工业搅拌与混合技术进展

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10100 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（a） ZCX 搅拌器 （b）KSX 搅拌器图 4 ZCX 与 KSX 搅拌器1.2 新型径向流搅拌器Rushton 涡轮是最典型的径向流搅拌器，其结构比较简单，通常是一个圆盘上面带有六个直叶叶片，也称为六直叶圆盘涡轮，如图 5 所示。圆盘涡轮搅拌器主要应用于气液分散过程中，设置圆盘的目的是为了防止气体未经分散直接从轴周围溢出液面。一直以来，Rushton 涡轮在许多条件下能够满足工艺的需要，同时其结构非常简单，容易加工制造，所以其应用还是比较广泛的。但是，越来越多的事实证明：这种结构并不是适用于气液分散的最优结构。相关研究发现，当用六直叶圆盘涡轮式搅拌器把气体分散于低粘流体时，在每片桨叶的背面都有一对高速转动的漩涡，漩涡内负压较大，从叶片下部供给的气体立即被卷入漩涡，形成气体充填的空穴，称为气穴。气穴的存在使得搅拌器在充气时的旋转阻力减小，因而造成搅拌功率降低，约为不通气时的 2040%左右。气穴理论所揭示的气液分散机理对开发新型搅拌器有重大意义。气穴使得 Rushton 涡轮的泵送能力降低。在高气速下，有时整个搅拌器被气穴包围，搅拌器近似空转，效率很低。为了改进 Rushton 涡轮搅拌器的缺点，Smith 等提出采用弯曲叶片的概念，并解释了弯曲叶片相对于直叶叶片所具有的优点。弯曲叶片可使其背面的漩涡减小，抑制叶片后方气穴的形成。这种结构使该搅拌器具有如下优点：载气能力提高；改善了分散和传质能力；降低了由于通气而造成的搅拌功率的变化。根据这些研究成果，各混合设备公司推出了采用弯曲叶片的搅拌器，其中有Chemineer 公司的 CD-6，如图 6 所示，Lightnin 公司的 R130 搅拌器，Philadelphia 公司的 Smith turbine (6DS90)。此类搅拌器的叶片采用的是半管的结构。在湍流条件下，其功率准数一般在 2.83.2 之间，比 Rushton涡轮要小得多。英国 ICI 公司将半管的结构作了进一步改进，推出了如图 7 所示的专利搅拌器，叶片采取了深度凹陷的结构。1998 年，Bakker 提出了采用弯曲非对称叶片的想法，并据此开发了最新一代的气液混合搅拌器 BT-6（Bakker Turbine），并申请了专利（USP5791780），如图 8 所示。 BT-6 搅拌器的特点是采用了上下不对称的结构设计，上面的叶片略长于下部的叶片。该设计使得上升的气体被上面的长叶片盖住，避免了气体过早地从叶轮区域直接上升而逃逸，而是使更多的气体通过叶轮区域在径向被分散。叶片曲线采用抛物线设计，既保留了弯曲叶片的优点，还能明显减少叶片后方的气穴，其功率准数一般在 2.3 左右。实验证明该搅拌器的综合性能均优于前述的各种径向流气液分散搅拌器。图 5 Rushton 涡轮 图 6 CD-6 搅拌器图 7 ICI 搅拌器（USP5198156）图 8 BT-6 搅拌器1.3 新型宽粘度域搅拌器对于传统的的搅拌器，一般可以分为两类。一类是用于低粘流体的桨式、涡轮式搅拌器等，另一类是用于高粘流体的螺带、框式等搅拌器。但是，在许多反应过程中，比如聚合反应过程，开始时物料的粘度很低，随着反应的进行粘度越来越大。在这种情况下，搅拌器的选用就会发生问题。对于这种工况，可以采用组合式搅拌装置，即中心设置适用低粘流体的搅拌器，再增加适用高粘流体的大直径框式搅拌器。粘度低时启动中心搅拌装置，停止框式搅拌器，使其作为挡板使用；粘度增大后，同时启用两套装置，共同作用。但是，组合式搅拌装置的传动机构一般比较复杂。图 9 板框涡轮组合式搅拌设备1,2-电动机；3-板框式搅拌器；4-刮板；5- 涡轮式搅拌器近年来日本开发出数种在很宽粘度范围均能进行高效混合的搅拌器，且搅拌器结构相当简单。如图 所示是日本住友重机、三菱重工等公司开发的最大叶片式、泛能式、叶片组合式搅拌器。这三种搅拌器都有一个共同的特点，即叶片在搅拌槽的纵剖面上的投影面积占槽的纵剖面积的比例很大，不仅适合于固液悬浮及晶析等操作，也适合于液液分散以及使气体从液面吸入的气液传质过程，同时大叶片不仅使槽壁的局部传热膜系数较均匀，也提高了整体传热膜系数。图 10 最大叶片式搅拌器（住友重机）图 11 泛能式搅拌器（神钢泛技术）图 12 叶片组合式搅拌器（三菱重工）2. 流场的测试技术与计算流体力学在评价一个搅拌设备的混合效果时可以有多种手段，比如搅拌功率的测量、传热系数的测量、混合时间的测量等，但最基本的评价在于测量搅拌设备内物料形成的流场。作为搅拌技术的核心是要弄清楚对于某一类混合（如固液悬浮、液液分散等）需要什么样的流场，使用怎样的搅拌器以及怎样的操作条件能以最少的能耗来获得所需要的流场。采用先进的测试手段和建立合理的数学模型，获得搅拌槽内的速度场、温度场和浓度场，不仅对搅拌设备的优化设计具有十分重要的经济意义，而且对放大和混合的基础研究具有现实的理论意义。2.1 激光多普勒测速技术（LDV）激光多普勒测速是通过测量流体中示踪粒子运动速度反映流体自身运动速度的点测量仪器，其基本原理如图 13 所示。第一代 LDV 产品诞生于 20 世纪 70 年代，目前已经发展到光纤化、智能化的第三代，可同时测量流体速度的 3 个分量，并且最多能同时测量 8 个测量点的三维速度。光纤的应用极大促进了 LDV 的发展，扩展了可测量范围，使之能适应一些高腐蚀性、高危险性流场测量的需要，并为实现一机多用提供了可能。信号处理技术如波群信号分析和自相关分析技术的应用也有力促进了 LDV 的发展。由于 LDV 测量的精度和可靠性很大程度上取决于示踪粒子的跟随性，研究发现连续牛顿流体中，示踪粒子直径为 110 微米时跟随性对测量精度影响不大，而对粒子跟随性限制较大的流场如多相流连续相等则不能应用 LDV。利用 LDV 测量技术可以准确获取搅拌流动场的丰富信息，如时均速度场、湍流强度场、雷诺应力场、剪切速率场，并可进一步计算得到宏观特征参数如排量和功耗等。近几年，LDV 还被用于测量多层桨的搅拌特性，如排量和循环流量。因为在单层桨条件下所采用的测量排量的粒子跟踪法在多层桨条件下是不适用的。LDV 测量是在某一测点处一段时间内进行的，所测是流场中点单元在采样时间内的平均速度，对瞬时速度的响应不是很敏感，一般只能应用于稳态流场或周期性变化流场，并且必须逐点测量流场中各点速度才可得到整个流场，工作量非常大。图 13 LDV 测速原理示意图2.2 粒子成像测速技术（PIV ）为了研究时变流场，可以采用粒子成像测速仪(PIV)。PIV 基本原理是激光束经光学调制成片光源，入射添加了示踪粒子的流场，用两个脉冲激发光源，得到粒子场的两次曝光图像，从曝光时间内粒子的位移可以计算出速度场，如图 14 所示。PIV 技术是伴随图像获取和处理技术的进步发展形成的，一般图像分析采用自相关或互相关方法，得到的流场是片光源照射下的二维流场；如果要得到三维流场，可以采用两个同步相机或全息摄影技术。图 14 PIV 测速原理示意图2.3 电子过程断层成像技术（EPT）LDV、 PIV 是都属于光学仪器，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。80 年代后期，英国 UMIST 大学开发了电子过程断层成像技术(EPT)，可以测量不透明介质的流场，是一种用于多相流体系的非接触式的实时检测和可视化技术。EPT 的原理与 CT (Computed Tomography)相差不多。在被测槽或管道外壁等距离贴附一组 8 到 16 只传感器一周，此传感器为长方形不锈钢电极片，既是发射器又是接收器。槽或管道内要有两种具有不同电性能（电导率、电容率等）的物料（不同电导率的液体、气体和固体、液体和固体），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，每秒可获得高达 100帧图像。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导下，建立槽或管道的三维图像和实体造型。EPT 技术已经用于复杂的气液两相搅拌混合问题，可以获取搅拌槽内载气分布的三维图像，直观了解混合流型如何影响传质和反应性能；还被用于固液悬浮体系的研究，获得固体在搅拌槽内的浓度分布。图 15 配置 16 只传感器的 EPT 系统2.4 计算流体力学（CFD）技术从 80 年代开始，陆续有文献对搅拌槽内的流动场的数值模拟的报道。目前，CFD 技术对搅拌过程的研究已经相当深入和细致，气液、固液、液液混合，混合时间，化学反应等的 CFD 模拟工作已经相当丰富。众所周知，对搅拌混合这种较经典的单元操作过程的研究尚未形成完整的理论体系，主要还是依靠一些经验的手段。实践证明，按经验设计优化的搅拌器有许多实际上显然不是处于最佳状态。随着新产品及新技术的不断开发，对过程中流体的混合、传热及传质提出了更高的要求。CFD 技术可使用户直观地了解搅拌槽内的混合情况，帮助用户确定已存在系统中的问题，指导用户进行搅拌器的优化设计，消除死区，确定加料口位置等。CFD 技术还被各搅拌设备公司用来进行新型搅拌器的开发。虽然 CFD 技术得到了很大推广和发展，但是它也面临许多困难。CFD 主要是基于 Navier-Stokes 传递方程和湍流模型， 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涡、强涡流区等实际物理过程。但实际过程中搅拌反应器复杂的几何结构、流体非牛顿性、粘弹性和各向异性、气体和固体等多相体系、多级化学反应等，使 CFD模拟十分困难。3搅拌设备选型与专家系统由于混合设备设计大多依靠专家的经验和常识，将人工智能技术（AI）和基于知识的系统（KBS）应用于混合设备选型和设计，是通常的处理手段。据推测大多数专业混合设备公司已经开发了相应的设计软件。90 年代以来，有关搅拌设备选型和设计的专家系统在国外已有