攪拌設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

攪拌設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用范圍很廣，尤其是化學(xué)工業(yè)中，很多化工生產(chǎn)都或多或少地應(yīng)用著攪拌操作?；瘜W(xué)工藝過(guò)程的種種化學(xué)變化，是以參加反應(yīng)物質(zhì)的充分混合為前提的，對(duì)于加熱、冷卻和液體萃取以及氣體吸收等物理變化過(guò)程，也往往要采用攪拌操作才能得到好的效果。攪拌設(shè)備在許多場(chǎng)合是作為反應(yīng)器來(lái)應(yīng)用的。例如在三大合成材料的生產(chǎn)中，攪拌設(shè)備作為反應(yīng)器，約占反應(yīng)器總數(shù)的90％.其它如染料、醫(yī)藥、農(nóng)藥、油漆等行業(yè)，攪拌設(shè)備的使用亦很廣泛。有色冶金部門對(duì)全國(guó)有色冶金行業(yè)中的攪拌設(shè)備作了調(diào)查及功率測(cè)試，結(jié)果是許多濕法車間的動(dòng)力消耗50％以上是用在攪拌作業(yè)上。攪拌設(shè)備的應(yīng)用范圍之所以這樣廣泛，還因攪拌設(shè)備操作條件（如濃度、溫度、停留時(shí)間等）的可控范圍較廣，又能適應(yīng)多樣化的生產(chǎn)。
攪拌設(shè)備的作用不外乎：①使物料混合均勻。②使氣體在液相中很好地分散。③使固體粒子（如催化劑）在液相中均勻地懸浮。④使不相溶的另一液相均勻的懸浮或充分乳化。⑤強(qiáng)化相間的傳質(zhì)（如吸收等）。⑥強(qiáng)化傳熱。對(duì)于均勻相反應(yīng)，主要是①、⑥兩點(diǎn)?；旌系目炻?，均勻程度和傳熱情況好壞，都會(huì)影響反應(yīng)結(jié)果。至于非均相系統(tǒng)，則還影響相界面的大小和相間的傳質(zhì)速度，情況就更復(fù)雜，所以攪拌情況的改變，常很敏感地影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。生產(chǎn)的這種例子幾乎俯拾皆是。在溶液聚合和本體聚合的液相聚合反應(yīng)裝置中，攪拌的主要作用是：促進(jìn)釜內(nèi)物料流動(dòng)，使反應(yīng)器內(nèi)物料均勻分布，增大傳質(zhì)和傳熱系數(shù)。在聚合反應(yīng)過(guò)程中，往往隨著轉(zhuǎn)化率的增加，聚合液的粘度也增加。如果攪拌情況不好，就會(huì)造成傳熱系數(shù)下降或局部過(guò)熱，物料和催化劑分散不均勻，影響聚合產(chǎn)品的質(zhì)量，也容易導(dǎo)致聚合物粘壁，使聚合反應(yīng)操作不能很好地進(jìn)行下去。

在互不相溶的液體之間或液體和固體相互作用時(shí)，攪拌在加速反應(yīng)的進(jìn)行方面起著非常重要的作用。因?yàn)樵黾右晃锵嗷烊肓硪晃锵嗟乃俣龋佑|面就會(huì)增大，物質(zhì)就以較大速度相互作用。在某些情況下，攪拌是在反應(yīng)過(guò)程中創(chuàng)造良好條件的一個(gè)重要因素。例如，使傳熱作用加強(qiáng)，減少局部過(guò)熱，以及避免加熱過(guò)程中物質(zhì)焦化等。如高壓聚乙烯生產(chǎn)中，由于攪拌器的作用，使反應(yīng)器內(nèi)有一定的停留時(shí)間，更重要的是使催化劑在器內(nèi)分布均勻，以防止局部猛烈的聚合作用造成爆炸。因此攪拌設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)中起著非常重要的作用。

攪拌設(shè)備在石油化工生產(chǎn)中被用于物料混合、溶解、傳熱、制備懸浮液、聚合反應(yīng)、制備催化劑等。例如石油工業(yè)中，異種原石油的混合調(diào)整和精制，汽油中添加四乙基鉛等填加物而進(jìn)行混合，使原料液或產(chǎn)品均勻化?；どa(chǎn)中，制造苯乙烯、乙烯、高壓聚乙烯、聚丙烯、合成橡膠、苯胺染料和油漆顏料等工藝過(guò)程，都裝備著各種型式的攪拌設(shè)備。

在石油工業(yè)中因?yàn)榇罅繎?yīng)用催化劑、添加劑，所以對(duì)攪拌設(shè)備的需要量很大。由于物料操作條件的復(fù)雜性、多樣性，對(duì)攪拌設(shè)備的要求也復(fù)雜化了。如煉油廠的鋁反應(yīng)器、打漿罐、鋇化反應(yīng)釜、硫磷化反應(yīng)釜、白土混合罐等都是裝有各種不同型式攪拌器的攪拌設(shè)備。大型原油貯罐中，由于原油里含有多種不同的組分，各組分重度不同，因此油罐中會(huì)出現(xiàn)各處組成不一的現(xiàn)象，為使油罐中上下組成均一，就必須將原油不斷地進(jìn)行攪拌。

攪拌設(shè)備在化學(xué)纖維生產(chǎn)中，如聚酯、尼龍等生產(chǎn)裝置中就有很多種類。功率從0.09～7KW，轉(zhuǎn)速?gòu)?.5～1500rpm，種類繁多，槳葉的型式也多樣。如催化劑活化設(shè)備，是將雷尼催化劑在進(jìn)入加氫反應(yīng)器前在該設(shè)備中活化?；罨^(guò)程是用NaOH和含在合金中的鋁進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生可溶性的鋁酸鈉而形成骨架，以促進(jìn)其活化?；罨O(shè)備的本體分兩大部分，上部是活化部分，下部是增稠部分。攪拌器安裝在灌頂，功率為5.5KW，可加速并充分完成活化過(guò)程。設(shè)備中間的螺帶式攪拌器為了促進(jìn)增稠作用，因?yàn)闊峁に囁晒薜走M(jìn)入后，使向上逆流活化液，將較輕的鋁酸鈉和過(guò)水量的NaOH向上沖洗，直至由增稠部分頂部的廢水出口排出。設(shè)備底部的錨式攪拌器是為了防止較重的長(zhǎng)期沉積在灌底。

在新型農(nóng)藥－胺菊酶的工業(yè)化試驗(yàn)中，在液相中以銅粉為催化劑的反應(yīng)，成功地使用了行星攪拌器。主要由一對(duì)圓錐齒輪和一根帶有曲柄的錨式攪拌器組成。當(dāng)傳動(dòng)軸通過(guò)曲柄帶動(dòng)有曲柄的錨式攪拌器組成。攪拌器上端的小圓錐齒輪繞著大圓錐齒輪滾動(dòng)，從而獲得了兩種方式的運(yùn)動(dòng)。一種是以攪拌器本身為軸心的轉(zhuǎn)動(dòng)，稱為“自轉(zhuǎn)”,另一種是旋轉(zhuǎn)的攪拌器以反應(yīng)釜中心的轉(zhuǎn)動(dòng)，稱為“公轉(zhuǎn)”。這兩種運(yùn)動(dòng)互相跌合，使流體在釜內(nèi)既有垂直方向的運(yùn)動(dòng)，又有水平方向的運(yùn)動(dòng)。強(qiáng)烈的對(duì)流遍及反應(yīng)釜內(nèi)每一個(gè)角落，從而使比重相差懸殊的固，液兩相混合，解決了因銅粉易沉淀、不易混合均勻的問(wèn)題。
生產(chǎn)高壓聚乙烯的反應(yīng)器是高壓反應(yīng)設(shè)備，乙烯氣與催化劑、調(diào)節(jié)劑進(jìn)入反應(yīng)器后在2000kgf/㎡的高壓、250℃的高溫下進(jìn)行聚合。反應(yīng)器內(nèi)有一攪拌器進(jìn)行攪拌。根據(jù)產(chǎn)品種類不同，可在攪拌軸上安裝區(qū)間擋板，組成單區(qū)操作或壓異溫的雙區(qū)操作。由于采用帶槽和開孔的攪拌軸，在保證剛性的條件下，大大地減輕了軸的重量，而且增加了反應(yīng)空間，改善了攪拌性能。在軸的兩端帶有平衡塊，以滿足調(diào)整軸的動(dòng)平衡精度的要求。槳葉為弓形，用螺釘與軸連接。攪拌軸槳葉與筒體內(nèi)壁的間隙較大，為55mm，區(qū)間擋板與筒體內(nèi)壁的間隙為16mm。攪拌轉(zhuǎn)速為1000rpm或1500rpm。攪拌的傳動(dòng)裝置電機(jī)等亦裝在反應(yīng)器內(nèi)，這樣避免了高壓條件下的密封問(wèn)題。

電影膠片廠使用了高速攪拌器，轉(zhuǎn)速達(dá)8000～10000rpm。在攪拌頭內(nèi)，裝有與攪拌軸直連的高速回轉(zhuǎn)透平轉(zhuǎn)子，它以微小的間隙安裝在不動(dòng)的固定子內(nèi)。操作時(shí)，由于軸的高速回轉(zhuǎn)，帶動(dòng)著透平轉(zhuǎn)子高速回轉(zhuǎn)，這樣，便在攪拌頭的上下部位形成壓力差，被攪拌的液體便沿著攪拌頭底部的吸入孔不斷地吸入，吸入的液體經(jīng)固定子與轉(zhuǎn)子之間的縫隙留至上部，并以極大的動(dòng)能沖至上部折流板，液體再被折流板折回，并沿?cái)嚢杵鬟叡诹髦翑嚢杵鞯撞?。由于液體不斷受到反復(fù)的強(qiáng)制循環(huán)，同時(shí)在攪拌頭內(nèi)又承受著高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子與固定產(chǎn)生的強(qiáng)烈剪切、撞擊、粉碎、研磨等作用，因此能在極短的時(shí)間里使被分撒物質(zhì)微粒化、均勻化。這種攪拌設(shè)備用于彩色膠片成色劑分撒時(shí)，分散后的油珠細(xì)小、均勻，一般在0.2～0.5um之間，制成的影片效果好。這種攪拌設(shè)備不僅可用來(lái)分散油溶性成色劑，而且對(duì)染料、涂料、印刷材料、化纖、食品工業(yè)也是一種理想的設(shè)備。

攪拌設(shè)備使用歷史悠久，應(yīng)用范圍廣，但對(duì)攪拌操作的科學(xué)研究還很不夠。但對(duì)攪拌操作看來(lái)似乎簡(jiǎn)單，但實(shí)際上，它所涉及的因素卻極為復(fù)雜。對(duì)于攪拌器型式的選擇，從工藝的觀點(diǎn)以及力學(xué)觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)，迄今都是研究不夠的。

過(guò)去有很多文獻(xiàn)論述了攪拌設(shè)備的動(dòng)力消耗，并給處了不少情況下的計(jì)算公式，但是由于使用介質(zhì)操作條件的不同，物理化學(xué)性能的差異，容器形狀及內(nèi)部設(shè)施的不同以及各種攪拌器特性上的區(qū)別，正確確定攪拌功率并適當(dāng)?shù)剡x擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)是十分困難的。在沒有模擬試驗(yàn)的情況下，設(shè)計(jì)新的攪拌設(shè)備時(shí)，常采用現(xiàn)有設(shè)備數(shù)據(jù)的方法，寧大勿小，結(jié)果造成了不少的浪費(fèi)。國(guó)內(nèi)有些單位對(duì)一些生產(chǎn)中的攪拌設(shè)備進(jìn)行了功率測(cè)試，從測(cè)試的結(jié)果可以看到，由于功率消耗難于計(jì)算準(zhǔn)確，電動(dòng)機(jī)選用過(guò)大，造成了負(fù)荷率很低的不合理現(xiàn)象。

對(duì)于攪拌設(shè)備的研究，除功率問(wèn)題外，有關(guān)攪拌的流體力學(xué)研究具有重要意義。這方面已做出了許多工作，但尚需擴(kuò)大和深入。在液體中進(jìn)行攪拌時(shí)，攪拌器的功能不僅引起液體的整個(gè)運(yùn)動(dòng)，而且要在液體中產(chǎn)生湍動(dòng)，湍動(dòng)程度與攪拌器使液體旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的漩渦現(xiàn)象有密切關(guān)系。這些漩渦因經(jīng)常地互相撞擊破裂，使液體受到劇烈的攪拌。由此可見在攪拌操作中，對(duì)于流體力學(xué)理論的研究是極其重要的。
近代化學(xué)工業(yè)中，流動(dòng)的物料不再只是一些低粘度的牛頓型流體，許多高粘度流體也常常遇到，尤其是各種各樣的高分子溶液以及混有催化劑粒子的漿狀流體等非牛頓型流體的應(yīng)用日益廣泛。它們與通常的牛頓型流體具有不同的流動(dòng)特性，所以對(duì)于非牛頓型液體的研究是當(dāng)今的一個(gè)重要課題。對(duì)高粘度液體，特別是非牛頓流體的攪拌傳熱研究，也是近年來(lái)的一個(gè)方向。聚合釜的傳熱特性與其中所用的攪拌器的形式關(guān)系甚大。對(duì)于各種常用攪拌器型式的攪拌設(shè)備之傳熱，前人給出了許多方程式，今年來(lái)在一些文章中也補(bǔ)充了有關(guān)攪拌設(shè)備的傳熱系數(shù)的推算公式。

關(guān)于攪拌器，除非遇有特殊的任務(wù)，需要特殊設(shè)計(jì)之外，現(xiàn)有的各種攪拌器，尤其常用的框式、平漿式、推進(jìn)式和渦輪式等已足夠應(yīng)用。而且這些攪拌器已有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，所以對(duì)已有攪拌器性能的深刻了解，應(yīng)予以更多的注意，以便使它們?cè)谑褂弥心軌虺浞职l(fā)揮作用。渦輪式攪拌器現(xiàn)在正被廣泛使用，因?yàn)檫@種攪拌器在工業(yè)上適應(yīng)性是很大的，它幾乎能有效地完成所有的攪拌任務(wù)，并能處理那些特別是化學(xué)工業(yè)中經(jīng)常遇到的各種粘度的物料。

攪拌設(shè)備的軸封多用填料密封和機(jī)械密封。一百多年前，初期的密封都是采用一些天然材料如皮革和侵油等作為軸封。以后油侵密封逐漸發(fā)展成為今天的軟填料密封。由于石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，易燃易爆物質(zhì)比較多，對(duì)密封性能要求較嚴(yán)，1935～1945年間在英美等國(guó)均開始研究和應(yīng)用機(jī)械密封，并得到較快發(fā)展。機(jī)械密封較填料密封有很多優(yōu)點(diǎn)：①泄露量極少。機(jī)械密封的泄露量是填料密封的1﹪。②摩擦功率損失相當(dāng)小。由于接觸面的摩擦系數(shù)很小，因此，機(jī)械密封的功率損失約為填料密封的10～15﹪.③使用壽命長(zhǎng)。一般質(zhì)量好的機(jī)械密封可用2～5年，在正常工作條件下不需要維護(hù)調(diào)整。對(duì)軸的精度和光潔度的要求沒有填料密封那樣嚴(yán)格，耐振性能好。當(dāng)軸擺動(dòng)較大時(shí)，機(jī)械密封防腐蝕涂層時(shí)（噴、涂、襯、塘、包等），能克服填料密封將防腐層磨損或破壞的缺點(diǎn)。機(jī)械密封的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝拆不便，對(duì)動(dòng)環(huán)和靜環(huán)的表面光潔及平直度要求高，不易加工，成本較高。但和優(yōu)點(diǎn)相比只占次要地位。因而機(jī)械密封已日益的到廣泛應(yīng)用。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，設(shè)備有大型化發(fā)展的趨勢(shì)，也要求攪拌設(shè)備大型化。如聚合釜的容積已由最初的8～40㎡擴(kuò)大到60～100㎡，甚至已達(dá)到140㎡.采用大型聚合釜可大大減少操作和檢修人員，有利于自動(dòng)化，減少投資，提高生產(chǎn)率，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。隨著容積的大型化，釜型逐漸由細(xì)長(zhǎng)型向矮胖型發(fā)展。而且采用底部攪拌的方式越來(lái)越多，多用三葉后晾式攪拌器。三葉后掠式攪拌器是目前大型聚合釜采用的一種較好攪拌器。因它排出量大，釜內(nèi)液相循環(huán)充分，每分鐘可達(dá)5～10次，能促進(jìn)使釜內(nèi)反應(yīng)均勻一致。另外，經(jīng)實(shí)踐證明，此種槳葉必須配合擋板使用，來(lái)提高剪切功能，才能更好地發(fā)揮作用。
攪拌也可以在管路中進(jìn)行，采用在管路中安裝裝置的辦法對(duì)氣-液系和液-液系進(jìn)行混合。例如采用噴射式泵對(duì)水及醋酸進(jìn)行混合。在石油精制中，也采用使液體流過(guò)設(shè)置在管路中的銳孔板或擋板，以便使兩種液體進(jìn)行接觸。還有在管道中放入攪拌器的，即所謂管道攪拌。

管道攪拌設(shè)備能連續(xù)輸送一切流體，也有輸送含有固體的流動(dòng)化的半流動(dòng)體。此種攪拌形式，相當(dāng)于攪拌設(shè)備的簡(jiǎn)體部分，容積較小，液體在此停留時(shí)間極短（數(shù)十秒）的情況比較多。在其內(nèi)部為了充分進(jìn)行混合分散或傳熱等需要極強(qiáng)的攪拌。由于管道攪拌設(shè)備空間很小，裝置小，可使攪拌力均勻作用，可減少過(guò)剩的攪拌，所以對(duì)整個(gè)液體可減少功率消耗。對(duì)于連續(xù)化、自動(dòng)化，特別是對(duì)成本有嚴(yán)格要求的，要求特別小的形狀和高性能時(shí)，使用管道攪拌設(shè)備是很有效的。正因?yàn)楣艿罃嚢柙O(shè)備有這些優(yōu)點(diǎn)，所以在石油精制、石油化工、化學(xué)纖維、食品等工業(yè)和水處理技術(shù)中廣泛被液-液混合、濃度調(diào)整、液-液萃取、油脂乳化、液-液稀釋溶解、固-液溶解、液-液和氣-液反應(yīng)等場(chǎng)合。

管道攪拌設(shè)備的種類，按混合殼體不同大體分為直管型、角型和偏心角型等。相對(duì)簡(jiǎn)單的型式是直管型，它容易制造，壓力損失低，清掃方便。但停滯時(shí)間分布大，也就是說(shuō)存在短路比較多，準(zhǔn)確度低的問(wèn)題。對(duì)此有所改進(jìn)的是交錯(cuò)型。角型因介質(zhì)出入方向不同，特別是截面積變大，能誘起液體的旋轉(zhuǎn)，攪拌力容易均勻作用，但因簡(jiǎn)體軸線和攪拌軸軸線同心的情況比較多，容易引起離心作用。
管道混合器是一種沒有機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)部件的混合器。在一段管道內(nèi)裝置有若干個(gè)長(zhǎng)度很短的右旋或左旋的螺旋元件，這些元件相互之間交錯(cuò)排列。兩元件相互連接的兩邊成90°.通常，每個(gè)螺旋元件的長(zhǎng)度約為管道內(nèi)徑的1.5倍。這些元件每6個(gè)事先焊在一起，稱為一組，然后封裝在通常的標(biāo)準(zhǔn)管徑道內(nèi)，構(gòu)成一臺(tái)所需要的管道混合器。被混合的物料進(jìn)入混合器時(shí)，有兩種混合作用方式同時(shí)進(jìn)行，分流作用方式和徑向混合作用方式。表現(xiàn)為一種近于塞流的流動(dòng)特征。

由于管道混合器結(jié)構(gòu)緊湊，有較好的混合效果，維修保養(yǎng)費(fèi)用低廉，在工業(yè)中逐步得到廣泛應(yīng)用。沒有運(yùn)動(dòng)部件的管道混合器從六十年代初開始，激起了工業(yè)界的廣泛興趣。這種混合器在改善和強(qiáng)化熱交換作用以及要求嚴(yán)格控制混合作用等，都發(fā)揮優(yōu)異的作用。它可以進(jìn)行諸如乳化、引入添加劑、易爆物質(zhì)緩和謹(jǐn)慎的混合等多種用途的操作。美國(guó)的Kennics公司于1969年在100多個(gè)廠示范試用該公司所生產(chǎn)的管道混合器，受到使用者的歡迎。