攪拌設備在工業生產中的應用

攪拌設備在工業生產中的應用范圍很廣,尤其是化學工業中,很多化工生產都或多或少地應用著攪拌操作。化學工藝過程的種種化學變化,是以參加反應物質的充分混合為前提的,對于加熱、冷

 攪拌設備在工業生產中的應用范圍很廣,尤其是化學工業中,很多化工生產都或多或少地應用著攪拌操作。化學工藝過程的種種化學變化,是以參加反應物質的充分混合為前提的,對于加熱、冷卻和液體萃取以及氣體吸收等物理變化過程,也往往要采用攪拌操作才能得到好的效果。攪拌設備在許多場合是作為反應器來應用的。例如在三大合成材料的生產中,攪拌設備作為反應器,約占反應器總數的90%.其它如染料、醫藥、農藥、油漆等行業,攪拌設備的使用亦很廣泛。有色冶金部門對全國有色冶金行業中的攪拌設備作了調查及功率測試,結果是許多濕法車間的動力消耗50%以上是用在攪拌作業上。攪拌設備的應用范圍之所以這樣廣泛,還因攪拌設備操作條件(如濃度、溫度、停留時間等)的可控范圍較廣,又能適應多樣化的生產。
攪拌設備的作用不外乎: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強化相間的傳質(如吸收等)。⑥強化傳熱。對于均勻相反應,主要是①、⑥兩點。混合的快慢,均勻程度和傳熱情況好壞,都會影響反應結果。至于非均相系統,則還影響相界面的大小和相間的傳質速度,情況就更復雜,所以攪拌情況的改變,常很敏感地影響到產品的質量和數量。生產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裝置中,攪拌的主要作用是:促進釜內物料流動,使反應器內物料均勻分布,增大傳質和傳熱系數。在聚合反應過程中,往往隨著轉化率的增加,聚合液的粘度也增加。如果攪拌情況不好,就會造成傳熱系數下降或局部過熱,物料和催化劑分散不均勻,影響聚合產品的質量,也容易導致聚合物粘壁,使聚合反應操作不能很好地進行下去。


在互不相溶的液體之間或液體和固體相互作用時,攪拌在加速反應的進行方面起著非常重要的作用。因為增加一物相混入另一物相的速度,接觸面就會增大,物質就以較大速度相互作用。在某些情況下,攪拌是在反應過程中創造良好條件的一個重要因素。例如,使傳熱作用加強,減少局部過熱,以及避免加熱過程中物質焦化等。如高壓聚乙烯生產中,由于攪拌器的作用,使反應器內有一定的停留時間,更重要的是使催化劑在器內分布均勻,以防止局部猛烈的聚合作用造成爆炸。因此攪拌設備在工業生產中起著非常重要的作用。


攪拌設備在石油化工生產中被用于物料混合、溶解、傳熱、制備懸浮液、聚合反應、制備催化劑等。例如石油工業中,異種原石油的混合調整和精制,汽油中添加四乙基鉛等填加物而進行混合,使原料液或產品均勻化。化工生產中,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程,都裝備著各種型式的攪拌設備。


在石油工業中因為大量應用催化劑、添加劑,所以對攪拌設備的需要量很大。由于物料操作條件的復雜性、多樣性,對攪拌設備的要求也復雜化了。如煉油廠的鋁反應器、打漿罐、鋇化反應釜、硫磷化反應釜、白土混合罐等都是裝有各種不同型式攪拌器的攪拌設備。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,因此油罐中會出現各處組成不一的現象,為使油罐中上下組成均一,就必須將原油不斷地進行攪拌。


攪拌設備在化學纖維生產中,如聚酯、尼龍等生產裝置中就有很多種類。功率從0.09~7KW,轉速從6.5~1500rpm,種類繁多,槳葉的型式也多樣。如催化劑活化設備,是將雷尼催化劑在進入加氫反應器前在該設備中活化。活化過程是用NaOH和含在合金中的鋁進行化學反應,產生可溶性的鋁酸鈉而形成骨架,以促進其活化。活化設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程。設備中間的螺帶式攪拌器為了促進增稠作用,因為熱工藝水由罐底進入后,使向上逆流活化液,將較輕的鋁酸鈉和過水量的NaOH向上沖洗,直至由增稠部分頂部的廢水出口排出。設備底部的錨式攪拌器是為了防止較重的長期沉積在灌底。


在新型農藥-胺菊酶的工業化試驗中,在液相中以銅粉為催化劑的反應,成功地使用了行星攪拌器。主要由一對圓錐齒輪和一根帶有曲柄的錨式攪拌器組成。當傳動軸通過曲柄帶動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,從而獲得了兩種方式的運動。一種是以攪拌器本身為軸心的轉動,稱為“自轉”,另一種是旋轉的攪拌器以反應釜中心的轉動,稱為“公轉”。這兩種運動互相跌合,使流體在釜內既有垂直方向的運動,又有水平方向的運動。強烈的對流遍及反應釜內每一個角落,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、不易混合均勻的問題。
生產高壓聚乙烯的反應器是高壓反應設備,乙烯氣與催化劑、調節劑進入反應器后在2000kgf/㎡的高壓、250℃的高溫下進行聚合。反應器內有一攪拌器進行攪拌。根據產品種類不同,可在攪拌軸上安裝區間擋板,組成單區操作或壓異溫的雙區操作。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,而且增加了反應空間,改善了攪拌性能。在軸的兩端帶有平衡塊,以滿足調整軸的動平衡精度的要求。槳葉為弓形,用螺釘與軸連接。攪拌軸槳葉與筒體內壁的間隙較大,為55mm,區間擋板與筒體內壁的間隙為16mm。攪拌轉速為1000rpm或1500rpm。攪拌的傳動裝置電機等亦裝在反應器內,這樣避免了高壓條件下的密封問題。


電影膠片廠使用了高速攪拌器,轉速達8000~10000rpm。在攪拌頭內,裝有與攪拌軸直連的高速回轉透平轉子,它以微小的間隙安裝在不動的固定子內。操作時,由于軸的高速回轉,帶動著透平轉子高速回轉,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,吸入的液體經固定子與轉子之間的縫隙留至上部,并以極大的動能沖至上部折流板,液體再被折流板折回,并沿攪拌器邊壁流至攪拌器底部。由于液體不斷受到反復的強制循環,同時在攪拌頭內又承受著高速旋轉的轉子與固定產生的強烈剪切、撞擊、粉碎、研磨等作用,因此能在極短的時間里使被分撒物質微粒化、均勻化。這種攪拌設備用于彩色膠片成色劑分撒時,分散后的油珠細小、均勻,一般在0.2~0.5um之間,制成的影片效果好。這種攪拌設備不僅可用來分散油溶性成色劑,而且對染料、涂料、印刷材料、化纖、食品工業也是一種理想的設備。


攪拌設備使用歷史悠久,應用范圍廣,但對攪拌操作的科學研究還很不夠。但對攪拌操作看來似乎簡單,但實際上,它所涉及的因素卻極為復雜。對于攪拌器型式的選擇,從工藝的觀點以及力學觀點來說,迄今都是研究不夠的。


過去有很多文獻論述了攪拌設備的動力消耗,并給處了不少情況下的計算公式,但是由于使用介質操作條件的不同,物理化學性能的差異,容器形狀及內部設施的不同以及各種攪拌器特性上的區別,正確確定攪拌功率并適當地選擇驅動電機是十分困難的。在沒有模擬試驗的情況下,設計新的攪拌設備時,常采用現有設備數據的方法,寧大勿小,結果造成了不少的浪費。國內有些單位對一些生產中的攪拌設備進行了功率測試,從測試的結果可以看到,由于功率消耗難于計算準確,電動機選用過大,造成了負荷率很低的不合理現象。


對于攪拌設備的研究,除功率問題外,有關攪拌的流體力學研究具有重要意義。這方面已做出了許多工作,但尚需擴大和深入。在液體中進行攪拌時,攪拌器的功能不僅引起液體的整個運動,而且要在液體中產生湍動,湍動程度與攪拌器使液體旋轉而產生的漩渦現象有密切關系。這些漩渦因經常地互相撞擊破裂,使液體受到劇烈的攪拌。由此可見在攪拌操作中,對于流體力學理論的研究是極其重要的。
近代化學工業中,流動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用日益廣泛。它們與通常的牛頓型流體具有不同的流動特性,所以對于非牛頓型液體的研究是當今的一個重要課題。對高粘度液體,特別是非牛頓流體的攪拌傳熱研究,也是近年來的一個方向。聚合釜的傳熱特性與其中所用的攪拌器的形式關系甚大。對于各種常用攪拌器型式的攪拌設備之傳熱,前人給出了許多方程式,今年來在一些文章中也補充了有關攪拌設備的傳熱系數的推算公式。


關于攪拌器,除非遇有特殊的任務,需要特殊設計之外,現有的各種攪拌器,尤其常用的框式、平漿式、推進式和渦輪式等已足夠應用。而且這些攪拌器已有相應的標準,所以對已有攪拌器性能的深刻了解,應予以更多的注意,以便使它們在使用中能夠充分發揮作用。渦輪式攪拌器現在正被廣泛使用,因為這種攪拌器在工業上適應性是很大的,它幾乎能有效地完成**的攪拌任務,并能處理那些特別是化學工業中經常遇到的各種粘度的物料。


攪拌設備的軸封多用填料密封和機械密封。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展成為今天的軟填料密封。由于石油化學工業的發展,易燃易爆物質比較多,對密封性能要求較嚴,1935~1945年間在英美等國均開始研究和應用機械密封,并得到較快發展。機械密封較填料密封有很多優點:①泄露量極少。機械密封的泄露量是填料密封的1﹪。②摩擦功率損失相當小。由于接觸面的摩擦系數很小,因此,機械密封的功率損失約為填料密封的10~15﹪.③使用壽命長。一般質量好的機械密封可用2~5年,在正常工作條件下不需要維護調整。對軸的精度和光潔度的要求沒有填料密封那樣嚴格,耐振性能好。當軸擺動較大時,機械密封防腐蝕涂層時(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。機械密封的缺點是結構復雜,裝拆不便,對動環和靜環的表面光潔及平直度要求高,不易加工,成本較高。但和優點相比只占次要地位。因而機械密封已日益的到廣泛應用。
隨著科學技術的發展,設備有大型化發展的趨勢,也要求攪拌設備大型化。如聚合釜的容積已由*初的8~40㎡擴大到60~100㎡,甚至已達到140㎡.采用大型聚合釜可大大減少操作和檢修人員,有利于自動化,減少投資,提高生產率,穩定產品質量。隨著容積的大型化,釜型逐漸由細長型向矮胖型發展。而且采用底部攪拌的方式越來越多,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,釜內液相循環充分,每分鐘可達5~10次,能促進使釜內反應均勻一致。另外,經實踐證明,此種槳葉必須配合擋板使用,來提高剪切功能,才能更好地發揮作用。
攪拌也可以在管路中進行,采用在管路中安裝裝置的辦法對氣-液系和液-液系進行混合。例如采用噴射式泵對水及醋酸進行混合。在石油精制中,也采用使液體流過設置在管路中的銳孔板或擋板,以便使兩種液體進行接觸。還有在管道中放入攪拌器的,即所謂管道攪拌。


管道攪拌設備能連續輸送一切流體,也有輸送含有固體的流動化的半流動體。此種攪拌形式,相當于攪拌設備的簡體部分,容積較小,液體在此停留時間極短(數十秒)的情況比較多。在其內部為了充分進行混合分散或傳熱等需要極強的攪拌。由于管道攪拌設備空間很小,裝置小,可使攪拌力均勻作用,可減少過剩的攪拌,所以對整個液體可減少功率消耗。對于連續化、自動化,特別是對成本有嚴格要求的,要求特別小的形狀和高性能時,使用管道攪拌設備是很有效的。正因為管道攪拌設備有這些優點,所以在石油精制、石油化工、化學纖維、食品等工業和水處理技術中廣泛被液-液混合、濃度調整、液-液萃取、油脂乳化、液-液稀釋溶解、固-液溶解、液-液和氣-液反應等場合。


管道攪拌設備的種類,按混合殼體不同大體分為直管型、角型和偏心角型等。相對簡單的型式是直管型,它容易制造,壓力損失低,清掃方便。但停滯時間分布大,也就是說存在短路比較多,準確度低的問題。對此有所改進的是交錯型。角型因介質出入方向不同,特別是截面積變大,能誘起液體的旋轉,攪拌力容易均勻作用,但因簡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械運轉部件的混合器。在一段管道內裝置有若干個長度很短的右旋或左旋的螺旋元件,這些元件相互之間交錯排列。兩元件相互連接的兩邊成90°.通常,每個螺旋元件的長度約為管道內徑的1.5倍。這些元件每6個事先焊在一起,稱為一組,然后封裝在通常的標準管徑道內,構成一臺所需要的管道混合器。被混合的物料進入混合器時,有兩種混合作用方式同時進行,分流作用方式和徑向混合作用方式。表現為一種近于塞流的流動特征。


由于管道混合器結構緊湊,有較好的混合效果,維修保養費用低廉,在工業中逐步得到廣泛應用。沒有運動部件的管道混合器從六十年代初開始,激起了工業界的廣泛興趣。這種混合器在改善和強化熱交換作用以及要求嚴格控制混合作用等,都發揮優異的作用。它可以進行諸如乳化、引入添加劑、易爆物質緩和謹慎的混合等多種用途的操作。美國的Kennics公司于1969年在100多個廠示范試用該公司所生產的管道混合器,受到使用者的歡迎。

(2014-08-26發布,點擊:)
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