反應釜攪拌裝置優化改造

＊劉長安 杜劍偉 杜昱宏 肖鵬 戰航 熊思強

（包鋼集團礦山研究院（有限責任公司） 內蒙古 014010）

在化工與冶金等領域中，機械攪拌反應釜作為現代工業中不可或缺的關鍵設備，扮演著促進化工過程、冶金工藝和其他生產領域發展的重要角色。在實際生產工作中，由于內部反應不穩定或設備本身出現問題，反應釜通常會發生各種故障問題，特別是反應釜中的機械攪拌裝置，在生產過程中出現問題的頻率較大。通常情況下，機械攪拌裝置會出現以下故障：

軸承故障：由于長時間的運轉造成軸承的磨損，導致軸承故障。這可能表現為軸承發出異常聲音、轉動不靈活等情況。

密封問題：攪拌裝置的密封件會因為磨損或老化而導致泄漏。泄漏問題會影響反應釜的工作效率，甚至對操作環境產生負面影響。

電機故障：如果驅動機械攪拌裝置的電機發生故障，例如電機燒壞、線路問題等，將影響攪拌器的正常運轉。

攪拌器問題：由于攪拌器設計、安裝或磨損問題，會導致攪拌器失衡、攪拌強度不夠，進而引起振動和噪音、物料沉積等問題，對反應釜的穩定性和設備壽命造成影響。

材料磨損：機械攪拌裝置的關鍵部件，如攪拌葉片，可能因為長時間的使用而產生磨損，降低攪拌效果。

驅動裝置問題：如果驅動機械攪拌裝置的電機或傳動系統存在問題，例如齒輪損壞或傳動帶斷裂，將影響攪拌器的正常運行。

因此，有必要對攪拌裝置進行優化改造，從而有效的確保反應釜的穩定運行，提高生產效率。盡管在修理和改造設備方面投入一定的經費和人力，對于企業而言，這項投資實際上是確保安全生產的必要措施。通過對機械攪拌反應釜進行修理和改造，化工企業能夠在經營和運營過程中實現社會效益和經濟效益的雙贏。通常情況下，反應釜內部進行的反應是復雜且多變的，物料之間的相互反應的過程中會對設備本身造成一定影響，長期以往就會損傷設備。忽視對設備微小細節問題的及時修理和改造，未在定期檢查中提前排查這些細節問題，可能導致在長期運行中發生嚴重的安全事故。因此，就更應該對設備進行優化改造，合理設計釜體結構以及機械攪拌裝置，有效避免設備運行過程中出現的問題，規避可能出現的安全生產風險，提高生產效率，為工業應用中的化學反應提供了全新的可能性。以期為工程實踐和科研領域的專業人士提供有益的參考和啟示，幫助化工行業在發展的過程中不斷提升安全生產以及安全管理水平。

1.機械攪拌反應釜概述

（1）工作原理。機械攪拌反應釜的工作實現，依靠的是力學作用。在反應釜內設置機械攪拌裝置，通過旋轉機械組件將輸入的電能轉化為反應釜內的動能，并通過誘發流場內的復雜湍動過程實現流體的動量耗散，以此來保證反應物間的擴散能力，最終對反應釜內化學反應的進行起到促進作用[1]。

（2）機械攪拌反應釜的組成。機械攪拌反應釜可分為四個部分，其主要組成包括釜體、機械攪拌裝置、管路系統、渣漿泵。

釜體：釜體是反應釜的主要容器，通常由耐腐蝕、高溫高壓的材料構成，以承受不同反應條件下的壓力和溫度。

機械攪拌裝置：機械攪拌裝置通過動力裝置驅動，使得攪拌器或攪拌葉輪在釜體中旋轉，以確保反應物料充分混合，提高反應效率。攪拌裝置的設計可以根據不同的反應需求而變化，包括葉輪形狀、轉速等參數。

管路系統：反應釜內部設置有管路系統，通常包括進料口、出料口以及其他管路，如渣漿泵連接的管路等。這些管路系統用于輸入反應物料、輸出產物或進行其他必要的操作。

渣漿泵：一種通過離心力將固、液混合介質能量增加的機械設備，通過電能轉換成介質的動能和勢能。在泵的作用下，混合介質被拋向外緣并獲得能量，然后通過蝸形泵殼逐漸減速，將動能轉變為靜壓能，最終以較高的壓力流入排出管道，輸送含有渣滓的固體顆粒與水的混合物。

（3）機械攪拌裝置的結構。機械攪拌裝置可分為六個部分：攪拌軸、攪拌器、動力裝置、軸承、密封裝置、控制系統。其中攪拌器是主要部分，其連接在攪拌軸上，起攪拌作用。攪拌器一般根據反應釜用途及大小進行設計，有多種攪拌器形式。

表1 攪拌器按結構分類

（4）攪拌器分類。在工業生產中攪拌設計的相關方面仍有需要完善與發展的空間，例如，單一的攪拌槳葉形狀與結構、不合理的攪拌器選型、不恰當的操作運行參數導致生產資源的浪費，效益低下等問題[2-3]。攪拌器主要由攪拌軸和攪拌槳組成，其中攪拌槳是影響攪拌效果的主要因素。攪拌槳葉的選型和結構參數，直接對攪拌釜的攪拌性能以及功耗產生了影響[4]。攪拌器按槳葉攪拌結構分類，可以分為不同類型。以下是一些常見的按槳葉攪拌結構分類的攪拌器。

攪拌器的槳葉形狀多種多樣，不同形狀的槳葉適用于不同的混合要求和工藝條件。以下是一些常見的攪拌器槳葉形狀。

表2 攪拌器按槳葉分類

2.機械攪拌反應釜主要問題及改進措施

(1)存在的問題

①反應物聚集。當前的工業生產中，面臨的主要問題之一是礦漿在前期工藝處理后進入機械攪拌反應釜，與相關介質發生反應。在這個過程中，反應釜中的礦漿會與硫酸和堿反應，生成物逐漸在礦物表面聚集形成結殼。結殼的逐漸堆積使得礦物無法有效地與酸和堿繼續深入反應，對整個生產過程的效率產生負面影響。

②礦漿沉積。隨著反應的進行，礦物被反應生成物形成的結殼包圍，導致無法與反應釜中的酸反應，同時由于結殼的包圍導致礦物比重變大，礦物及結殼逐漸沉積到反應釜的底部，攪拌器力度不夠，難以將沉積物擴散。這種沉積不僅增加了清理和維護的難度，還導致攪拌器動力受阻，損耗和縮短設備壽命。

因此，解決結殼和沉積問題對于提高反應效率、確保生產過程的穩定性以及降低設備維護成本至關重要。

圖1 反應釜結構簡圖

(2)改造措施

目前，在化工與冶金等領域生產中，通用的機械攪拌反應釜的攪拌效果并不理想，并且機械攪拌對處理物料的表面形成結殼的效果不佳。因此，亟需一種反應釜能夠提高礦漿與相關介質的反應效率。

本次改造措施是基于包鋼集團礦山研究院（有限責任公司）下屬的氧化鈧中試基地進行的“從包鋼選鈮尾礦中提取三氧化二鈧的中試試驗研究”。

①改造攪拌器結構。為改善機械攪拌反應釜攪拌時的強度狀況，提出一種改造措施：與傳統的反應釜攪拌器結構比較，攪拌器由單層葉輪結構改為雙層葉輪結構。第一層葉輪位于釜體的中部，第二葉輪位于釜體的底部，攪拌器采用雙層結構，將沉積到底部的礦物擴散出去，同時中部的葉輪攪拌可加速礦物擴散，也阻止礦物及結殼的聚集物向底部沉積，大大提高了攪拌強度。葉輪結構分布見圖2。

圖2 機械攪拌反應釜改造簡圖

②改造攪拌器槳葉。在實際應用中，根據具體工藝需要選用適當的槳葉形狀，以提高混合效率和產品質量。這些分類主要依據槳葉的數量、排列方式以及角度等結構特征來劃分，確保在特定工藝條件下實現最佳的混合效果。在一般工業生產中，對于內部反應較為簡單的傳統反應釜來說，槳葉要求不高，通常為平直形狀，適用于一般混合強度，攪拌強度不高。針對本次改造，雙層葉輪均選用四葉式斜葉，第二層葉輪形狀采用彎月形。四葉槳葉可顯著增加攪拌強度，快速混合。斜葉的槳葉呈斜角，提高混合效率，加快了反應速度，有效阻止了結殼在礦物表面聚集，使反應高效進行。改進后的槳葉，攪拌時間縮短了40%～50%，礦物混合效率提高了50%，反應速度提高了一倍。底部彎月形槳葉，增加了槳葉的切割能力，極大減小攪拌器阻力，同時由于其具有較高的切割能力，能將底部沉積物迅速擴散。

③釜體底部安裝渣漿泵。在反應過程中，由于結殼的存在，礦物會逐漸沉積在底部，不利于反應進行。因此在釜體底部安裝一個低流量高揚程的渣漿泵，通過連接的管路再打回機械攪拌反應釜，在釜體內部形成一個循環，可以讓礦物和酸更好的接觸，釜體內礦物擴散的更加均勻，見圖2。

④優化管路系統。在釜體底部，從釜體內部延伸出一條管路連接渣漿泵，再由渣漿泵從釜體上部延伸到釜體內部形成循環，管路末端做一個徑縮，從渣漿泵抽出的底部沉積物經過循環到管路末端產生射流。射流具有較大動能，產生較高速度的撞擊，將礦物表面的結殼破壞，同時這種循環撞擊的過程防止了反應生成物在釜體內聚集形成結殼，見圖2。此外，管路系統材料的選擇可根據反應物性質的不同進行靈活選擇，以適應各種反應物料和介質情況。

⑤加強精細管理。通過加強現場崗位操作人員培訓，細化機械攪拌反應釜的操作指標考核等方式，提高運行水平。部門領導、技術員、現場崗位操作人員每天多次檢查反應釜運行情況，及時調整生產參數，發現問題及時處理。

3.結論

（1）攪拌器改為雙層葉輪結構后，加速了礦物在釜體內部的擴散，也有效阻止了礦物及結殼的聚集物向底部沉積，大大提高了攪拌強度。

（2）改變槳葉形狀、數量及角度后，相較改造前，攪拌時間縮短了40%～50%，礦物混合效率較改造前提高了50%，有效阻止了結殼在礦物表面聚集，反應速度提高了一倍，使反應高效進行。增加了槳葉的切割能力，極大減小攪拌器阻力，底部沉積物能迅速擴散。

（3）安裝渣漿泵及優化管路后，提高了釜內礦物循環能力，阻止生成物聚集，提高反應效率。

綜上所述，通過對機械攪拌反應釜的問題分析，對其進行針對性的改造，顯著增強攪拌強度，減小物料聚集沉底程度，從而大幅提高反應效率，使機械攪拌反應釜的運行更加穩定可靠。也間接降低維修成本，延長設備壽命。這為未來工業生產帶來了潛在的益處。