叶轮式搅拌器的研究进展-

1、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 05117+2文献标识码:A 文章编号:1000-1255(200501-0071-04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

2、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

3、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

4、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。211新型搅拌混合设备的研制21111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

5、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(1:7174CHINA SYN THETIC RUBBER INDUSTR Y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A310和A315叶轮系列3。A310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

6、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。A315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800L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400m3。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

7、学和华东理工大学等也分别开发了CB Y 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。21112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。21113

8、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Twente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。212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

9、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。21211LDV和粒子图像测速技术(PIV20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

10、,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

11、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。27合成橡胶工业第28卷21212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

12、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。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1012。21213电子过程断层成像技术(EPTEPT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(ER T、电容断层成像系统(ECT和电磁断层成像系统(EM T3类。在被测搅拌槽或管道外壁等距离贴附1组816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

13、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

14、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。213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

15、,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Chemineer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Massachusetts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

16、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

17、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1搅拌设备设计M1上海:上海科学技术出版社,1985111212王凯,冯连芳著1混合设备设计M1北京:机械工业出版社, 200014737第1期韩丹等1叶轮式搅拌器的研究进展3冯连芳,王嘉骏,王凯,等1流体混合技术新进展J1化学工程,2002,30(2:70744胡长鹰1轴流式生化搅拌器的研制进展J1食品与机械, 2001,85(5:33345沈惠平,张锁龙,张国忠,等1一种新型轴流式搅拌器的研究与开发J1中国机械工程,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胡跃华1复合式搅拌器设计与探索J1石化技术,2002,9(1:43458王嘉骏,冯连芳,王凯,等1LDV和CFD在流体混合中的应用进展J1化学工程,2001,29(4:62659Derksen J J1Numerical simulation of solids suspension in a stirred tankJ1AIChE J,2003,49(11:2700271410毛德明,冯连芳,许国军,

19、等1用LDA研究搅拌釜内的流场J1高校化学工程学报,1996,10(3:25826311侯栓弟,王英琛,施力田1螺旋搅拌槽内湍流参数J1化工学报,1995,46(4:48012蔡志武,戴干策1搅拌桨内部三元流动计算J1华东理工大学学报,1996,3(22:23713王嘉骏,冯连芳,顾雪萍,等1搅拌设备的智能化化工预设计J1化学工程,2002,30(3:353814Bakker A,Morton J R,Berg G M1Computerizing the steps of mixer selectionJ1Chem Eng,1994,3(1:12012915Samant K D,Ka M N1

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王嘉骏,冯连芳,顾雪萍,等1层次分析法在搅拌器选型中的应用J1计算机与应用化学,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