摘要：文章闡述了攪拌過程的參數(shù)化建模，通過多目標優(yōu)化法實現(xiàn)了對攪拌器和攪拌參數(shù)的合理選取，從而在設備選取上保證了最佳節(jié)能；介紹了攪拌技術的節(jié)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(fā)酵罐為例，論述了節(jié)能型攪拌技術的具體應用原理和設計方法。

關鍵詞：節(jié)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(huán)節(jié)之一，它的性能與化工、制藥、石油和冶金等領域的發(fā)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(zhì)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(fā)展，但與發(fā)達國家相比，還存在很大的技術差距。這種差距主要表現(xiàn)在高耗能上，例如，對于一些化工產(chǎn)品，混合攪拌過程的耗能占整個生產(chǎn)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(jié)能型攪拌技術對產(chǎn)品的經(jīng)濟價值有重要的現(xiàn)實意義。

2 攪拌過程參數(shù)化

攪拌過程是一個復雜的系統(tǒng)，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(xiàn)節(jié)能型攪拌，就有必要建立數(shù)學模型對這一過程進行綜合描述，數(shù)學模型中應該包含有對混合攪拌性能的評價函數(shù)。這里需要指出的是，對攪拌結(jié)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(chǎn)品的性能進行評價，后者通過攪拌時間進行評價。節(jié)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(xiàn)了節(jié)能攪拌。這里需要一提的是，要實現(xiàn)對攪拌過程的參數(shù)化，還有必要對各種攪拌器進行參數(shù)化。

這里的數(shù)學模型分為兩類：針對不同攪拌器的參數(shù)化建模和針對同一攪拌器的參數(shù)化建模。前者側(cè)重對不同攪拌器的耗能做一個綜合考慮；后者側(cè)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(shù)的數(shù)學模型，所以需要利用相關的多目標優(yōu)算法進行最優(yōu)解的求取。通常的做法是依次對單參數(shù)進行優(yōu)化（其他參數(shù)保持不變），然后將參數(shù)對攪拌性能和攪拌功耗的綜合影響進行排序，最后根據(jù)排序結(jié)果對每個參數(shù)賦予影響力權值。通過多目標優(yōu)化結(jié)果，我們可以得到一組經(jīng)過優(yōu)化后的設定參數(shù)，根據(jù)這個參數(shù)投入實際攪拌，可以實現(xiàn)最終的節(jié)能型攪拌目標。

3 攪拌技術的節(jié)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(yè)的發(fā)酵罐、化肥工業(yè)的合成器使用。節(jié)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(jù)具體的使用要求（包括操作條件、混合攪拌的物質(zhì)以及對攪拌質(zhì)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(jié)構(gòu)主要有三種：軸向流型結(jié)構(gòu)、徑向流型結(jié)構(gòu)和混合流型結(jié)構(gòu)等。具體選用哪種結(jié)構(gòu)的攪拌器或者基于哪種結(jié)構(gòu)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(chǎn)生重要影響。現(xiàn)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(jié)構(gòu)選取的時候往往依照自己的經(jīng)驗或有限次的實驗，這里還需對結(jié)構(gòu)的節(jié)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(zhuǎn)數(shù)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(zhuǎn)數(shù)和筒徑就成為了關鍵參數(shù)。在要求不高的混合攪拌過程中，選擇筒徑小、轉(zhuǎn)數(shù)低的攪拌器結(jié)構(gòu)對于實現(xiàn)最終的攪拌節(jié)能有重要意義。這里需要特別強調(diào)一點，使用單位應該根據(jù)自己的需求進行實際選取，既不能一味考慮節(jié)能而致使攪拌質(zhì)量降低，也不能一味選擇大功率、大轉(zhuǎn)速的攪拌器造成能耗浪費。根據(jù)筆者的親身體驗，很多企業(yè)習慣選取大功率電機帶動的大轉(zhuǎn)速攪拌器，但對產(chǎn)品的實際攪拌質(zhì)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(zhuǎn)數(shù)和筒徑外，攪拌器的混合效率數(shù)（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(shù)越小，能耗越小。

4 節(jié)能型攪拌技術的應用實例

機械式攪拌發(fā)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(jié)將就機械式攪拌發(fā)酵罐為例，對節(jié)能型攪拌技術的研究與應用作出詳細說明。

4.1 攪拌發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)形式

為了最大限度地節(jié)省能量，國內(nèi)外很多學者提出了大量的攪拌發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)，包括氣升式、自吸式、噴射式等。在這些結(jié)構(gòu)中，有的已經(jīng)發(fā)展出了技術標準，并且已經(jīng)實現(xiàn)了工業(yè)化的大規(guī)模投產(chǎn)，有的還只停留在實驗樣機或小規(guī)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(jié)能型攪拌器發(fā)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(fā)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(xiàn)罐內(nèi)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(fā)酵罐。

4.1.2 利用氣體輸入能量。利用噴嘴和內(nèi)外環(huán)流配合來實現(xiàn)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(fā)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(fā)酵罐的典型結(jié)構(gòu)是采用采用兩相射流混合器。其優(yōu)點是具有很高的氧傳質(zhì)系數(shù)和傳質(zhì)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(jié)構(gòu)的攪拌發(fā)酵罐進行研究比對，采用機械攪拌輸入能量的攪拌發(fā)酵罐單位能耗最高，采用射流混合器結(jié)構(gòu)的攪拌發(fā)酵罐單位能耗最低。

4.2 機械攪拌發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

4.2.1 射流混合器與機械攪拌器結(jié)合使用。通過分析比對各種攪拌形式和結(jié)構(gòu)可以看出，每種結(jié)構(gòu)都有自己的優(yōu)點。雖然機械式攪拌結(jié)構(gòu)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(fā)的。所以在傳統(tǒng)機械式攪拌結(jié)構(gòu)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(fā)酵罐中，與機械攪拌器協(xié)同作用，優(yōu)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(huán)管組成，噴嘴采用縮放噴嘴，混合管為漸放管。安裝在發(fā)酵罐底部，安裝角度與水平傾角40°～80°?；旌瞎艹隹诤脱h(huán)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(huán)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(fā)酵罐直徑的三分之一。其余各層采用以強化發(fā)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(fā)酵罐的節(jié)能原理

由于射流混合器與機械攪拌器的結(jié)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(fā)酵罐罐底的攪拌器功能可以被忽略，從結(jié)構(gòu)上可以予以取消，從而使攪拌器層數(shù)得以減少。而攪拌器層數(shù)與攪拌器消耗的功率直接相關，通過實驗，在相同轉(zhuǎn)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(jié)能有重要意義。針對攪拌發(fā)酵罐而言，由于接近循環(huán)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(qū)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?jīng)]有明顯效果，只起混合攪拌的作用，為了盡可能地實現(xiàn)節(jié)能，宜采用較小筒徑。

5 結(jié)語

機械混合攪拌技術是隨著化工機械的發(fā)展而不斷進步?，F(xiàn)有的攪拌技術在滿足攪拌性能方面已經(jīng)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(tài)、經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生制約影響。在現(xiàn)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(yè)成本、提高產(chǎn)品經(jīng)濟價值等方面具有重要的現(xiàn)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(yè)、醫(yī)藥中間體及塑膠行業(yè)設備研發(fā)及改造。

（責任編輯：趙秀娟）