机械搅拌反应釜概述

冯桂江

（江苏金斗重工有限公司，江苏 盐城 224000）

机械搅拌反应釜概述

冯桂江

（江苏金斗重工有限公司，江苏 盐城 224000）

反应釜广泛应用于石油、化工、橡胶、农药、染料、医药、食品，用来完成硫化、硝化、氢化、烃化、聚合、缩合等工艺过程的压力容器，按其用途还可分为化学反应釜和生物反应釜，但无论是化学反应釜还是生物反应釜，常用的结构形式是相同的，主要有机械搅拌式反应釜、管式反应釜、固定床反应釜、流化床反应釜。本文主要对机械搅拌式反应釜进行了介绍，简述了反应釜的基本结构。

化学反应釜；生物反应釜；机械搅拌式反应釜

1 机械搅拌反应釜基本结构

机械搅拌式反应釜，适用于各种物性（如粘度、密度）和各种操作条件（温度、压力）的反应过程，广泛应用于合成塑料、合成纤维、合成橡胶、医药、农药、化肥、染料、涂料、食品、冶金、废水处理等行业。如实验室的搅拌反应器可小至数10 mm，而污水处理、湿法冶金、磷肥等工业大型反应器的容积可达数千立方米。除用作化学反应器和生物反应器外，搅拌反应器还大量用于混合、分散、溶解、结晶、萃取、吸收或解吸、传热等操作。

搅拌反应器由搅拌容器和搅拌机两大部分组成。搅拌容器包括筒体、换热元件及内构件。搅拌器、搅拌轴及其密封装置、传动装置等统称为搅拌机。

2 搅拌容器

搅拌容器的作用是为物料反应提供合适空间。搅拌容器的筒体基本是圆筒，封头常采用椭圆形封头、锥形封头和平盖，以椭圆形封头应用最广。根据工艺需要，容器上装有各种接管，以满足进料、出料、排气等要求。为以物料加热或取走反应热，常设置外夹套或内盘管。上封头焊有凸缘法兰，用于搅拌容器与机架的连接。操作中为了对反应进行控制，必须测量反应物的温度、压力、成分及其它参数，容器上还设置有温度、压力等传感器。支座选用应考虑容器的大小和安装位置，小型的用裙式支座或支承式支座。

工艺设计给定的容积，对直立式搅拌容器通常是指筒体和下封头两部分容积之和；对卧式搅拌容器是指筒体和左右两封头容积之和。设计时根据搅拌容器的容积、所选用的筒体高径比，可确定筒体直径和高度。

3 搅拌器

搅拌器又称搅拌桨或搅拌叶轮，是搅拌反应器的关键部件，其功能是提供过程所需要的能量和适宜的流动状态。搅拌器旋转时把机械能传递给流体，在搅拌器附近形成高湍动的充分混合区，并产生一股高射流推动液体在搅拌容器内循环流动。这种循环流动的途径称为流型。

3.1 搅拌器的分类

按流体流动形态，搅拌器可分为轴向流搅拌器、径向流搅拌器和混和流搅拌器。按搅拌器结构可分为平叶、折叶、螺旋面叶。桨式、涡轮式、框式和锚式的桨叶都有平叶和折叶两种结构；推进式、螺杆式和螺带式的桨叶为螺旋面叶。按搅拌器用途可分为：低粘流体用搅拌器和高粘流体用搅拌器。用于低粘流体搅拌器有：推进式、长薄叶螺旋桨、桨式、开启涡轮式、圆盘涡轮式、布鲁马金式、板框桨式、三叶后弯式、MIG和改进MIG等。用于高粘流体的搅拌器有：锚式、框式、锯齿圆盘式、螺旋桨式、螺带式（单螺带、双螺带）、螺旋-螺带式等。桨式、推进式、涡轮式和锚式搅拌器在搅拌反应设备中应用最为广泛，据统计约占搅拌器总数的75%～80%。

3.2 搅拌器的选用

搅拌操作涉及流体的流动、传质和传热，所进行的物理和化学过程对搅拌效果的要求也不同，至今对搅拌器的选用仍带有很大的经验性。搅拌器选型一般从三个方面考虑：搅拌目的、物料粘度和搅拌容器容积的大小。选用时除满足工艺要求外，还应考虑功耗、操作费用，以及制造、维护和检修等因素。

3.3 机械搅拌器设备技术进展概述

机械搅拌反应器的操作性能直接关系到产品的质量、能耗和生产成本。工程界和学术界对搅拌混合都非常重视，进行了大量的研究工作，取得了不少的研究成果。

3.4 新型搅拌器的开发

每一种搅拌器都不是万能的，只有在某一特定的应用范围内才是高效的。最近开发的几种适用于低、中粘度流体的高效轴流型搅拌器，由于叶片的宽度和倾角随径向位置而变，称为变倾角变叶宽搅拌器。这种搅拌器非常适用于均匀相混合、固液悬浮操作。高效的径向流有Scaba搅拌器，其特点是弧形叶片形状可消除叶片后面的气穴，使通气功率下降较小，常用于发酵罐的底层搅拌，提高按气体分散能力。最大叶片式、泛能式、叶片组合式搅拌器，适用的粘度范围宽，对于混合、传热、固液悬浮以及液液分散等操作都比常用的搅拌器效率高。这些搅拌器具有高效节能、造价低廉而且易于大型化的优点，正在传统的搅拌设备改造中发挥着重要作用。

3.5 组合式搅拌器的应用

在一个搅拌容器内设置不同构形，不同转速的搅拌器以达到全罐搅拌与混合的目的。例如，用于化妆品、牙膏等生产的搅拌设备，其介质为高粘物料，含有大量固体粉沫，混合要求较高，常在一个容器内设有齿片式、锚式和螺杆式三个不同转速搅轴。齿片式搅拌器高速回转、高剪切打碎和分散固体粒子；慢速旋转的锚式搅拌器不断把流体输送到齿片搅拌器产生的高剪切区；螺杆式搅拌器使流体上下循环，三个搅拌器的配合使用，使全罐物料更快达到均匀混合。这种组合式搅拌器可减少混合时间，大量节省能耗，提高产品质量。

3.6 改变搅拌器传动方式，实现高效节能

回转兼上下往复运动的搅拌反应器已在很多场合应用。上下往复运动由曲轴带动连杆来完成，通过在曲轴上挂一副伞齿轮并辅以万向节产生回转运动，合理地设计伞齿轮副，使转动和上下往复运动之间有一个小的相位差，桨叶每次不走重复路线，提高混合效果。由于使用了曲轴连杆机构，转速太高会产生振动，一般适合于转速低于100 r/min、中粘流体的混合，以及固体粉末在中粘流体中的溶解。

3.7 搅拌设备的多功能化与智能化

搅拌设备操作灵活方便，特别适合于批量小、更新快、工艺流程用计算机控制的间歇操作的精细化工生产。对于干扰因素多的搅拌反应器，应用传感器测控，对反应过程进行预测图控制和模糊控制，使设备运行更加稳定可靠，产品质量更好。

搅拌操作往往与反应、蒸发、真空等过程相联系。对特定的工艺，可以把几个功能集中在一起，在同一个搅拌设备内完成，实现多功能一体化。这种设备具有结构紧凑，无连接管道，损耗少，效率高，易于满足卫生要求等优点。这类集多功能于一体的搅拌装置已在制药行业中获得应用。

搅拌设备是由两个搅拌器装在同一中心轴线的内外套筒上，外轴带动框式搅拌器慢速旋转，框式搅拌器的外缘装有刮板，可对容器内壁面进行清污，内轴带动二层斜叶涡轮搅拌器高旋转。这种搅拌设备特别适合于操作过程粘度变化的场合。当粘度低时，公开动内轴涡轮搅拌器；粘度高了，则起动框式搅拌器，刮板可清除壁面粘结构，大幅度提高高粘度流体对槽壁的传热膜系数，使整个搅拌操作达到高效节能。

搅拌反应器是化学工程和生物工程中最常见也是最重要的单元之一。目前，反应器选型和内构件的设计还在很大程度上依赖于实验和经验，对放大规律还缺乏深入的认识，对于能耗和生产成本只能在一定规模的生产装置上对比后才能得出结论。由于对产品的回收率和质量要求越来越高，对搅拌反应器的研究日趋深入，已从早期就对搅拌功率和混合时间有了研究，20世纪80年代对反应釜内的流体速度场分布的研究，进入到20世纪90年代以来的搅拌釜内三维流场的数值模拟研究。流场数值模拟必须在深入进行流体力学研究的基础上，综合考虑其流动的三维性、随机性、非线性和边界条件不确定性，通过数值模拟不但可以解决反应器的放大机理，而且可以优化设计开发新型高效搅拌器，使机械搅拌器的设计理论更加完善。

（P-04）

Overview of mechanically stirred reaction kettle

TQ052

1009-797X （2015） 22-0056-02

A DOI：10.13520/j.cnki.rpte.2015.22.022

冯桂江（1981-），毕业于江苏大学，现从事压力容器设计与制造工作。

2015-09-13