搅拌器选型

工业搅拌与混合技术进展

虞培清，周国忠

（浙江长城减速机有限公司，温州325028）

摘要：工业搅拌与混合技术在近些年来取得了很大的发展，本文综述了这方面的进展情况。重点

对新型搅拌与混合设备的开发、流场测试与计算流体力学以及搅拌设备选型与设计软件四个方面

进行了综述与评价，并就国内的研究现状进行了简单概述。

关键词：搅拌，混合，搅拌器，流场测速，计算流体力学（CFD），专家系统

搅拌与混合是化学、制药、食品、环保等工业中最常见的关键单元操作之一。比如，一个合成纤维厂中，作为核心设备的聚合反应器仅两台，而与之配套的配料槽、溶解槽、稀释槽、缓冲槽等辅助搅拌设备则多达30台。在高分子材料生产中，作为核心设备的聚合反应器85％是搅拌设备。在制药发酵生产过程中，从种子培养到关键的发酵过程，几乎全部是搅拌设备。

鉴于搅拌设备的广泛应用，随着近年来工业技术的发展，流体混合技术在上世纪60到80年代期间得到了迅猛发展,其重点主要是对于常规搅拌桨在低粘和高粘非牛顿均相体系、固液悬浮和气液分散等非均相体系中的搅拌功耗、混合时间等宏观量进行实验研究。长期以来,虽然有大量设计经验和关联式可用于分析和预测混合体系,但将搅拌反应器从实验室规模直接放大到工业规模,仍是十分危险的,至今仍然需要通过逐级放大来达到搅拌设备所要求的传质、传热和混合。这种方法不但耗费巨额的资金和大量的人力物力,而且设计周期很长。据统计，在工业高度发达的美国，化学工业由于搅拌反应器设计不合理所造成的损失每年约为10—100亿美元。

因此，从更微观更本质的角度,例如采用先进的测试手段和建立合理的数学模型,获取搅拌槽中的速度场、温度场和浓度场,不仅对开发新型搅拌设备，而且对搅拌设备的优化设计具有十分重要的经济意义,对放大和混合的基础研究具有现实的理论意义。近些年来,工业搅拌与混合设备的一些新进展主要集中在以下几个方面。

1.新型搅拌与混合设备的开发

在很多情况下，搅拌设备是作为一种辅助设备使用的，其操作条件比较简单，搅拌的目的多是以混合和固－液悬浮为主，其搅拌器常用轴流式搅拌器或开启涡轮。这些通用的搅

拌设备占据了搅拌设备公司销售额的大部分，因此，很对公司便集中力量在此领域开发新产品，即从提高混合和固－液悬浮效率着手致力于开发以较小能耗获得较大排量的轴流式搅拌器，典型的是世界最大的混合设备公司－莱宁（LIGHTNIN）公司。该公司从80年代以来，开发了一系列新型轴流式搅拌器，引领着搅拌技术的发展方向。

在发酵等涉及气液两相过程中，广泛应用着用于气体分散的圆盘涡轮类搅拌器。从80年代开始，对这类搅拌器的研究随着测试手段与计算流体力学的发展逐步深入。各公司与研究单位也推出了许多功耗更低，气体分散效果更好的搅拌器。

在高分子工业中，研究开发高效的聚合反应器对搅拌设备的发展产生了强大的推动力。对于聚合反应器来说，不仅需要良好的混合性能，还需要对物料提供足够大的剪切，同时为了及时撤除反应热，还需要搅拌槽具有尽可能高的传热能力。轴流式搅拌器往往不能满足这种多方面的要求。一些大型的、包括石化部门的企业集团，如日本的住友重机、三菱重工等便从开发新型、高效聚合反应器的角度，发明了如最大叶片式、泛能式、叶片组合式搅拌器。这些搅拌器从综合性能看，它较平衡地考虑了混合、剪切、传热以及对液体粘度的适应性。

1.1新型轴向流搅拌器

大量的搅拌设备用于低粘物系的混合和固液悬浮操作,需要叶轮能以低的能耗提供高的轴向循环流量。传统的船舶推进式叶轮能满足这个要求，但其叶片为复杂的立体曲面，制造困难,且较难大型化。

近20多年间，许多混合设备公司竞相开发节能高效、造价低廉且易于大型化的轴向流搅拌器。其中最著名的有莱宁公司开发A310，A315，A320，A6000等搅拌器，如图1所示。这些新型的轴向流搅拌器有一个共同的特点，叶片的倾角和和叶片的宽度是随其径向位置而变化的，这与传统的船舶推进式搅拌器是一脉相承的。莱宁公司在开发轴向流搅拌器时注重在水平投影面上叶片面积占搅拌器直径所在圆面积的百分数，并把此百分数作为区分和选用搅拌器的一个指标，可以称为叶片面积率。常用的45°开启涡轮叶片面积率为43％，A310为22％，A320为67％，A315为87％。A310搅拌器的叶片由钢板按一定规律弯曲制成，不必使用铣或精密浇注等成型工艺，且三枚叶片用螺栓固定在轮毂上，比较容易大型化。当用于固液悬浮操作时，达到同样悬浮效果，A310叶轮比传统使用的45°折叶涡轮节能50%。A320的叶片面积率远大于A310主要适用于搅拌中等粘度的液体。A315的叶片面积率更大，其大面积的叶片也能与圆盘涡轮搅拌器中的圆盘一样，起阻止气体从叶轮穿过，延长气－液接触时间的作用，适用于气－液体系的搅拌。A315搅拌器经常用于几十至数百立方的大型

发酵反应器。A6000搅拌器的叶片像飞机的机翼，全部由曲线构成，它用玻璃纤维复合材料加工制造，在同样的功耗下，A6000比A310能多产生30％的排量。

(a) A310 (b) A315

(C) A320 (d) A6000

图1 莱宁公司的系列搅拌器

不仅莱宁公司开发了系列轴向流搅拌器，国内外其他的公司与研究机构也纷纷推出了具有自己特色的许多轴向流搅拌器，比如EKATO公司的INTERPRO搅拌，它在主叶片上面再增加了一个辅助叶片，该辅助叶片有消除主叶片后方发生的流动剥离现象，使搅拌功率减小，可使用于数千立方米的大型固－液悬浮搅拌槽。法国ROBIN公司HPM搅拌器，叶片在轮毂处的倾角为45度，而在叶片端部处的倾角为17度左右，经常用于容积数百立方米的大型搅拌槽。国内北京化工大学，华东理工大学，浙江长城减速机有限公司等也分别开发了自己的轴向流搅拌器。浙江长城减速机有限公司开发的ZCX，KSX等搅拌器已经进行了十多年的成功工业应用，不仅取得了显著的经济效益，很多情况下替代了进口设备，更具有广泛的社会效益。

图2 EKATO公司的INTERPRO搅拌器图3 ROBIN公司的HPM搅拌器