機械攪拌反應釜

機械攪拌反應釜

反應釜廣泛應用于石油、化工、橡膠、農藥、染料、醫藥、食品，用來完成硫化、硝化、氫化、烴化、聚合、縮合等工藝過程的壓力容器，按其用途還可分為化學反應釜和生物反應釜，但無論是化學反應釜還是生物反應釜，常用的結構形式是相同的，主要有機械攪拌式反應釜、管式反應釜、固定床反應釜、流化床反應釜。本文主要對機械攪拌式反應釜進行了介紹，簡述了反應釜的基本結構。

化學反應釜；生物反應釜；機械攪拌式反應釜

1 機械攪拌反應釜基本結構

機械攪拌式反應釜，適用于各種物性（如粘度、密度）和各種操作條件（溫度、壓力）的反應過程，廣泛應用于合成塑料、合成纖維、合成橡膠、醫藥、農藥、化肥、染料、涂料、食品、冶金、廢水處理等行業。如實驗室的攪拌反應器可小至數10 mm，而污水處理、濕法冶金、磷肥等工業大型反應器的容積可達數千立方米。除用作化學反應器和生物反應器外，攪拌反應器還大量用于混合、分散、溶解、結晶、萃取、吸收或解吸、傳熱等操作。

攪拌反應器由攪拌容器和攪拌機兩大部分組成。攪拌容器包括筒體、換熱元件及內構件。攪拌器、攪拌軸及其密封裝置、傳動裝置等統稱為攪拌機。

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2 攪拌容器

攪拌容器的作用是為物料反應提供合適空間。攪拌容器的筒體基本是圓筒，封頭常采用橢圓形封頭、錐形封頭和平蓋，以橢圓形封頭應用最廣。根據工藝需要，容器上裝有各種接管，以滿足進料、出料、排氣等要求。為以物料加熱或取走反應熱，常設置外夾套或內盤管。上封頭焊有凸緣法蘭，用于攪拌容器與機架的連接。操作中為了對反應進行控制，必須測量反應物的溫度、壓力、成分及其它參數，容器上還設置有溫度、壓力等傳感器。支座選用應考慮容器的大小和安裝位置，小型的用裙式支座或支承式支座。

工藝設計給定的容積，對直立式攪拌容器通常是指筒體和下封頭兩部分容積之和；對臥式攪拌容器是指筒體和左右兩封頭容積之和。設計時根據攪拌容器的容積、所選用的筒體高徑比，可確定筒體直徑和高度。

3 攪拌器

攪拌器又稱攪拌槳或攪拌葉輪，是攪拌反應器的關鍵部件，其功能是提供過程所需要的能量和適宜的流動狀態。攪拌器旋轉時把機械能傳遞給流體，在攪拌器附近形成高湍動的充分混合區，并產生一股高射流推動液體在攪拌容器內循環流動。這種循環流動的途徑稱為流型。

3.1 攪拌器的分類

按流體流動形態，攪拌器可分為軸向流攪拌器、徑向流攪拌器和混和流攪拌器。按攪拌器結構可分為平葉、折葉、螺旋面葉。槳式、渦輪式、框式和錨式的槳葉都有平葉和折葉兩種結構；推進式、螺桿式和螺帶式的槳葉為螺旋面葉。按攪拌器用途可分為：低粘流體用攪拌器和高粘流體用攪拌器。用于低粘流體攪拌器有：推進式、長薄葉螺旋槳、槳式、開啟渦輪式、圓盤渦輪式、布魯馬金式、板框槳式、三葉后彎式、MIG和改進MIG等。用于高粘流體的攪拌器有：錨式、框式、鋸齒圓盤式、螺旋槳式、螺帶式（單螺帶、雙螺帶）、螺旋-螺帶式等。槳式、推進式、渦輪式和錨式攪拌器在攪拌反應設備中應用最為廣泛，據統計約占攪拌器總數的75%～80%。

3.2 攪拌器的選用

攪拌操作涉及流體的流動、傳質和傳熱，所進行的物理和化學過程對攪拌效果的要求也不同，至今對攪拌器的選用仍帶有很大的經驗性。攪拌器選型一般從三個方面考慮：攪拌目的、物料粘度和攪拌容器容積的大小。選用時除滿足工藝要求外，還應考慮功耗、操作費用，以及制造、維護和檢修等因素。

3.3 機械攪拌器設備技術進展概述

機械攪拌反應器的操作性能直接關系到產品的質量、能耗和生產成本。工程界和學術界對攪拌混合都非常重視，進行了大量的研究工作，取得了不少的研究成果。

3.4 新型攪拌器的開發

每一種攪拌器都不是萬能的，只有在某一特定的應用范圍內才是高效的。最近開發的幾種適用于低、中粘度流體的高效軸流型攪拌器，由于葉片的寬度和傾角隨徑向位置而變，稱為變傾角變葉寬攪拌器。這種攪拌器非常適用于均勻相混合、固液懸浮操作。高效的徑向流有Scaba攪拌器，其特點是弧形葉片形狀可消除葉片后面的氣穴，使通氣功率下降較小，常用于發酵罐的底層攪拌，提高按氣體分散能力。最大葉片式、泛能式、葉片組合式攪拌器，適用的粘度范圍寬，對于混合、傳熱、固液懸浮以及液液分散等操作都比常用的攪拌器效率高。這些攪拌器具有高效節能、造價低廉而且易于大型化的優點，正在傳統的攪拌設備改造中發揮著重要作用。

3.5 組合式攪拌器的應用

在一個攪拌容器內設置不同構形，不同轉速的攪拌器以達到全罐攪拌與混合的目的。例如，用于化妝品、牙膏等生產的攪拌設備，其介質為高粘物料，含有大量固體粉沫，混合要求較高，常在一個容器內設有齒片式、錨式和螺桿式三個不同轉速攪軸。齒片式攪拌器高速回轉、高剪切打碎和分散固體粒子；慢速旋轉的錨式攪拌器不斷把流體輸送到齒片攪拌器產生的高剪切區；螺桿式攪拌器使流體上下循環，三個攪拌器的配合使用，使全罐物料更快達到均勻混合。這種組合式攪拌器可減少混合時間，大量節省能耗，提高產品質量。

3.6 改變攪拌器傳動方式，實現高效節能

回轉兼上下往復運動的攪拌反應器已在很多場合應用。上下往復運動由曲軸帶動連桿來完成，通過在曲軸上掛一副傘齒輪并輔以萬向節產生回轉運動，合理地設計傘齒輪副，使轉動和上下往復運動之間有一個小的相位差，槳葉每次不走重復路線，提高混合效果。由于使用了曲軸連桿機構，轉速太高會產生振動，一般適合于轉速低于100 r/min、中粘流體的混合，以及固體粉末在中粘流體中的溶解。

3.7 攪拌設備的多功能化與智能化

攪拌設備操作靈活方便，特別適合于批量小、更新快、工藝流程用計算機控制的間歇操作的精細化工生產。對于干擾因素多的攪拌反應器，應用傳感器測控，對反應過程進行預測圖控制和模糊控制，使設備運行更加穩定可靠，產品質量更好。

攪拌操作往往與反應、蒸發、真空等過程相聯系。對特定的工藝，可以把幾個功能集中在一起，在同一個攪拌設備內完成，實現多功能一體化。這種設備具有結構緊湊，無連接管道，損耗少，效率高，易于滿足衛生要求等優點。這類集多功能于一體的攪拌裝置已在制藥行業中獲得應用。

攪拌設備是由兩個攪拌器裝在同一中心軸線的內外套筒上，外軸帶動框式攪拌器慢速旋轉，框式攪拌器的外緣裝有刮板，可對容器內壁面進行清污，內軸帶動二層斜葉渦輪攪拌器高旋轉。這種攪拌設備特別適合于操作過程粘度變化的場合。當粘度低時，公開動內軸渦輪攪拌器；粘度高了，則起動框式攪拌器，刮板可清除壁面粘結構，大幅度提高高粘度流體對槽壁的傳熱膜系數，使整個攪拌操作達到高效節能。

攪拌反應器是化學工程和生物工程中最常見也是最重要的單元之一。目前，反應器選型和內構件的設計還在很大程度上依賴于實驗和經驗，對放大規律還缺乏深入的認識，對于能耗和生產成本只能在一定規模的生產裝置上對比后才能得出結論。由于對產品的回收率和質量要求越來越高，對攪拌反應器的研究日趨深入，已從早期就對攪拌功率和混合時間有了研究，20世紀80年代對反應釜內的流體速度場分布的研究，進入到20世紀90年代以來的攪拌釜內三維流場的數值模擬研究。流場數值模擬必須在深入進行流體力學研究的基礎上，綜合考慮其流動的三維性、隨機性、非線性和邊界條件不確定性，通過數值模擬不但可以解決反應器的放大機理，而且可以優化設計開發新型高效攪拌器，使機械攪拌器的設計理論更加完善。