叶轮式搅拌器的研究进展

叶轮式搅拌器的研究进展 韩 � 丹,李 � 龙,程云山,徐 � 峰 (河海大学 水利水电工程学院,江苏南京 210098) � � 摘要:介绍了叶轮式搅拌器的主要特点, 分析了当前搅拌混合技术存在的问题,综述了国内外搅拌 混合设备的开发和改进情况以及激光多普勒测速仪测试技术、计算流体动力学技术等流场测量技术、智 能化专家系统等优化设计方法的新进展。 关键词:叶轮式搅拌器; 搅拌设备;混合技术; 综述 � � 中图分类号: TQ 051� 7+ 2� � 文献标识码: A � � 文章编号: 1000- 1255( 2005) 01- 0071- 04 � � 搅拌混合设备是一种应用广泛、品种繁多的 流体机械产品, 适用于化工、冶金、医药、食品和饲 料等领域。搅拌操作是工业反应过程的重要环 节,它的原理涉及流体力学、传热、传质及化学反 应等多种过程, 而搅拌器是为了使搅拌介质获得 适宜的流动场而向其输入机械能量的装置。搅拌 能量问题和流动场问题一直是搅拌过程所研究的 主要课题。� 1 � 叶轮式搅拌器的特点 在对物料的搅拌操作中, 人们希望实现多种 搅拌目的,因此了解各种搅拌器的特点,选择适宜 的叶轮型式,设计出符合流动状态特性的搅拌器 是非常重要的。搅拌槽内的液体进行着三维流 动,为了区分搅拌桨叶排液的流向特点,根据主要 排液方向, 按圆柱坐标把典型桨叶分成径向流叶 轮和轴向流叶轮[ 1]。 齿片式叶轮、平叶桨式叶轮、直叶圆盘涡轮式 叶轮和弯曲叶涡轮式叶轮在无挡板搅拌槽中除了 使液体产生与叶轮一起回转的周向流外,还形成 强大有力的径向流, 故称这些叶轮为径向流叶 轮[ 2]。径向流叶轮搅拌器旋转时, 物料由轴向吸 入再径向排出,叶轮功率消耗大, 搅拌速度较快, 剪切力强。 在湍流状态下,推进式叶轮除了产生周向流 动外, 还产生大量轴向流动, 是典型的轴向流叶 轮[ 2]。折叶圆盘涡轮式叶轮与直叶圆盘涡轮式 叶轮、弯曲叶涡轮式叶轮相比, 其轴向流成分较 多,多用于轴向流的场合。螺带式和螺杆式叶轮 使高黏度物料产生轴向流动, 也属轴向流叶轮型 式。轴向流叶轮搅拌器不存在分区循环,单位功 率产生的流量大,剪切速率小,且在桨叶附近较大 范围内分布均匀,具有较强的最大防脱流能力。 2 � 搅拌混合技术的新进展 由于搅拌目的多样性和混合反应的复杂性, 当前,搅拌混合技术还存在着一些问题,例如:传 统轴向流叶轮搅拌器搅拌效率低, 功耗大,铸造成 本高,难以在大型搅拌装置中放大运用;搅拌槽内 液体的流动是三维高度不稳定的湍流, 脉动和随 机湍流给流速测量带来了很大困难; 在自动化选 型和设计问题上, 长期以来一直依靠领域专家根 据经验知识人工完成,智能化水平不高,导致设计 周期较长,资金和人力物力耗费巨大等。搅拌混 合技术的进展围绕着 2个中心展开, 即一方面是 开发新型、高效的混合设备;另一方面是快速、准 确地选择和设计搅拌混合设备。 2�1 � 新型搅拌混合设备的研制 2�1�1 � 新型轴向流叶轮 在通常情况下,大量的搅拌设备用于低黏度 物系的混合和固- 液悬浮操作, 叶轮以低能耗提 供高轴向循环流量。由于传统的推进式叶轮叶片 为复杂的立体曲面, 虽能满足要求, 但制造却很 � � � � � 收稿日期: 2004- 05- 12;修订日期: 2004- 09- 05。 作者简介:韩丹( 1979 � ) ,女,硕士研究生。 基金项目:河海大学科技基金资助项目( 2002409543)。 专论�综述 � � � � � � � � � � � � � � � � � 合成橡胶工业, 2005- 01- 15, 28( 1) : 71~ 74CH INA SYNTHET IC RUBBER INDUST RY 困难,亦不易大型化,因此竞相开发高效节能、造 价低廉且易于大型化的第二代高效轴流搅拌器成 为混合设备公司的目标。最近十几年来,国内外 研究者在轴流桨的开发研制上做了很多工作。美 国Lightnin 公司开发了 A 310 和 A 315 叶轮系 列[ 3]。A 310叶轮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,且叶片 用螺栓固定在轮毂上,易于装配成较大型的叶轮。 A 315 叶轮适用于气- 液体系的混合, 因为它的 叶片倾角不大, 大面积的叶片阻止气体从叶轮穿 过,延长了气液接触时间。加拿大 Rprchem 公司 将研制的 Maxflo 轴流桨应用于生化领域[ 4]。在 800 L 罐曲霉酶的培养下, 使用该轴流桨比传统 圆盘涡轮桨传质系数提高 40%, 功耗降低 50%, 相应机械搅拌发酵罐容量可达 400 m3。据报道, 这些搅拌桨都是通过激光多普勒测速仪 ( LDV) 测量结果和计算流体动力学( CFD)数值模拟相结 合开发研制的, 并且这些轴流桨已经广泛地投入 生产,使搅拌反应的剪切变化均匀, 功率因素小, 在实际生产中有非常好的应用前景。国内如北京 化工大学和华东理工大学等也分别开发了 CBY 型轴流桨和翼型桨。沈惠平等研制开发了一种新 型高效易于加工的轴流式搅拌叶轮[ 5]。 2�1�2 � 新型宽黏度域搅拌叶轮 传统上,搅拌叶轮也可按适用范围分为适用 于低黏度流体的和适用于高黏度流体的。然而在 很多聚合反应中,起初物料是低黏度流体,随反应 的进行, 黏度越来越高, 变成了高黏度物流,因此 开发适用黏度范围很宽的搅拌叶轮也是改进搅拌 混合技术的重点。 日本住友重机、三菱重工等公司开发了最大 叶片式、泛能式和叶片组合式等搅拌桨[ 2]。它们 都有一个共同的特点, 即叶轮在搅拌槽纵剖面上 的投影面积占槽纵剖面面积的很大比例,大叶片 不仅使槽壁的局部传热膜系数较均匀, 也提高了 传热膜系数。 2�1�3 � 其他新型搅拌混合设备 近年来欧洲和日本开发了很多种适用于高黏 物系和超高黏物系的卧式自清洁搅拌设备。卧式 双轴全相型搅拌机就是典型的一例[ 2] , 它的左边 一根是主搅拌轴,另一根为清洁轴,清洁轴以主搅 拌轴的 4倍转速进行旋转, 通过 2根轴上的元件 相互啮合, 使搅拌器具有自清洁功能。荷兰的 T wente大学基于声学和空洞作用的基本原理,将 超声波技术应用于清洗纺织品, 研制了一种实用 机械装置[ 6]。 另外, 北京燕山石油化工有限公司设计院针 对在大直径、低转速和介质较黏稠的场合,设计了 一种复合式搅拌器, 很好地解决了无法配备大功 率的电机, 及制造、检修以及安装的困难等问 题[ 7]。 2�2 � 流场测量技术的新进展 搅拌混合技术的核心任务是要了解对于某类 混合需要怎样的流场, 使用怎样的叶轮以及用怎 样的操作方式以最小的能耗获得适宜的流场, 从 而达到预期的混合效果。评价一种新型搅拌混合 设备的混合效果时, 可以使用很多测试手段测量 搅拌能耗、传热能力、混合速率和混合效率等,但 最基本的评价手段在于测量搅拌混合设备内的流 场。 2�2�1 � LDV和粒子图像测速技术( PIV) 20世纪 80年代以来, 国内外开始运用 LDV 来测量搅拌槽内流场, 它是一种较为有效的流场 测量手段。利用LDV测量技术,可以准确获取搅 拌槽中丰富的信息, 如时均速度场、湍流强度场、 雷诺应力场和剪切速率场,并可进一步计算得到 宏观特征参数[ 8]。LDV 是在一段时间内某一测 点处进行测量,因此所测速度是时均定量值,通过 对搅拌槽中每一点的测量可以得到整个流场。然 而LDV仅仅提供了一些重要参数,而不能从本质 上认识混合与流动, 无法改变目前依靠经验来放 大的现状,并且 LDV 是一种光学仪器, 它只能在 光学透明容器内进行测量,液体内不能有高浓度 的气泡和悬浮固体。LDV 是典型的单点测量仪 器,即使使用微机自控的激光测速仪,每次也只能 测量一点, 然而要获得一个搅拌混合设备的流场 信息,就需要测量几十到几百个点,由于这些测量 不能同时进行,因此 LDV 不能用于研究非稳态流 动。近年来,在激光测速技术上有所改进,研制出 光纤激光流速仪。 为了研究时变流动, 采用更先进的 PIV, 可在 瞬时得到整个流场分布。PIV 本质上是图像测速 技术中的一种, 它将摄像机与图像处理技术相结 合,其原理是狭缝激光束照射搅拌槽,用 2个脉冲 激发光源,得到粒子场的 2次曝光图像,接着从曝 光时间内粒子的位移计算出速度场[ 8]。PIV 能够 测量瞬时速度场, 描绘整个速度场上的全部速度 矢量,从而解析出一个剖面的流场信息。 �72� 合 � 成 � 橡 � 胶 � 工 � 业 � � � � � � � � � � � � � � � � 第 28卷 � 2�2�2 � 计算流体动力学(CFD)技术 数值模拟与理论分析及实验研究相辅相成, 逐渐成为研究流体流动的重要手段, 形成了新的 学科 � � � CFD。CFD技术具有初步性能预测、内 部流动预测、数值试验和流动诊断等作用。因此, 采用 CFD模拟和预测不同几何尺寸、操作条件的 搅拌槽中详细的流体流动及混合特性, 是流体混 合技术的发展趋势。CFD技术是研制搅拌混合 机械必不可少的工具和手段, 它使设计者以最快、 最经济的途径, 从流体流动机理出发,寻求提高搅 拌叶轮性能的设计思想和设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。在国外,荷 兰 Delft技术大学对搅拌槽内固体乳浊液进行了 数值模拟试验研究[ 9]。近几年, 浙江大学、北京 化工大学和华东理工大学等对搅拌槽 LDV 流场 测量和 CFD 模拟领域进行了大量相关的研 究[ 10~ 12]。 2�2�3 � 电子过程断层成像技术(EPT) EPT 发源于欧洲, 20世纪 80年代后期, 英国 Umist大学开发了 EPT , 包括电阻断层成像系统 ( ERT)、电容断层成像系统( ECT)和电磁断层成 像系统( EMT) 3类。在被测搅拌槽或管道外壁等 距离贴附 1组 8~ 16只传感器 1 周, 此传感器为 长方形不锈钢电极片, 既是发射器又是接收器。 搅拌槽或管道内存在 2 种具有不同电性能(电导 率、电容率等)的物料(液- 液体系、气- 固体系、 液- 固体系) , 然后在有规律的电脉冲作用下, 所 有可能的相邻传感器组合的电压通过数据采集单 元传送回计算机。计算机将记录所有电极的信号 和先后次序,并采用图像重建技术还原出槽或管 道横截面的图像, 可获得高达 100 帧/ s 的图像。 如果采用多组传感器对不同高度进行断层成像, 则可在图像重建技术的辅助下, 建立搅拌槽或管 道的三维图像和实体造型[ 3]。EPT 是多相流体 系的非接触式的实时检测和可视化技术,可以测 量不透明介质的流场。由于 EPT 可以准确地测 量出搅拌反应器中的流动区域、速度场、气体和固 体组分浓度分布, 而这些数据可用于从空间和时 间两方面验证多相体系的混合模型和 CFD模型, 因此 EPT 技术可直接用于优化搅拌器的设计和 操作。 2�3 � 智能化专家系统 目前, 搅拌混合设备与自动控制技术的结合 已经成为一个新的课题。根据混合专家的经验和 常识, 在混合设备选型和设计中运用人工智能技 术和基于知识的系统, 实现了混合设备选型和设 计的智能化。 搅拌设备设计专家系统从搅拌叶轮的选型、 过程设计、机械设计和经济分析评价,到最终机械 绘图的全过程都给出了智能化的计算机辅助设 计。它采用总设计任务控制各阶段设计分任务, 分任务调度相应的设计知识和数据, 实现混合设 备的专家系统设计的组织方法[ 13]。通过仔细的 分析、归属,用智能化设计系统原型阶段性地实现 混合设备的设计过程, 可以将其表示为一系列的 设计过程的链式序列。各阶段相对独立又相互连 续,其中每一个设计阶段都将设计结构传递给后 继设计过程[ 3]。该系统可应用于牛顿流体和非 牛顿流体,液- 液体系、固- 液体系和气- 液体 系,并且可以处理容积超过上百立方米的应用体 系。20世纪 90年代以来, 有关搅拌设备选型和 设计的专家系统在国外有少量报道。如 1994年 美国 Chem ineer公司开发了 1个用于涡轮式搅拌 设备设计的知识库软件 AgDesign, 据称该公司研 制的顶伸入搅拌器的 90%设备均已用此软件进 行设计[ 14]。美国的 Massachuset ts 大学化学工程 系研究了一套系统程序[ 15] ,它可以把搅拌器内的 液相展开公式化, 该程序分为 3 个部分:合成、模 拟、比例放大。芬兰的 Lappeenranta 工业大学在 1994年发表了有关混合设备初步设计的知识库 系统的论文[ 16]。在国内, 浙江大学也正与大型石 化企业合作开发搅拌槽式反应器的智能化辅助选 型和设计软件[ 17]。 3 � 结束语 传统的搅拌混合设备是各种化工反应所不可 或缺的重要工具, 它们在化学工业中担当着非常 重要的角色。随着化学工业的不断发展,对于搅 拌混合技术的要求也变得越来越高, 改进和研制 搅拌混合设备势在必行。同时运用 LDV, PIV, CFD等先进测量技术,深入分析搅拌反应器内的 流体流动机理和微观混合,安全和优化设计,提高 过程效率性能和降低失败风险, 并最终提高反应 产率。这些新的测量和模拟技术的应用必将推动 着混合技术向一个更新的阶段发展。 参考文献: 1� 陈乙崇主编 � 搅拌设备设计[ M ]� 上海: 上海科学技术出版 社, 1985�11~ 21 2� 王凯,冯连芳著 � 混合设备设计[ M ]� 北京:机械工业出版社, 2000�4~ 7 �73�� 第 1 期 � � � � � � � � � � � � 韩 � 丹等� 叶轮式搅拌器的研究进展 3 � 冯连芳,王嘉骏,王凯,等 � 流体混合技术新进展[ J ]� 化学工 程, 2002, 30( 2) : 70~ 74 4 � 胡长鹰 � 轴流式生化搅拌器的研制进展[ J] � 食品与机械, 2001, 85( 5) : 33~ 34 5 � 沈惠平,张锁龙,张国忠, 等 � 一种新型轴流式搅拌器的研究 与开发[ J]� 中国机械工程, 2000, 11( 5) : 502~ 505 6 � M oholkar V S, Warmoeskerk en M M C G, Ohl C D, et al� M echan ism of mass�t ransfer enhancement in text iles by ultra� sound [ J]�AIChE J, 2004, 50( 1) : 58~ 64 7 � 胡跃华 � 复合式搅拌器设计与探索 [ J ]� 石化技术, 2002, 9 ( 1) : 43~ 45 8 � 王嘉骏,冯连芳,王凯, 等 �LDV 和 CFD在流体混合中的应用 进展[ J]� 化学工程, 2001, 29( 4) : 62~ 65 9 � Derksen J J�Numerical simulat ion of solids suspension in a st irred tan k[ J]�AIChE J, 2003, 49( 11) : 2 700~ 2 714 10 � 毛德明,冯连芳,许国军,等 � 用 LDA 研究搅拌釜内的流场 [ J]� 高校化学工程学报, 1996, 10( 3) : 258~ 263 11� 侯栓弟,王英琛,施力田 � 螺旋搅拌槽内湍流参数[ J]� 化工 学报, 1995, 46( 4) : 480 12� 蔡志武,戴干策 � 搅拌桨内部三元流动计算[ J ]�华东理工大 学学报, 1996, 3( 22) : 237 13� 王嘉骏,冯连芳,顾雪萍,等 � 搅拌设备的智能化化工预设计 [ J ]�化学工程, 2002, 30( 3) : 35~ 38 14� Bakk er A, Morton J R, Berg G M�Computerizing the steps of mixer selection[ J]�Chem Eng, 1994, 3( 1) : 120~ 129 15� S amant K D, Ka M N�Development of l iquid�phase agitated re� actors[ J]�AIChE J, 1999, 45( 11) : 2 371~ 2 391 16 � Koirnen T, Kraslawski A, Nyst rom L�Know ledge�based system for the preliminary design of mixing equipm ent [ J ]� Ind Engng Chem Res, 1995, 34( 12) : 3 059~ 3 067 17� 王嘉骏,冯连芳,顾雪萍,等 � 层次分析法在搅拌器选型中的 应用[ J]� 计算机与应用化学, 1999, 16( 3) : 207 Research development of impeller stirrer Han Dan, Li Long, Cheng Yunshan, Xu Feng ( College of Water Conser vancy and H ydropow er Engineer ing , H ehai Univer si ty , N anj ing 210098, China) � Abstract: The specialty of the impeller st irrer w as described and problems in st irring and mixing technology in present studies w ere analyzed� T he exploitat ion and amelioration of st irring and mixing equipment in China and abroad w ere int ro� duced�New development of f luid f ield measure technology on laser Doppler velocimetry , computa� t ional fluid dynam ics , design and opt imizat ion methods such as intelligent expert system w ere also reviewed� � Keywords: impeller st irrer; stirring equipment; mix ing technology; review � � �国内简讯 � � � 中国合成橡胶工业协会 2004年丁二烯生产 技术交流研讨会在南京召开 � 中国合成橡胶工业 协会 2004年丁二烯生产技术交流研讨会于 2004 年 10月 20~ 22日在南京召开。会议根据丁二烯 的生产方法分乙腈 ( ACN ) 法、二甲基甲酰胺 ( DMF)法和 N - 甲基吡咯烷酮( NMP)法 3个组 进行了专题讨论。ACN 组的讨论结果如下: ( 1) 丁二烯脱轻塔塔顶用循环水冷却, 仅将不凝气部 分进行盐冷减少冷冻盐水耗量; ( 2)装置中乙腈回 收塔在检修倒空后停,检修开车前开,减少溶剂乙 腈的消耗; ( 3)为使丁二烯产品中含有尽可能少的 T BC,应采用侧线采出的方法; ( 4)脱二聚物塔与 尾气水洗塔合为一体,减少了 1个水洗塔,提高了 脱二聚物效果; ( 5)由于乙腈溶剂中含水量多时易 腐蚀设备,含水量低时 NaNO2 易结晶析出, 因此 溶剂浓度应控制在 92%~ 94%。DMF 组的讨论 结果如下: ( 1)各生产厂家使用新型阻聚剂,装置 运行周期延长,但出现了焦油上升、产品质量波动 等现象,应控制阻聚剂的添加量; ( 2) CM 漏油比 较严重,特别是新上丁二烯装置使用英国豪顿压 缩机普遍漏油, 且泄漏量较大; ( 3)扬子石化公司 二萃塔板改造取得很大成功; 独山子石化公司采 用了浙江大学的高效塔板技术; 自动升降系统得 以运用等。NMP 组的讨论结果如下: ( 1)分析了 混合 C4对装置的影响; ( 2)大庆石化公司新建丁 二烯装置拟采用 NMP 法, 对该技术进行了咨询 交流; ( 3)交流了 C4 炔烃加氢技术。 (中国合成橡胶工业协会技术部 � 赵玉中供稿) �74� 合 � 成 � 橡 � 胶 � 工 � 业 � � � � � � � � � � � � � � � � 第 28卷 �