在化工 , 特別是精細(xì)化工生產(chǎn)中, 攪拌設(shè)備的應(yīng)用是非常廣泛的。攪拌器選用是否合理 , 將直接影響到化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、 收率、 能耗等 , 因此合理的選用攪拌器在工程設(shè)計中是不可忽視的。
 
1 目的和機(jī)理
 
要合理的選用攪拌器 , shou先要了解攪拌目的和攪拌的混合機(jī)理。在化工生產(chǎn)中 , 經(jīng)常有以下幾種情況要進(jìn)行攪拌。
1.1 均相液體混合
 
把互溶液體混合。通過攪拌盡可能達(dá)到分子規(guī)模均勻程度。如混酸配制、 石油產(chǎn)品混合等。
1.2 非均相液體混合
 
把互不相溶的兩種液體混合起來, 使其中的一相以微小液滴狀均勻分散到另一相液體中去。比如在精細(xì)化工制藥和食品工業(yè)中常會碰到乳化過程, 通過攪拌 , 使**液相以極小的液滴形式分散于第二液相 , 形成穩(wěn)定的混合物。又如溶劑萃取過程中 , 為了增大液液兩相間的界面, 實現(xiàn)相間傳質(zhì) , 可通過攪拌來完成。
1.3 固液混合
 
讓固體顆粒在液體中懸浮。如在以固體作為催化劑的液相反應(yīng)中 , 用攪拌器可以防止固體沉降, 提供反應(yīng)所需的固液傳質(zhì)環(huán)境。
1.4 氣液混合
 
在氧化、 加氫和生物發(fā)酵等工業(yè)操作中 , 攪拌時, 把大氣泡打碎成微小氣泡并使之均勻分散 
到整個液相中 , 以增大氣液接觸面。
 
1.5 強(qiáng)化液體與器壁的傳熱
 
為了強(qiáng)化流體與器壁之間的傳熱 , 在器壁處的流體應(yīng)有足夠的流速 , 使介質(zhì)和器壁面有一個較大的傳熱系數(shù), 通過攪拌可達(dá)此目的。
 
以上幾種情況是化工生產(chǎn)中常見的。在實際的攪拌操作過程中, 常常同時要達(dá)到好幾種目的。攪拌之所以能達(dá)到以上幾種目的是因為物料在攪拌作用下相互摻合 , 形成具有某種均勻程度混合的緣故。攪拌器旋轉(zhuǎn), 推動液體高速流動,同時又帶動周圍液體, 使全部液體在釜內(nèi)循環(huán)流動, 形成宏觀上的總體流動。攪拌器有兩大功能:①使液體產(chǎn)生強(qiáng)大的總體流動, 以保證裝置內(nèi)不存在靜止區(qū), 達(dá)到宏觀均勻 ;②產(chǎn)生強(qiáng)大的湍動 , 使液體微團(tuán)尺寸減小。湍流的強(qiáng)弱在攪拌器的選用過程中是較為重要的一個環(huán)節(jié)。因為總體流動中高速旋轉(zhuǎn)的旋渦與液體微團(tuán)之間會產(chǎn)生很大的相對運(yùn)動和剪切力, 攪拌器選用得當(dāng), 攪拌效果越好時 , 液團(tuán)分割得就越細(xì)小 , 使得混合的組分之間接觸面不斷增大 , 分子擴(kuò)散速率增加, 混合物的分離強(qiáng)度下降, 也即混合效果越好。
 
2 分類
 
化工生產(chǎn)過程中, 通常用到的攪拌器種類有槳式攪拌器、 渦輪式攪拌器、 推進(jìn)式攪拌器、 錨式攪拌器、 框式攪拌器、 螺帶式攪拌器等。各類攪拌器由于其構(gòu)造 , 性能等差異 , 使其能夠分別適用于化工生產(chǎn)中各種不同的工況。以下就各種類型的攪拌器作一簡單介紹。
 
2.1 槳式
 
槳式攪拌器如圖 1 所示。
槳式攪拌器又可分為平直葉和折葉攪拌器兩種。這類攪拌器的結(jié)構(gòu)和加工都比較簡單。攪拌器直徑d 與釜徑 D 之比 d/D 為 0.35 ～ 0.8 , 其運(yùn)轉(zhuǎn)速度為 10 ～ 100r/min , 為大型低速攪拌器 , 適用于低、 中等粘度物料的混合及促進(jìn)傳熱 , 可溶固體的混合與溶解等場合。運(yùn)轉(zhuǎn)時以剪切力為主。就平直葉和折葉兩種相比較而言, 由于折葉槳式攪拌器的葉片與旋轉(zhuǎn)平面形成夾角 , 因此在旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的軸向流要大于平直式 , 其宏觀混合效果更好些。在實際生產(chǎn)中, 會遇到釜深液高的情況, 此時單層槳式攪拌器難以攪拌均勻, 通常采用的方法是裝幾層槳葉, 相鄰二層槳葉間成90°角交錯安裝 。由于槳式攪拌器制造和更換方便, 因此常用于化工生產(chǎn)中有防腐蝕和金屬污染要求的工況。
2.2 渦輪式
 
渦輪式攪拌器如圖 2 所示。

比 d/D 為 0.17 ～ 0.5 , 轉(zhuǎn)速為30 ～ 500r/min 。旋
 
轉(zhuǎn)時有較高的局部剪切作用 , 能得到高分散度微團(tuán), 適用于氣液混合及液液混合或強(qiáng)烈攪拌的場合, 常用于低中等粘度物料 (μ<5 ×10⁴cP)。就開啟式和圓盤式相比較而言 , 其構(gòu)造上差異造成開啟式比圓盤式循環(huán)流量更大, 軸向混合效果更好。渦輪式攪拌器的葉片形狀除了有平直葉和折葉外 , 還有一種彎葉, 在攪拌中 , 此種葉片受損程度、 消耗功率都低, 適用于固體懸浮、 固體溶解等攪拌場合。
2.3 推進(jìn)式
 
推進(jìn)式攪拌器如圖 3 所示。
圖 4  錨式和框式攪拌器
 
錨式攪拌器從外形結(jié)構(gòu)上看 , 即在平直葉槳式攪拌器的葉片上加垂直槳葉。而框式攪拌器則在錨式攪拌器上加一橫梁。此類攪拌器的一個特點(diǎn)是攪拌外緣與釜壁間隙很小 , d/D 為 0.9 ～ 0.98 , 此特點(diǎn)使得攪拌時物料不易產(chǎn)生死區(qū) 。轉(zhuǎn)速為 1 ～ 100r/min , 為低速攪拌器, 只產(chǎn)生切線流, 剪切作用小 , 無軸向混合 , 適用于高粘度(μ<10⁵cP)物料的攪拌 。如精細(xì)化工產(chǎn)品涂料 、油漆、 化妝品的生產(chǎn)過程中常用到此類攪拌器。
2.5 螺帶式
 
螺帶式攪拌器如圖 5 所示。
 
此類攪拌器是把一定螺距的螺旋形鋼帶固定在攪拌軸上 , 螺帶外緣很接近釜壁。攪拌時 , 物料沿釜壁上升, 沿軸向下運(yùn)動。適用于高粘度料液 (μ<10⁵cP)的混合。
3 提高攪拌效率的措施
 
為了提高攪拌效率, 常采用以下措施。
 
3.1 擋板
 
攪拌釜內(nèi)加擋板有安裝豎擋板和橫擋板兩種。**常用的是沿容器壁垂直安裝條形鋼板 , 數(shù)量一般為 4 塊, 寬度為容器直徑的 1/12 ～ 1/10 。當(dāng)容器內(nèi)徑很大和很小時 , 可按實際情況確定擋板數(shù)目。安裝擋板后 , 作圓周運(yùn)動的料液遇擋板后, 運(yùn)動方向發(fā)生變化, 在擋板后造成旋渦 , 使切向流改為軸向和徑向流 , 而對料液本身的徑向流和軸向流沒有影響 , 提高了混合效果 , 液面下凹現(xiàn)象消失。
 
當(dāng)雷諾數(shù)較小時就不應(yīng)采用擋板, 因為會在檔板后面形成停滯區(qū)而降低攪拌效果。只有當(dāng)雷諾數(shù)大于 300 時 , 設(shè)置擋板才有效。
3.2 導(dǎo)流筒
 
導(dǎo)流筒限制了循環(huán)路徑, 減少短路 , 使設(shè)備內(nèi)的物料通過導(dǎo)流筒內(nèi)的劇烈攪拌以達(dá)到預(yù)期的攪拌效果。
3.3 非對稱性循環(huán)回路破壞循環(huán)回路的對稱性即破壞料液的圓周運(yùn)動, 消除液面下凹現(xiàn)象。在工程設(shè)計中, 常會看到將攪拌器偏心安裝或偏心傾斜安裝。此種方法常用于小型設(shè)備。對于大型容器可將攪拌器偏心水平安裝。
 
4 選用
 
在攪拌器的選用時 , 可按需攪拌的料液粘度及攪拌目的來選型。
4.1 料液粘度
 
就攪拌料液的物性來看 , 粘度對攪拌效果的好壞是一個很重要的因素。
 
低粘度料液混合時的流動形式是湍流 , 運(yùn)動時高速旋轉(zhuǎn)的旋渦尺寸越小 , 對液體微團(tuán)的破碎作用越大 , 混合效果就越好。由此看來應(yīng)選用直徑小 , 高轉(zhuǎn)速攪拌器。性能優(yōu)劣依次為:推進(jìn)式>渦輪式 >槳式。
 
反之 , 高粘度料液混合時的流動形式通常是層流。由于料液高粘度這一特性 , 使得攪拌時不能象低粘度料液那樣依靠慣性力 , 因此攪拌葉輪直徑 d 與釜徑 D 之比 d/D 盡量大 , 所以應(yīng)先選擇錨式和框式攪拌器, 也可選螺帶式。
4.2 攪拌目的
 
4.2.1 均相液體混合
 
均相低粘度液體混合流動狀態(tài)為湍流 , 即循環(huán)流量起決定性因素。按此特點(diǎn)選擇的攪拌器依次為 :推進(jìn)式 >渦輪式 >槳式。
4.2.2 非均相液體混合
 
為了使其中一相以盡可能小的液滴狀均勻分散到另一相中去, 就要求液體被攪拌時有較大的剪切力和循環(huán)流量 , 以此來選擇的優(yōu)劣依次為:渦輪式>推進(jìn)式>槳式。
4.2.3 固液混合
 
固液混合要求讓固體懸浮于液體中需要容積循環(huán)好。如固體比重與液體比重差小時, 可選用推進(jìn)式攪拌器。因為此類攪拌器為軸流型 , 循環(huán)速率高。當(dāng)固體比重與液體比重差大時, 則應(yīng)選用開啟式渦輪攪拌器, 此類攪拌器工作時會把沉降的固體顆粒浮起來而推進(jìn)式則正好相反。
4.2.4 氣液混合
 與液液互不相溶混合相似, 在剪切力作用下盡可能將大氣泡打碎成小氣泡以增大接觸面積,

使之均勻分散**液相 , 剪切力起決定作用, 應(yīng)優(yōu)
先選用渦輪式攪拌器 , 又以平直葉圓盤渦輪攪拌
器**為合適。因為此攪拌器中間的圓盤可將氣泡
(一般由容器底部通入)壓**其下, 而后均勻分
散**液相 ,	避免了氣泡直接由攪拌軸短路。
4.2.5  強(qiáng)化液體與器壁的傳熱
此類操作的總體循環(huán)流量和換熱面積上的高
速流動起主要作用, 可優(yōu)先選用渦輪式攪拌器。

5 實例
 
通過以上分析不難看出, 化工工藝設(shè)計中在選用攪拌器時, shou先要分析攪拌的目的 , 再結(jié)合所需攪拌的物料的物性綜合考慮, 按各類攪拌器的特性進(jìn)行選用。筆者曾經(jīng)在某一精細(xì)化工項目中遇到一硝化反應(yīng)過程, 反應(yīng)是將甲苯以油珠狀態(tài)分散到混酸中進(jìn)行硝化。從攪拌目的來看 , 此反應(yīng)屬于互不相溶的液液混合。前面分析過 , 要使互不相溶的液液混合反應(yīng)充分, 就要使被分散物料甲苯的尺寸越小越好 , 以增加與混酸的接觸面積, 這就要求所選用的攪拌器有較好的剪切作用和循環(huán)流量, 而渦輪式攪拌器正好符合這一要
 
求 , 選用后反應(yīng)效果很好 。
 
以上所述是理論上及經(jīng)驗上選用攪拌器的方
 
法和步驟。事實上, 攪拌是一個十分復(fù)雜的過程, 攪拌效果和攪拌形式、 尺寸之間很難建立定量關(guān)系 , 在實際選用過程中必須通過實驗確定 , 通過小試、 中試**后適用于實際生產(chǎn)中 , 即所謂的攪拌器的放大。
 
化工工藝中經(jīng)常會遇到一些特殊工況, 按照上述的方法選擇單一形式的攪拌器效果不好 , 這就需要通過試驗 , 選用不同種類攪拌器進(jìn)行組合。某個西藥的生產(chǎn)過程中有一步氯化反應(yīng) :將鹽酸加入粉狀的環(huán)氧物內(nèi)進(jìn)行氯化。此反應(yīng)中沒

有加入溶劑溶解粉狀物, 所以反應(yīng)料液狀態(tài)復(fù)

雜, 既有粘稠物, 又有粉狀物。先采用較常選用

的錨式攪拌器進(jìn)行攪拌 , 但發(fā)現(xiàn)反應(yīng)不充分, 轉(zhuǎn)

化率低。分析后發(fā)現(xiàn)錨式攪拌器只有在同高度上

的環(huán)向流而無軸向流, 底部有很多環(huán)氧物沒有與

鹽酸反應(yīng) , 形成 “死區(qū)” 。后來用錨式攪拌器上

組裝推進(jìn)式攪拌器 , 以增加軸向流, 結(jié)果效果十

分明顯, 反應(yīng)轉(zhuǎn)化率迅速提高, 達(dá)到了要求。

6 結(jié)語
 
綜上所述 , 通過對攪拌目的 , 攪拌機(jī)理及攪拌器的類型進(jìn)行分析后 , 不難看出, 化工工藝應(yīng)按以下方式選用攪拌器。
 
(1)分析工藝設(shè)計中的攪拌目的 :是均相液體混合還是互不相溶的液液混合 ;是固液混合還是氣液混合。
 
(2)結(jié)合所需攪拌的物料性質(zhì)綜合考慮, 按各類攪拌器的特性進(jìn)行選用。
 
(3)遇到特殊工況時, 還需分析研究 , 在掌握攪拌器的經(jīng)驗用法的同時 , 通過小試、 中試,對攪拌器進(jìn)行合理選用 , 以達(dá)到工藝要求。