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攪拌器的選型

攪拌器是反應(yīng)釜的重要組成部分，是一種廣泛應(yīng)用的操作單元，它的復(fù)雜性在于它的原理要涉及流體力學(xué)、傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)等多種過程。

一、攪拌器在化工生產(chǎn)中的用途

化工生產(chǎn)的各種工藝過程涉及到各種不同特性的物料，各種不同的攪拌目的，所選的攪拌器不同，工藝過程種類多，攪拌的用途也多。

1、液體的互溶

兩種或多種液體的互溶、混合，但是均相液體的攪拌又應(yīng)區(qū)分均相液體混合物中是否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，對于沒有化學(xué)反應(yīng)的情況，通常稱為互溶液體的調(diào)和或調(diào)勻。對于兩種或數(shù)種互溶液體間存在化學(xué)反應(yīng)的情形，為了加速反應(yīng)或使反應(yīng)完全，也應(yīng)進(jìn)行攪拌。

2、互不相容液體的分散

這種操作目的是互不相溶的液體相互接觸，相互充分分散，以有利于傳質(zhì)或換學(xué)反應(yīng)，或制備懸濁液和乳化液。攪拌的作用是使液滴細(xì)化，增大相對接觸面積。

3、氣液相的接觸

這種攪拌使氣體成為細(xì)微氣泡，在液相中均勻分散，形成穩(wěn)定的分散質(zhì)，或增強(qiáng)液體吸收氣體，或加快氣液相發(fā)展化學(xué)反應(yīng)等。

4、固液相的分散

顧葉祥的攪拌用途較廣，有時是制備均勻懸浮液，有時是固體的溶解，有時是固液相間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，有時是固相在液體中洗滌，有時是從飽和液體中析出晶體等。

5、加強(qiáng)傳熱

有些液體反應(yīng)的時候需要加熱或者冷卻，通過攪拌提高液體的傳熱速度或者使液體的溫度更均勻。

二、攪拌器的形式

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1、推進(jìn)式攪拌器

推進(jìn)式攪拌器常用整體鑄造，加工方便，結(jié)構(gòu)類似于輪船的螺旋推進(jìn)器，常有三片槳葉組成。

推進(jìn)式攪拌器直徑取反應(yīng)釜內(nèi)經(jīng)的1/4～1/3，切向線速度可達(dá)5～15m/s，轉(zhuǎn)速為300～600rpm，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)1750rpm。一般說小直徑取高轉(zhuǎn)速，大直徑取低轉(zhuǎn)速。攪拌時能使物料在反應(yīng)釜內(nèi)循環(huán)流動，所起的作用以容積循環(huán)為主，剪切作用小，上下翻騰效果好，但采用擋板或者導(dǎo)流筒則軸向循環(huán)更強(qiáng)。

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2、槳式攪拌器

槳式攪拌器是一種結(jié)構(gòu)和加工都非常簡單的攪拌器，共兩片槳葉，槳葉安裝形式可分為平直葉和折葉兩種，平直葉就是葉面與旋轉(zhuǎn)方向互相垂直，折葉則是葉面與旋轉(zhuǎn)方向呈一定的傾斜角度。

槳式攪拌器直徑取反應(yīng)釜內(nèi)經(jīng)的1/3～4/5，一般取1/2，不宜采用太長的槳葉，因為攪拌器消耗的功率與槳葉直徑的五次方成正比。槳式攪拌器的運(yùn)轉(zhuǎn)速度較慢，轉(zhuǎn)速一般為20～80rpm，圓周速度在1.5～3m/s范圍內(nèi)比較合適。平直葉攪拌器其低速時以水平環(huán)向流為主，速度高時為徑流型；有擋板時為上下循環(huán)流；折葉攪拌器有軸向分流、徑向分流和環(huán)向分流，一般在層流、過度流狀態(tài)時操作。

在料液層比較高的情況下，裝有幾層槳葉，相鄰兩層槳葉常交叉成90°角安裝。在一般情況下，幾層槳葉安裝位置如下：

一層安裝在下封頭對接環(huán)焊縫高度處；

二層的話，一層安裝在下封頭對接環(huán)焊縫高度處；另一層安裝在下封頭對接環(huán)焊縫與液面的中間的二分之一處或者稍高處；

三層的話，一層安裝在下封頭對接環(huán)焊縫高度處，另一層安裝在液面下約200mm處，中間再安裝一層。

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3、渦輪式攪拌器

渦輪式攪拌器有開啟式的和帶圓盤式的，槳葉分為平直葉和彎葉兩種。攪拌葉一般和圓盤焊接或者用螺栓連接，也有鑄造而成的。蝸輪式攪拌器直徑取反應(yīng)釜內(nèi)經(jīng)的1/5～1/2，一般取1/3，槳葉一般為6片，其切向線速度為4～10m/s，轉(zhuǎn)速為10～300rpm，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)600rpm。渦輪式攪拌器使流體均勻的由垂直方向運(yùn)動改變?yōu)樗椒较蜻\(yùn)動，自渦輪流出的高速液流沿圓周運(yùn)動的切線方向散開，使在整個液體內(nèi)得到激烈的攪拌，當(dāng)采用擋板時帶圓盤渦輪式攪拌器的流體以槳葉為界限形成上下兩個循環(huán)流，折葉的有軸向分流。圓盤上下的液體混合不如開啟渦輪式。

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4、框式和錨式攪拌器

框式攪拌器可以視為槳式攪拌器的變形，水平的槳葉與垂直的槳葉連成一體成為剛性的框架，結(jié)構(gòu)比較堅固，當(dāng)這種攪拌器底部形狀和反應(yīng)釜下封頭形狀相似時，常稱為錨式攪拌器。攪拌器一般用扁鋼或者角鋼彎制。

框式或錨式攪拌器的框架或錨架直徑往往較大，通常其直徑取反應(yīng)釜內(nèi)經(jīng)的2/3～9/10，其切向線速度為0.5～1.5m/s，轉(zhuǎn)速為30～80rpm，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)100rpm左右。一般為層流狀態(tài)操作。又是為了增大攪拌范圍，在槳上增加 立葉和橫梁。

5、螺帶式攪拌器

螺帶式攪拌器專用于高粘度液體的攪拌。攪拌器是由鋼帶按一定螺距旋形繞成，鋼帶的外沿常做成幾乎貼近釜內(nèi)壁，與釜內(nèi)壁的間隙很小，故攪拌時能不斷將粘于釜壁的沉積物料刮掉。一般轉(zhuǎn)速較低，約0.5～50rpm，其線速度小于2m/s。運(yùn)轉(zhuǎn)時，液體成軸流型，一般是液體沿釜壁螺旋上升再沿槳軸而下，屬層流狀態(tài)操作。

6、其他形式攪拌

除上述五種攪拌外，還有很多種攪拌器。例如：螺桿式、布爾馬金式、三葉后掠式、圓筒式、行星式攪拌器等。

螺桿式攪拌器一般直徑不大，只有反應(yīng)釜內(nèi)經(jīng)的2/5～1/2，轉(zhuǎn)速為0.5～50rpm，流動狀態(tài)與螺帶式攪拌器相同，不同處是螺桿式攪拌器可以偏心放在反應(yīng)釜內(nèi)。

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三、攪拌器的選型

反應(yīng)釜攪拌器一個好的選型方法最好具備兩個條件：一是選擇結(jié)果合理，一是選擇方法簡便，而這兩點卻往往難以同時具備。

由于液體的粘度對攪拌狀態(tài)有很大的影響，所以根據(jù)反應(yīng)釜內(nèi)攪拌介質(zhì)粘度大小來選型是一種基本的方法。幾種典型的攪拌器都隨粘度的高低而有不同的使用范圍。隨粘度增高的各種攪拌器使用順序為推進(jìn)式、渦輪式、漿式、錨式和螺帶式等，這里對推進(jìn)式的分得較細(xì)，提出了大容量液體時用低轉(zhuǎn)速，小容量液體時用高轉(zhuǎn)速。這個選型圖不是絕對地規(guī)定了使用漿型的限制，實際上各種漿型的使用范圍是有重疊的，例如漿式由于其結(jié)構(gòu)簡單，用擋板可以改善流型，所以在低粘度時也是應(yīng)用得較普遍的，而蝸輪式由于其對流循環(huán)能力、湍流擴(kuò)散和剪切力都較強(qiáng)，幾乎是應(yīng)用最廣的一種漿型。

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根據(jù)攪拌過程的目的與攪器適成的流動狀態(tài)判斷該過程所適用的漿型，這是一種比較合用的方法。

推薦漿型是把漿型分成快速型與慢速型兩類，前者在湍流狀態(tài)操作，后者在層流狀態(tài)操作。選用時根據(jù)攪拌目的與流動狀態(tài)來決定槳型及擋板條件，流動狀態(tài)的決定要受攪拌介質(zhì)的粘度高低的影響。

下面對其中幾個主要的過程進(jìn)一步做些說明：

1、低粘度均相液體混合，是難度最小的一種攪拌過程，只有當(dāng)容積很大且要求混合時間很短時才比較困難。由于推進(jìn)式的循環(huán)能力強(qiáng)且消耗動力少，所以是最合適的。

2、對分散操作過程，渦輪式因具有高剪切力和較大循環(huán)能力，所以最為適用。特別是平直葉渦輪的剪力作用比折葉和彎葉的剪力作用大，就更為合適。推進(jìn)式和槳式由于其剪切力比平直葉渦輪的小，所以只能在液體分散量較小的情況下可用，而其中槳式很少用于分散操作。分散操作都有擋板來加強(qiáng)剪切效果。

3、固體懸浮操作以渦輪式的使用范圍最大，其中以開啟渦輪式為最好。它沒有中間的圓盤部分，不致阻礙槳葉上下的液相混合，而且彎葉開啟渦輪的優(yōu)點更突出，它的排出性好、槳葉不易磨損，所以用于固體懸浮操作更合適。推進(jìn)式的使用范圍較窄，固液比重差大或固液比在50%以上時不適用。使用擋板時，要注意防止固體顆粒在擋板角落上的堆積。一般固液比較低時，才用擋板，而折葉開啟渦輪、推進(jìn)式都有軸向流，所以也可以不用擋板。

4、氣體吸收過程以圓盤式輪最合運(yùn)，它的剪切力強(qiáng)，而且圓盤的下面可以存住一些氣體，使氣體的分散更穩(wěn)定，而開式渦輪就沒有這個優(yōu)。槳式及推進(jìn)式對氣體吸收過程基本上不合用，只有在少量以吸收的氣體要求分散度不高時還能應(yīng)用。

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