理示意圖粒子成像測速技術(shù)（PIV）為了研究時變流場，可以采用粒子成像測速儀(PIV)。PIV基本原理是激光束經(jīng)光學(xué)調(diào)制成片光源，入射添加了示蹤粒子的流場，用兩個脈沖激發(fā)光源，得到粒子場的兩次曝光圖像，從曝光時間內(nèi)粒子的位移可以計(jì)算出速度場。PIV技術(shù)是伴隨圖像獲取和處理技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展形成的，一般圖像分析采用自相關(guān)或互相關(guān)方法，得到的流場是片光源照射下的二維流場；如果要得到三維流場，可以采用兩個同步相機(jī)或全息攝影技術(shù)。PIV測速原理示意圖6、攪拌技術(shù)的發(fā)展

6.7流場的測試技術(shù)與計(jì)算流體力學(xué)

6、攪拌技術(shù)的發(fā)展

6.7流場的測試技術(shù)與計(jì)算流體力學(xué)電子過程斷層成像技術(shù)（EPT）LDV、PIV是都屬于光學(xué)儀器，只能在光學(xué)透明容器內(nèi)進(jìn)行測量，液體內(nèi)不能有高濃度的氣泡和懸浮固體。EPT可以測量不透明介質(zhì)的流場，是一種用于多相流體系的非接觸式的實(shí)時檢測和可視化技術(shù)。EPT技術(shù)已經(jīng)用于復(fù)雜的氣液兩相攪拌混合問題，可以獲取攪拌槽內(nèi)載氣分布的三維圖像，直觀了解混合流型如何影響傳質(zhì)和反應(yīng)性能；還被用于固液懸浮體系的研究，獲得固體在攪拌槽內(nèi)的濃度分布。配置16只傳感器的EPT系統(tǒng)6、攪拌技術(shù)的發(fā)展

6.7流場的測試技術(shù)與計(jì)算流體力學(xué)計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)

CFD技術(shù)對攪拌過程的研究已經(jīng)相當(dāng)深入和細(xì)致，氣液、固液、液液混合，混合時間，化學(xué)反應(yīng)等的CFD模擬工作已經(jīng)相當(dāng)豐富。眾所周知，對攪拌混合這種較經(jīng)典的單元操作過程的研究尚未形成完整的理論體系，主要還是依靠一些經(jīng)驗(yàn)的手段。實(shí)踐證明，按經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化的攪拌器有許多實(shí)際上顯然不是處于最佳狀態(tài)。隨著新產(chǎn)品及新技術(shù)的不斷開發(fā)，對過程中流體的混合、傳熱及傳質(zhì)提出了更高的要求。CFD技術(shù)可使用戶直觀地了解攪拌槽內(nèi)的混合情況，幫助用戶確定已存在系統(tǒng)中的問題，指導(dǎo)用戶進(jìn)行攪拌器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，消除死區(qū)，確定加料口位置等。CFD技術(shù)還被各攪拌設(shè)備公司用來進(jìn)行新型攪拌器的開發(fā)。雖然CFD技術(shù)得到了很大推廣和發(fā)展，但是它也面臨許多困難。CFD主要是基于Navier-Stokes傳遞方程和湍流模型，Navier-Stokes方程在使用中作了大量假定，而湍流模型大都忽略了漩渦、強(qiáng)渦流區(qū)等實(shí)際物理過程。但實(shí)際過程中攪拌反應(yīng)器復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)、流體非牛頓性、粘彈性和各向異性、氣體和固體等多相體系、多級化學(xué)反應(yīng)等，使CFD模擬十分困難。6、攪拌技術(shù)的發(fā)展

6.8攪拌設(shè)備選型與專家系統(tǒng)

由于混合設(shè)備設(shè)計(jì)大多依靠專家的經(jīng)驗(yàn)和常識，將人工智能技術(shù)（AI）和基于知識的系統(tǒng)（KBS）應(yīng)用于混合設(shè)備選型和設(shè)計(jì)，是通常的處理手段。據(jù)推測大多數(shù)專業(yè)混合設(shè)備公司已經(jīng)開發(fā)了相應(yīng)的設(shè)計(jì)軟件。CHEMINEER公司報(bào)道了該公司的用于渦輪式攪拌設(shè)備設(shè)計(jì)的知識庫軟件AgDesign，據(jù)稱該公司90％頂入式攪拌設(shè)備均用此軟件設(shè)計(jì)。芬蘭Lappeenranta工業(yè)大學(xué)在1994年發(fā)表了有關(guān)混合設(shè)備初步設(shè)計(jì)的知識庫系統(tǒng)的論文。在國內(nèi)，浙江大學(xué)也與大型石化企業(yè)合作開發(fā)了攪拌槽式反應(yīng)器的智能化輔助選型和設(shè)計(jì)軟件。6、攪拌技術(shù)的發(fā)展6.9現(xiàn)狀★攪拌反應(yīng)器是化學(xué)工程和生物工程中最常見也是最重要的單元設(shè)備之一?！锬壳埃磻?yīng)器的選型和內(nèi)構(gòu)件的設(shè)計(jì)還強(qiáng)烈地依賴于實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)，對放大規(guī)律還缺乏深入的認(rèn)識，對于能耗和生產(chǎn)成本只能在一定規(guī)模的生產(chǎn)裝置上對比后才能得出結(jié)論?！镉捎趯Ξa(chǎn)品的回收率和質(zhì)量要求越來越高，對攪拌反應(yīng)器的研究日趨深入。早期：對攪拌功率和混合時間的研究；八十年代：對反應(yīng)釜內(nèi)的流體速度場分布的研究；九十年代：攪拌釜內(nèi)三維流場的數(shù)值模擬研究?！锪鲌鰯?shù)值模擬必須在深入進(jìn)行流體力學(xué)研究（CFD）的基礎(chǔ)上，綜合考慮其流動的三維性、隨機(jī)性、非線性和邊界條件不確定性。通過數(shù)值模擬不但可以解決反應(yīng)器的放大機(jī)理，而且可以優(yōu)化設(shè)計(jì)開發(fā)新型高效攪拌器，使機(jī)械攪拌反應(yīng)器的設(shè)計(jì)理論更加完善?！镉捎趹?yīng)用體系的多樣性和物料流變特性的復(fù)雜性，長期以來流體混合都是通過實(shí)驗(yàn)方法研究攪拌功率等宏觀量。準(zhǔn)確地描述和模擬均相、非均相混合過程以及復(fù)雜的混合與反應(yīng)耦合的過程，為混合設(shè)備的設(shè)計(jì)優(yōu)化和放大提供理論指導(dǎo)，是混合技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。新的測量和模擬技術(shù)的應(yīng)用使混合技術(shù)進(jìn)入了新的發(fā)展階段，這將直接有助于設(shè)計(jì)更加安全和優(yōu)化的過程設(shè)備，提高過程效率和降低失敗風(fēng)險，并最終提高反應(yīng)產(chǎn)率。新型攪拌器的開發(fā)和混合設(shè)備的智能化輔助設(shè)計(jì)，將促進(jìn)流體混合技術(shù)在工業(yè)中應(yīng)用的高效性和方便性。電磁攪拌器(EMS)電磁攪拌器是由