節能型攪拌技術的研究

摘要：文章闡述了攪拌過程的參數化建模，通過多目標優化法實現了對攪拌器和攪拌參數的合理選取，從而在設備選取上保證了最佳節能；介紹了攪拌技術的節能性評價，分析了影響攪拌器能耗的幾個關鍵因素；最后以機械式攪拌發酵罐為例，論述了節能型攪拌技術的具體應用原理和設計方法。

關鍵詞：節能型攪拌技術；機械攪拌；射流混合

中圖分類號：TM401 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）09-0119-02

1 概述

機械混合攪拌技術作為PVC手套配料操作的基本環節之一，它的性能與化工、制藥、石油和冶金等領域的發展息息相關。PVC糊料的性能除了受其各個組成材料的性能、配比等因素影響外，攪拌質量的好壞也對其有顯著作用。我國的混合攪拌技術雖然取得了長足的發展，但與發達國家相比，還存在很大的技術差距。這種差距主要表現在高耗能上，例如，對于一些化工產品，混合攪拌過程的耗能占整個生產全過程的一半左右。因此，在保證PVC糊料的混合攪拌性能的前提下，研究節能型攪拌技術對產品的經濟價值有重要的現實意義。

2 攪拌過程參數化

攪拌過程是一個復雜的系統，尤其針對一些應用于化工領域的攪拌反應器，除了物理作用外，還牽扯大量的化學變化。要實現節能型攪拌，就有必要建立數學模型對這一過程進行綜合描述，數學模型中應該包含有對混合攪拌性能的評價函數。這里需要指出的是，對攪拌結果的評價指標需要包含兩個方面：攪拌性能和攪拌功耗。前者通過對混合攪拌后產品的性能進行評價，后者通過攪拌時間進行評價。節能型攪拌技術的一個重要指標是保證在滿足給定的混合攪拌性能指標的前提下，攪拌器的功率應該盡可能的低，攪拌花費時間應該盡可能的少。顯然，這樣的指標兼顧了混合攪拌性能和攪拌耗能，實現了節能攪拌。這里需要一提的是，要實現對攪拌過程的參數化，還有必要對各種攪拌器進行參數化。

這里的數學模型分為兩類：針對不同攪拌器的參數化建模和針對同一攪拌器的參數化建模。前者側重對不同攪拌器的耗能做一個綜合考慮；后者側重對同一攪拌器不同設置的耗能影響做一個測試。兩者一般是一個多參數的數學模型，所以需要利用相關的多目標優算法進行最優解的求取。通常的做法是依次對單參數進行優化（其他參數保持不變），然后將參數對攪拌性能和攪拌功耗的綜合影響進行排序，最后根據排序結果對每個參數賦予影響力權值。通過多目標優化結果，我們可以得到一組經過優化后的設定參數，根據這個參數投入實際攪拌，可以實現最終的節能型攪拌目標。

3 攪拌技術的節能性評價

機械式混合攪拌器除了當做PVC糊料混合攪拌及普通反應器運用外，還作為大型制藥工業的發酵罐、化肥工業的合成器使用。節能型攪拌器的應用，關鍵在于合適攪拌器的選擇或者設計。沒有通用的攪拌器或者攪拌器設計，在進行攪拌器選擇或者設計時，需要根據具體的使用要求（包括操作條件、混合攪拌的物質以及對攪拌質量的要求等）進行分析。目前比較流行的運用于化工領域的攪拌器結構主要有三種：軸向流型結構、徑向流型結構和混合流型結構等。具體選用哪種結構的攪拌器或者基于哪種結構進行全新的攪拌器設計對最終混合攪拌時間、混合功耗等方面會產生重要影響。現階段還沒有一套行之有效的選擇標準，設計人員或采買人員在進行結構選取的時候往往依照自己的經驗或有限次的實驗，這里還需對結構的節能性做進一步的深入研究。

在通常情況下，攪拌器的功率與攪拌器轉數的三次方、攪拌器筒徑的五次方成正比。所以，在進行攪拌器的設計或選取時，攪拌器的轉數和筒徑就成為了關鍵參數。在要求不高的混合攪拌過程中，選擇筒徑小、轉數低的攪拌器結構對于實現最終的攪拌節能有重要意義。這里需要特別強調一點，使用單位應該根據自己的需求進行實際選取，既不能一味考慮節能而致使攪拌質量降低，也不能一味選擇大功率、大轉速的攪拌器造成能耗浪費。根據筆者的親身體驗，很多企業習慣選取大功率電機帶動的大轉速攪拌器，但對產品的實際攪拌質量卻沒明確的要求，這是一種不合理的觀念。

除了上述介紹的攪拌器轉數和筒徑外，攪拌器的混合效率數（在一定的流體粘度和混合時間下，攪拌器所需要的單位體積混合能）也是衡量其混合性能和攪拌能耗的重要指標。攪拌器的混合效率數越小，能耗越小。

4 節能型攪拌技術的應用實例

機械式攪拌發酵罐是制藥領域的高耗能設備之一，有著成本高的固有缺陷，本節將就機械式攪拌發酵罐為例，對節能型攪拌技術的研究與應用作出詳細說明。

4.1 攪拌發酵罐的結構形式

為了最大限度地節省能量，國內外很多學者提出了大量的攪拌發酵罐結構，包括氣升式、自吸式、噴射式等。在這些結構中，有的已經發展出了技術標準，并且已經實現了工業化的大規模投產，有的還只停留在實驗樣機或小規模試制的階段，甚至還有一部分停留在概念理論當中，需要作進一步的研究。總之，節能型攪拌器發展的主要趨勢是從機械攪拌過渡到其他形式的攪拌（如電磁攪拌、氣流攪拌等）。按氣泡分散所需能量的輸入方式的不同可將攪拌發酵罐分為下列三大類：

4.1.1 利用機械攪拌輸入能量。利用機械攪拌器的渦流剪切來實現罐內氣體在液相中的二次分散，是目前使用最為廣泛的一種攪拌發酵罐。

4.1.2 利用氣體輸入能量。利用噴嘴和內外環流配合來實現氣體的分散，這里攪拌作用的特點是無機械傳遞部件，相對機械攪拌式的發酵罐，能量利用率高。

4.1.3 利用泵送液體輸入能量。這種攪拌發酵罐的典型結構是采用采用兩相射流混合器。其優點是具有很高的氧傳質系數和傳質面積，缺點是易造成泵氣蝕，一般的泵無法滿足使用要求。

對以上三種結構的攪拌發酵罐進行研究比對，采用機械攪拌輸入能量的攪拌發酵罐單位能耗最高，采用射流混合器結構的攪拌發酵罐單位能耗最低。

4.2 機械攪拌發酵罐的結構創新

4.2.1 射流混合器與機械攪拌器結合使用。通過分析比對各種攪拌形式和結構可以看出，每種結構都有自己的優點。雖然機械式攪拌結構單位功耗最高，但其應用技術比較成熟，放大功率相對可靠，操作簡便，還是有很大的潛在市場可供開發的。所以在傳統機械式攪拌結構的基礎上，通過采用一些措施來降低能耗是十分有必要的。通過深入研究，可將射流混合器應用到機械攪拌發酵罐中，與機械攪拌器協同作用，優勢互補，是獲得溶氧提高、能耗下降的有效途徑。

4.2.2 氣體射流混合器。氣體射流混合器由噴嘴、混合管和循環管組成，噴嘴采用縮放噴嘴，混合管為漸放管。安裝在發酵罐底部，安裝角度與水平傾角40°～80°。混合管出口和循環管底部切線對接。

4.2.3 機械攪拌器。機械攪拌器安裝在循環管出口正上方，由多層攪拌器組成。第一層攪拌器采用渦輪式攪拌器，直徑不得小于發酵罐直徑的三分之一。其余各層采用以強化發酵液的湍動和混和為主的攪拌器，其直徑可比第一層攪拌器直徑略小。

4.3 機械攪拌發酵罐的節能原理

由于射流混合器與機械攪拌器的結合使用，使得壓縮空氣能量可以充分被利用，從而形成良好的第一次分散。這時，機械攪拌式發酵罐罐底的攪拌器功能可以被忽略，從結構上可以予以取消，從而使攪拌器層數得以減少。而攪拌器層數與攪拌器消耗的功率直接相關，通過實驗，在相同轉速下，N層攪拌器消耗的總功率遠高于單層攪拌器，一般是單層攪拌器的N倍。例如，五層攪拌器消耗的功率是四層攪拌器（減小一層后）消耗功率的1.25倍。

此外，對各層攪拌器的直徑進行合理選取也對節能有重要意義。針對攪拌發酵罐而言，由于接近循環管出口處的攪拌器除了正常的混合攪拌功能外，還要承擔粉碎氣泡、快速形成氣液單相區的作用，所以宜采用較大的筒徑；其余各層攪拌器對細化氣泡的直徑沒有明顯效果，只起混合攪拌的作用，為了盡可能地實現節能，宜采用較小筒徑。

5 結語

機械混合攪拌技術是隨著化工機械的發展而不斷進步。現有的攪拌技術在滿足攪拌性能方面已經非常成熟，但在降低能耗方面還存在很多不足。這種不足會對我國生態、經濟的可持續發展產生制約影響。在現實中，我們不能只為了攪拌而攪拌，在滿足攪拌性能的前提下，盡可能地降低能耗對減少企業成本、提高產品經濟價值等方面具有重要的現實意義。

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作者簡介：劉文靜（1971—），女，藍帆集團股份有限公司董事，山東藍帆股份股份有限公司總裁，工商管理碩士，研究方向：化工行業、醫藥中間體及塑膠行業設備研發及改造。

（責任編輯：趙秀娟）