磁力搅拌反应器的分类及应用

磁力搅拌反应器的分类及应用

随着药物、食品、化工、原子能工业和原子能工业的发展，对一些重要的行业、易爆、毒性、强腐蚀和重量散失的要求越来越严格，对反应设备的清洗和消毒要求也非常严格。因此,在上述工况中所使用的搅拌釜或搅拌反应釜,其密封要求是应做到零泄漏。在此背景下,磁力密封技术已成为必然的选择,磁力釜(或磁力搅拌器)应运而生。磁力釜以静密封结构取代动密封,该结构无接触传递力矩,能彻底解决机械密封与填料密封的泄漏问题,并且搅拌部件处于绝对密封状态,是石油化工、有机合成、食品加工、生物制药过程中进行硫化、氢化、氧化及发酵等反应的选择趋势。1磁体的原理和分类1.1磁力传动及磁磁法磁力搅拌器是磁力联轴器与搅拌装置的结合,是磁力传动技术的成功应用之一。所谓磁力传动是指以现代磁学为基础,利用永磁材料之间的磁力耦合作用实现无接触传递力矩的一种实用技术。磁力传动由磁力联轴器来完成。磁力搅拌器的结构主要包括马达、搅拌装置、主动磁转子、从动磁转子以及隔离套等零部件。其中马达通过传动轴将动力传递给主动磁转子,在磁力耦合的作用下从动磁转子开始转动,从而带动与从动磁转子联接在一起的搅拌装置转动,以达到搅拌的目的。1.2磁力器的选择磁力搅拌器可依据不同的方法分类。按磁力传动装置的结构可将其分为圆筒式磁力搅拌器和圆盘式磁力搅拌器;按其应用领域可分为工业用磁力搅拌器和实验室用磁力搅拌器;按放置方式可分为顶入式磁力搅拌器、底入式磁力搅拌器和旁入式磁力搅拌器。1.2.1高转速时地面冲击传动圆筒式磁力耦合传动搅拌器是以外磁环套内磁环,并在内外磁环之间设置隔离套,三者同心安装,工作面均为圆柱面,磁体呈瓦形。该传动形式传递力矩较大,对高黏度的物料也有足够的力矩进行充分搅拌,适用于高转速场合。因此,生产用设备主要采用该形式的磁力传动搅拌器。1.2.2耦合传动隔离装置圆盘式磁力耦合传动搅拌器中两磁环相向安装,工作面为互相平行的平面,磁体呈扇形。在耦合传动的两磁环之间,通常需设隔离密封罩。该传动形式可简化磁钢的几何尺寸和磁力传动装置的轴向尺寸,但传递的力矩较小,故通常只适用于实验室进行气、液相混合反应的小型反应釜等低转速场合。1.2.3磁力器的使用目前实验室中使用的搅拌器主要有电动搅拌器和磁力搅拌器两种。实验室用磁力搅拌器主要用于加热或加热搅拌同时进行,适用于黏稠度不是很大的液体或固液混合物。使用时,先将液体放入容器中,再将搅拌子放入液体中,当底座产生磁场后,利用磁力耦合和漩涡的原理,带动搅拌子做圆周循环运动,从而达到搅拌液体的目的。与电动搅拌器相比磁力搅拌器的优点有:a.噪音小,调速平稳;b.可以在密闭的容器中进行混合,使用方便;c.搅拌子是由优质磁钢包覆聚四氟乙烯精制而成的,耐热、耐磨、耐腐蚀;d.可与底部温度控制装置配合,使液体受热更均匀。故可根据具体的实验要求控制并维持样本温度,极大地提高了实验的重复性。1.2.4顶入式磁力搅拌设备的发展特点工业用磁力搅拌器主要包括:顶入式磁力搅拌器、底入式磁力搅拌器和旁入式磁力搅拌器。顶入式磁力搅拌器是将磁力搅拌装置安装在立式设备筒的中心线上或在立式容器上偏心安装,有时为了防止涡流的产生可将搅拌轴斜插入筒体内。顶入式磁力搅拌器由电机、减速器、传动轴、主动磁钢、隔离套、从动磁钢、联轴器、搅拌轴和桨叶组成,有的还设有冷却结构。这种结构的优点是:主动磁体与从动磁体间无轴向吸引力,且永磁耦合部分远离被搅拌的液体,磁体受高温或腐蚀的影响小,搅拌液体中允许夹带颗粒物。然而,随着工业的快速发展,设备有向大型化发展的趋势,容器的大型化使釜型由细长型向矮胖型发展,这使得工业应用中对搅拌设备的需求也越来越趋向于大型化,但大型化顶入式磁力搅拌器又存在以下问题:a.搅拌轴悬臂过长、轴临界转速低、抗弯能力差,搅拌时容易弯曲变形甚至折断,影响搅拌效果;当产生摆动时,会导致内磁钢转子与隔离套内壁发生摩擦,缩短设备的使用寿命;b.搅拌轴直径一般都很大,所传递的扭矩很大,而轴承、磁力耦合装置的制造均受到限制。由于顶入式磁力搅拌器存在上述缺陷,许多新技术的工程设计需采用底入式磁力搅拌器,特别对于那些在搅拌或反应中物料容易出现沉淀的工况下更能体现出该种形式的优越性。底入式磁力搅拌器是将磁力搅拌装置安装在设备的底部,其结构一般由3个独立的部件及一些零部件组成,即叶轮、与罐底焊接盘和驱动装置,零部件包括轮毂轴承、定位轴承以及密封圈等。此种搅拌装置的特点是:确保罐体完整性、底部安装、传动轴短、结构紧凑、易拆卸;允许高转速,自润滑冷却,低液位搅拌很出色,无颗粒物产生;可实现在线清洗和在线灭菌(CIP/SIP),结构设计符合GMP要求。现代工业在快速发展的同时,保护环境、节约能源越来越受到各个国家的关注,这也驱使技术装备向大型化、高效能发展,但大容积磁力釜中搅拌效率明显降低。这是因为影响拌效率的因素比较复杂,并不是单一地遵从几何放大规律,在放大常规的顶入式或底入式磁力搅拌装置时,设备造价、能耗和负荷成为主要的约束条件。此时,一种高效能的搅拌装置——旁入式磁力搅拌器出现在工业应用中。旁入式磁力搅拌器(亦称磁力传动侧搅拌)是将磁力搅拌装置安装在设备筒体的侧壁上适当的深度位置,同时采用多种搅拌桨叶的组合形式,定向布置,使其达到最佳搅拌效果。此形式在大型储槽中投入少量的功率便可以得到适当的搅拌效果,故被广泛采用。2磁力搅拌技术发展历程早在20世纪30年代,人们已经对磁力驱动技术在搅拌反应釜中的应用问题进行了探讨和展望,40年代出现了简易磁力驱动搅拌器(如美国专利MagneticStirrer),这种简易的搅拌器是在一个玻璃器皿底部的外侧装有永磁元件,器皿内部放置一个磁性搅拌子,当外部永磁元件旋转时,带动磁性搅拌子运动,从而达到搅拌介质的目的。永磁传动技术用于化工搅拌的密封始于20世纪60年代,由于当时的磁性材料性能差,传动装置体积大,影响了其在化工搅拌方面的应用。随着磁性材料的发展,20世纪70年代国际上开始重视对磁力驱动技术的研究。80年代初,由于磁性材料的快速发展,磁路设计也有一定进展,并出现了叶轮式下磁力搅拌器,美国专利MagneticMixer就是典型的叶轮式下磁力搅拌器。同时,德、日等国家也相继报道研制出了小型磁力驱动反应釜。90年代,卫生级下磁力搅拌器逐渐发展起来,其结构更简单、更开放,搅拌桨叶与从动转子整体加工,且推拉组合磁路已比较成熟,可传递更大的磁扭矩。关键部件轴承,采用的是硬质合金。21世纪起,磁力搅拌器在结构上不断改进创新,叶轮和轴承都往开放式发展,轴承是用硬质合金(如SiC、TC、Si3N4等)制成的滑动轴承,无清洗死角,实现了CIP和SIP,并且对叶片的结构形式也有了深入地研究(如叶片上开通槽、叶片的曲度等),能够满足更高的流体剪切量要求。由此可见,磁力搅拌技术经过半个多世纪的发展,对科研和生产的各行各业发挥着越来越重要的作用,同时取得了巨大的经济效益。随着其技术的改进和发展,很大程度上扩展了磁力搅拌器的使用范围,如在制药、食品、乳品、啤酒、饮料、水处理、化工、化妆品、生物工程以及机械制造等工业领域,特别是在消毒和无菌应用及其他特殊应用中,如涉及对剪切力敏感的产品,在真空或压力下处理等得到了广泛应用。2.1磁力器的使用国外对磁力传动技术的研究较早,其应用范围也很广,从最早的磁力泵,扩展到制药、食品、乳品、啤酒、饮料、水处理、化工、化妆品、生物工程以及机械制造等工业领域。表1是与其相关的国外专利。随着材料科学和结构设计的进步,磁力搅拌器的材料安全性已解决,产品结构更开放、无死角、易于清洗灭菌,所以许多对无菌工艺要求很高的工艺选择了磁力搅拌器。一般叶轮、定位轴承和焊接板的上部是完全与物料接触的,叶轮的设计越开放,CIP/SIP的效果越好。叶轮和焊接板一般采用316L不锈钢,轴承材料采用耐磨耐蚀的硬质合金(如SiC、Si3N4)。如今生物制药巨头的前100强都已经在大规模地使用罐底磁力搅拌器,其中瑞典NovAseptic磁力搅拌器较为出名,它在磁力搅拌器的无菌设计和功能划分上非常具有代表性。其搅拌器安装在反应釜底部,与釜底齐平,其特点是易于拆卸,可靠、耐用和便于维修,且能满足CIP和SIP的要求。NovAseptic公司进行了微粒测试,支撑轴承在工作48h后,检测到非常小的失重(仅为0.5mg)。瑞典ROPLAN集团下STERIDOSE公司生产的STERIMIXER磁力搅拌器,Lightnin公司生产的MBI系列清洁磁力搅拌器和阿法拉伐的新型磁力搅拌器等均为该领域的先进产品。德国IKA集团的实验室用磁力搅拌器是实验室用搅拌混合领域的领导者。2.2磁力传动技术在材料中的发展国内对于磁力搅拌器的研究起步稍晚,但进步很大。国内从20世纪80年代开始制造磁力传动设备,所研制的磁力驱动搅拌釜在第七届国际稀土永磁材料及应用会议上引起了各国专家的极大关注和好评。我国不断吸收国外的先进技术,探索创新,磁力搅拌器正在向大功率、大容积、高温、高压、高转速方向发展。1990年,北京大学在世界上首次研制成Sm2Fe17Nx,居里温度提高到480℃,且成本低于钕铁硼磁体,开拓了世界永磁材料研究与开发的新领域,也带来了磁力传动技术的新发展。江苏大学许士芬(香港)联合研究所研制的耐高温异步磁力联轴器,利用电磁感应原理进行传动,不需在内转子上布置永磁体,有效地解决了同步磁力联轴器高温时内转子上永磁体退磁的问题。90年代开始,磁力搅拌装置在我国进入了快速发展阶段,表2列出我国的相关专利。国内曾经以昂贵的外汇引进了瑞典的磁力传动药用搅拌釜,提高了注射液的纯度。20世纪80年代,兰州物理研究所与重庆化工机械厂密切协作,研制了国内首台药用磁力搅拌釜。在药用磁力传动搅拌釜基础上为几家农药厂研制了国内首台加氢磁力搅拌釜,该釜是为生产当时国内紧俏农药原料研制的。何承代为温州龙化塑料制剂有限公司某装置设计的合成釜和蒸馏釜,2001年3月正式投入生产,该装置外磁钢等配循环水冷却,运行期间传动装置性能稳定,密封安全可靠。2001年,兰化有机厂二六二叔丁苯酚装置中的反应釜采用了磁力传动装置,效果良好。目前,国内威海自控反应釜公司、威海坤昌化机公司、威海瑞丰化机设备厂、威海新元化工机械有限公司、威海宏协化机公司、开原化工机械磁力反应釜厂、上海志威电器有限公司、温州中伟磁传密封设备厂、温州市工业科学研究院磁传动设备厂以及天津市欧诺仪器仪表有限公司等均生产磁力搅拌器。中牧股份兰州生物药品厂、燕山石化、双鹤药业、威远生化、新昌制药、成都生物制品研究所及成都英德生物科技有限公司等单位在使用磁力搅拌器。3主要问题和解决办法：磁力驱动器的主要问题和解决3.1主要问题3.1.1涡流效应与能量释放磁力驱动搅拌器的隔离套处于内外磁转子之间,若隔离套为金属材料,当内、外磁转子同步(或不同步)旋转时,金属隔离套便处在交变磁场中,磁场的大小和方向按一定规律变化,即隔离套壁中的磁通量随时间而变,导体将感应产生环绕磁通量变化方向的电流,称为涡流。涡流效应一方面会减弱工作磁场,降低传递扭矩;另一方面产生涡流损耗,并以焦尔热的形式释放能量,消耗轴功率,降低传递效率。同时,由涡流耗散引起的热量释放,将使磁体的工作环境温度升高,磁性下降,使传递的扭矩进一步降低。3.1.2影响轴承的健康特性磁力搅拌器的出现彻底解决了动密封处的泄漏问题,但从一定意义上讲又把矛盾转化到密封在釜内的轴承上。轴承是磁力搅拌器的关键部件,在底入式磁力搅拌器运行过程中,轴承与介质直接接触,影响了轴承的寿命,且密闭在反应釜内部,损坏后不易监测。当釜内有固体物料时,容易沉积在底部,固体颗粒容易进入到磁力搅拌器的轴承之间,引起轴承表面擦伤,严重时会导致轴承破坏失效。同时轴承的磨损,使轴承的轴向和径向间隙增大,还有可能引起磁转子与隔离套的摩擦。另外,滑动轴承之间的摩擦热需要介质来冷却,当这部分液体流量过小或起不到冷却、润滑作用时,必然使周围温度急剧升高,最终造成磁体磁性下降、转子卡死。3.2解决措施3.2.1双密封隔离套材料减小涡流的措施有:a.在工况允许的情况下,应优先选用非金属材料隔离套,如氧化锆(ZrO2),这样则无涡流产生,如必须采用金属隔离套,则尽可能采用高电阻、高强度的材料,如316L、哈氏合金C及钛合金等;b.应尽可能将隔离套设计成细长形状,即紧凑设计,使传动半径尽可能小;c.双密封隔离套的内壁设冷却系统(如新型实用专利高速磁力传动装置,专利号:200420055044.6);d.研制新型隔离套,如迭层隔离套,把隔离套切成一系列薄圈,各圈之间相互绝缘,这样就可以将涡流损失控制到最小。3.2.2复合自润滑材料轴承的改进可以从两方面着手,一方面是新材料的研制和使用,目前国内外已研制出多种适用于一些特殊要求的轴承材料,如具有极好的耐热、耐腐蚀和耐磨性能的工程陶瓷材料(氮化硅、碳化硅和氧化铝)、三层复合自润滑材料(SF型)及自润滑复合材料(DV型)等。另一方面是结构上的改进,为保持润滑介质的畅通,防止轴承间温度升高,可在轴承内表面开设导流槽(直导流槽或螺旋槽),这样可以保证搅拌器在运行过程中介质能顺利流经轴承,在轴承间形成液膜,提高轴承的承载能力,并改善冷却润滑效果;同时能使磨料或颗粒在导流槽中流动,减少轴承之间的相互磨损。此外,应对轴承进行监控、定期检查和更换。4磁力研磨的展望产品在满足功能要求的同时,也应充分满足安全性、可靠性和生态环保要求。随着保护环境、节约能源越来越受到各个国家的关注,21世纪清洁、经济的生物技术将大行其道,由于磁力搅拌技术在防止泄漏,减少污染,节约能源方面有着突出优点,正适应生态环保的发展态势,必将得到更加广泛的应用。虽然磁力驱