节能型搅拌技术的研究

摘要：文章阐述了搅拌过程的参数化建模，通过多目标优化法实现了对搅拌器和搅拌参数的合理选取，从而在设备选取上保证了最佳节能；介绍了搅拌技术的节能性评价，分析了影响搅拌器能耗的几个关键因素；最后以机械式搅拌发酵罐为例，论述了节能型搅拌技术的具体应用原理和设计方法。

关键词：节能型搅拌技术；机械搅拌；射流混合

中图分类号：TM401 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）09-0119-02

1 概述

机械混合搅拌技术作为PVC手套配料操作的基本环节之一，它的性能与化工、制药、石油和冶金等领域的发展息息相关。PVC糊料的性能除了受其各个组成材料的性能、配比等因素影响外，搅拌质量的好坏也对其有显著作用。我国的混合搅拌技术虽然取得了长足的发展，但与发达国家相比，还存在很大的技术差距。这种差距主要表现在高耗能上，例如，对于一些化工产品，混合搅拌过程的耗能占整个生产全过程的一半左右。因此，在保证PVC糊料的混合搅拌性能的前提下，研究节能型搅拌技术对产品的经济价值有重要的现实意义。

2 搅拌过程参数化

搅拌过程是一个复杂的系统，尤其针对一些应用于化工领域的搅拌反应器，除了物理作用外，还牵扯大量的化学变化。要实现节能型搅拌，就有必要建立数学模型对这一过程进行综合描述，数学模型中应该包含有对混合搅拌性能的评价函数。这里需要指出的是，对搅拌结果的评价指标需要包含两个方面：搅拌性能和搅拌功耗。前者通过对混合搅拌后产品的性能进行评价，后者通过搅拌时间进行评价。节能型搅拌技术的一个重要指标是保证在满足给定的混合搅拌性能指标的前提下，搅拌器的功率应该尽可能的低，搅拌花费时间应该尽可能的少。显然，这样的指标兼顾了混合搅拌性能和搅拌耗能，实现了节能搅拌。这里需要一提的是，要实现对搅拌过程的参数化，还有必要对各种搅拌器进行参数化。

这里的数学模型分为两类：针对不同搅拌器的参数化建模和针对同一搅拌器的参数化建模。前者侧重对不同搅拌器的耗能做一个综合考虑；后者侧重对同一搅拌器不同设置的耗能影响做一个测试。两者一般是一个多参数的数学模型，所以需要利用相关的多目标优算法进行最优解的求取。通常的做法是依次对单参数进行优化（其他参数保持不变），然后将参数对搅拌性能和搅拌功耗的综合影响进行排序，最后根据排序结果对每个参数赋予影响力权值。通过多目标优化结果，我们可以得到一组经过优化后的设定参数，根据这个参数投入实际搅拌，可以实现最终的节能型搅拌目标。

3 搅拌技术的节能性评价

机械式混合搅拌器除了当做PVC糊料混合搅拌及普通反应器运用外，还作为大型制药工业的发酵罐、化肥工业的合成器使用。节能型搅拌器的应用，关键在于合适搅拌器的选择或者设计。没有通用的搅拌器或者搅拌器设计，在进行搅拌器选择或者设计时，需要根据具体的使用要求（包括操作条件、混合搅拌的物质以及对搅拌质量的要求等）进行分析。目前比较流行的运用于化工领域的搅拌器结构主要有三种：轴向流型结构、径向流型结构和混合流型结构等。具体选用哪种结构的搅拌器或者基于哪种结构进行全新的搅拌器设计对最终混合搅拌时间、混合功耗等方面会产生重要影响。现阶段还没有一套行之有效的选择标准，设计人员或采买人员在进行结构选取的时候往往依照自己的经验或有限次的实验，这里还需对结构的节能性做进一步的深入研究。

在通常情况下，搅拌器的功率与搅拌器转数的三次方、搅拌器筒径的五次方成正比。所以，在进行搅拌器的设计或选取时，搅拌器的转数和筒径就成为了关键参数。在要求不高的混合搅拌过程中，选择筒径小、转数低的搅拌器结构对于实现最终的搅拌节能有重要意义。这里需要特别强调一点，使用单位应该根据自己的需求进行实际选取，既不能一味考虑节能而致使搅拌质量降低，也不能一味选择大功率、大转速的搅拌器造成能耗浪费。根据笔者的亲身体验，很多企业习惯选取大功率电机带动的大转速搅拌器，但对产品的实际搅拌质量却没明确的要求，这是一种不合理的观念。

除了上述介绍的搅拌器转数和筒径外，搅拌器的混合效率数（在一定的流体粘度和混合时间下，搅拌器所需要的单位体积混合能）也是衡量其混合性能和搅拌能耗的重要指标。搅拌器的混合效率数越小，能耗越小。

4 节能型搅拌技术的应用实例

机械式搅拌发酵罐是制药领域的高耗能设备之一，有着成本高的固有缺陷，本节将就机械式搅拌发酵罐为例，对节能型搅拌技术的研究与应用作出详细说明。

4.1 搅拌发酵罐的结构形式

为了最大限度地节省能量，国内外很多学者提出了大量的搅拌发酵罐结构，包括气升式、自吸式、喷射式等。在这些结构中，有的已经发展出了技术标准，并且已经实现了工业化的大规模投产，有的还只停留在实验样机或小规模试制的阶段，甚至还有一部分停留在概念理论当中，需要作进一步的研究。总之，节能型搅拌器发展的主要趋势是从机械搅拌过渡到其他形式的搅拌（如电磁搅拌、气流搅拌等）。按气泡分散所需能量的输入方式的不同可将搅拌发酵罐分为下列三大类：

4.1.1 利用机械搅拌输入能量。利用机械搅拌器的涡流剪切来实现罐内气体在液相中的二次分散，是目前使用最为广泛的一种搅拌发酵罐。

4.1.2 利用气体输入能量。利用喷嘴和内外环流配合来实现气体的分散，这里搅拌作用的特点是无机械传递部件，相对机械搅拌式的发酵罐，能量利用率高。

4.1.3 利用泵送液体输入能量。这种搅拌发酵罐的典型结构是采用采用两相射流混合器。其优点是具有很高的氧传质系数和传质面积，缺点是易造成泵气蚀，一般的泵无法满足使用要求。

对以上三种结构的搅拌发酵罐进行研究比对，采用机械搅拌输入能量的搅拌发酵罐单位能耗最高，采用射流混合器结构的搅拌发酵罐单位能耗最低。

4.2 机械搅拌发酵罐的结构创新

4.2.1 射流混合器与机械搅拌器结合使用。通过分析比对各种搅拌形式和结构可以看出，每种结构都有自己的优点。虽然机械式搅拌结构单位功耗最高，但其应用技术比较成熟，放大功率相对可靠，操作简便，还是有很大的潜在市场可供开发的。所以在传统机械式搅拌结构的基础上，通过采用一些措施来降低能耗是十分有必要的。通过深入研究，可将射流混合器应用到机械搅拌发酵罐中，与机械搅拌器协同作用，优势互补，是获得溶氧提高、能耗下降的有效途径。

4.2.2 气体射流混合器。气体射流混合器由喷嘴、混合管和循环管组成，喷嘴采用缩放喷嘴，混合管为渐放管。安装在发酵罐底部，安装角度与水平倾角40°～80°。混合管出口和循环管底部切线对接。

4.2.3 机械搅拌器。机械搅拌器安装在循环管出口正上方，由多层搅拌器组成。第一层搅拌器采用涡轮式搅拌器，直径不得小于发酵罐直径的三分之一。其余各层采用以强化发酵液的湍动和混和为主的搅拌器，其直径可比第一层搅拌器直径略小。

4.3 机械搅拌发酵罐的节能原理

由于射流混合器与机械搅拌器的结合使用，使得压缩空气能量可以充分被利用，从而形成良好的第一次分散。这时，机械搅拌式发酵罐罐底的搅拌器功能可以被忽略，从结构上可以予以取消，从而使搅拌器层数得以减少。而搅拌器层数与搅拌器消耗的功率直接相关，通过实验，在相同转速下，N层搅拌器消耗的总功率远高于单层搅拌器，一般是单层搅拌器的N倍。例如，五层搅拌器消耗的功率是四层搅拌器（减小一层后）消耗功率的1.25倍。

此外，对各层搅拌器的直径进行合理选取也对节能有重要意义。针对搅拌发酵罐而言，由于接近循环管出口处的搅拌器除了正常的混合搅拌功能外，还要承担粉碎气泡、快速形成气液单相区的作用，所以宜采用较大的筒径；其余各层搅拌器对细化气泡的直径没有明显效果，只起混合搅拌的作用，为了尽可能地实现节能，宜采用较小筒径。

5 结语

机械混合搅拌技术是随着化工机械的发展而不断进步。现有的搅拌技术在满足搅拌性能方面已经非常成熟，但在降低能耗方面还存在很多不足。这种不足会对我国生态、经济的可持续发展产生制约影响。在现实中，我们不能只为了搅拌而搅拌，在满足搅拌性能的前提下，尽可能地降低能耗对减少企业成本、提高产品经济价值等方面具有重要的现实意义。

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作者简介：刘文静（1971―），女，蓝帆集团股份有限公司董事，山东蓝帆股份股份有限公司总裁，工商管理硕士，研究方向：化工行业、医药中间体及塑胶行业设备研发及改造。