鄭毅駿

（中國石化上海石油化工研究院，上海 201208）

攪拌操作廣泛應用于各類化工領(lǐng)域，特別是在處理中高黏物系過程中，起到了不可替代的作用。根據(jù)流體切應力與速度梯度之間是否呈線性關(guān)系，中高黏物系可分為牛頓流體和非牛頓流體。牛頓流體受到的切應力與速度梯度的比值恒定，即為流體的黏度；非牛頓流體可分為與時間無關(guān)的塑性流體、假塑性流體、脹塑性流體，以及與時間有關(guān)的流變性流體和觸變性流體[1]。聚合物溶液大多屬于假塑性流體，其表觀黏度隨剪切變形速率的增加而減小，基于這類流體的攪拌裝置的研究報道也較多。對中高黏牛頓流體攪拌過程的研究，常采用麥芽糖漿[2-3]、甘油[4-6]等作為實驗物料；對假塑性流體攪拌過程的研究，常采用羧甲基纖維素[7]、羥乙基纖維素[8-10]、聚乙烯醇[11]、黃原膠[12-15]、威蘭膠[16]等作為實驗物料。

隨著合成材料的不斷發(fā)展，中高黏物系攪拌操作在合成塑料、合成橡膠、合成纖維等領(lǐng)域的應用越來越多[17]。其中非牛頓流體的表觀黏度隨剪切速率不同而改變的特性，會導致攪拌釜內(nèi)產(chǎn)生黏度梯度[18]，進而增加物系混合均勻的難度，使相間傳質(zhì)速率下降[19]。為改善中高黏物系的混合及傳質(zhì)特性，高效率的攪拌設(shè)備需同時滿足較好的剪切性能和軸向循環(huán)性能[20]。傳統(tǒng)的單一小徑槳、錨式槳、螺帶槳等形式無法滿足這一要求，需通過結(jié)構(gòu)和運行模式上的組合創(chuàng)新，才能實現(xiàn)較適宜的混合效果。

1 小徑槳的優(yōu)化

小徑槳是指槳式、渦輪式等小槳徑攪拌槳，根據(jù)其產(chǎn)生流型的不同，可分為徑流式、軸流式和混流式。在低黏度物系中，單一小徑槳達到一定的攪拌轉(zhuǎn)速后，即可使釜內(nèi)物料達到湍流和充分混合的狀態(tài)[21]。但隨著物系黏度增加，小徑槳的影響區(qū)域不斷縮小，區(qū)域外的流體狀態(tài)趨于層流乃至靜止。為改善中高黏條件下小徑槳的混合特性，可通過結(jié)構(gòu)、材質(zhì)以及運行模式上的改良，實現(xiàn)攪拌效果的優(yōu)化。

1.1 小徑槳的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在中高黏物系中小徑槳的影響區(qū)域有限，當攪拌釜的高徑比較大時，在軸向上布置多個小徑槳，是最為簡單有效的優(yōu)化形式。采用多層槳攪拌時，各層槳葉附近會形成局部的循環(huán)流，循環(huán)內(nèi)部的混合情況較好，而相鄰循環(huán)之間的對流則較為困難，全釜流場沿軸向會形成多個區(qū)域[22]。各區(qū)域之間對流情況的優(yōu)劣將決定全釜的混合效果，且這一影響會隨著槳葉層數(shù)的增加變得更為顯著[23]。相較于徑流式攪拌槳，軸流式攪拌槳產(chǎn)生的軸向流，更易于破壞各區(qū)域間的交界面，促進層間的軸向?qū)α?。武斌等在對羧甲基纖維素-空氣體系進行研究時發(fā)現(xiàn)，軸流式翼型槳組合的混合速率相比徑流式渦輪槳組合提升了約40%。

考慮到氣體分散能力等因素的影響，多層槳結(jié)構(gòu)的底層槳大多仍選擇徑流式攪拌槳，否則容易造成氣體聚集在攪拌軸附近，難以均勻分布于全釜的情況。吳高杰等[24]在研究中發(fā)現(xiàn)，采用斜葉槳作為底層槳時具有更好的氧傳遞效果。這是由于混流式的斜葉槳兼具了徑流式攪拌槳的強剪切作用和軸流式攪拌槳軸向混合的優(yōu)勢，進而可獲得較好的氣液分散效果和相對較低的功耗。

假塑性流體近槳葉區(qū)的黏度相對較小，遠離槳葉循環(huán)區(qū)的黏度較大，選用合適的徑流式、軸流式攪拌槳組合以形成全釜范圍的大循環(huán)，將有利于釜內(nèi)流體表觀黏度趨于均勻。

1.2 小徑槳的材質(zhì)優(yōu)化

一些學者將攪拌作用下的高黏物系分為兩個區(qū)域，即攪拌槳附近的混沌混合區(qū)和遠離攪拌槳的混合隔離區(qū)?；煦缁旌蠀^(qū)內(nèi)的能量主要以對流方式傳遞，混合隔離區(qū)內(nèi)則通過分子擴散進行傳遞[25]。劉作華等[26]認為，傳統(tǒng)的剛性攪拌槳只能通過流體的動能擴散作用擴大混沌混合區(qū)，他們提出在剛性槳末端添加柔性槳葉，通過槳葉擺動產(chǎn)生的波動破壞混合隔離區(qū)。盡管增加柔性槳葉后，會增加少量攪拌功耗，但將一定的黏度和混合時間下所需的單位體積混合能作為混合效率的評價指標，對甘油溶液中的六直葉圓盤渦輪和對應的柔性槳進行比較后發(fā)現(xiàn)，柔性槳的混合效率提升了52.8%[27]。

按混沌混合的定義，非牛頓流體黏度在全釜范圍內(nèi)的分布不同，其攪拌過程中的分區(qū)現(xiàn)象會更為顯著。不過暫時還未見到非牛頓流體中柔性槳攪拌應用的相關(guān)報道。

1.3 小徑槳的運行模式優(yōu)化

與多層槳在結(jié)構(gòu)形式上進行優(yōu)化的思路不同，為實現(xiàn)攪拌釜軸向上的均勻混合，Murakami 等[28]通過增加上下往復運動的方式，來改良傳統(tǒng)攪拌槳在玉米糖漿溶液中的混合效果，發(fā)現(xiàn)在相同功耗的操作條件下，增加了軸向運動的攪拌槳的混合時間只有傳統(tǒng)螺帶槳的1/3。

2 錨式槳的優(yōu)化

錨式槳由兩側(cè)的立葉和下方的橫葉構(gòu)成，其槳徑與釜徑的比值較大，運行轉(zhuǎn)速較低。錨式槳在中高黏物系攪拌中形成的主要是切向流，在葉片前方的流體會受葉片的推動作用形成較弱的徑向流，幾乎沒有軸向流產(chǎn)生[29-30]。單一錨式槳的剪切性能較好而循環(huán)性能較弱[31]，其混合、傳熱性能也不如多層小徑槳。

2.1 錨式槳的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

錨式槳的槳葉主要作用于攪拌釜壁面附近，對攪拌釜中心區(qū)域的混合效果較弱。對錨式槳的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最簡單和常見的就是在其上方增加一條橫梁變成框式槳，此時對被攪拌物料的液面附近也有較好的剪切作用。進一步對錨式槳增加立葉或橫梁，可增強攪拌釜中心區(qū)域流體的流動狀態(tài)[32]。圖1(a)所示是在錨式槳的基礎(chǔ)上增加多條立葉的錨柵槳[33]，內(nèi)側(cè)的立葉會增強中心區(qū)域的剪切性能。圖1(b)所示為沿軸向增加多條橫梁的變形框式槳，當橫梁采用斜葉結(jié)構(gòu)時，可起到類似二斜葉槳的作用，在橫梁附近產(chǎn)生軸向流，促進循環(huán)流的形成。

(a)錨柵槳 (b)變形框式槳

2.2 錨式槳的組合優(yōu)化

錨式槳的作用區(qū)域在被攪拌物料的外圍，與小徑槳的影響區(qū)域正好互補，因而可將錨式槳作為外槳，配合小徑槳作為內(nèi)槳，協(xié)同進行攪拌混合。

內(nèi)外雙軸攪拌過程中，轉(zhuǎn)速較慢的錨式外槳對高轉(zhuǎn)速內(nèi)槳功耗的影響較小，反之受到內(nèi)槳轉(zhuǎn)速的影響很大[34]。當內(nèi)、外槳同向旋轉(zhuǎn)時，外槳功耗會因內(nèi)槳的作用而減??；當內(nèi)、外槳反向旋轉(zhuǎn)時，外槳功耗會因內(nèi)槳的作用而變大[35]。盡管外槳對內(nèi)槳功耗的影響較小，但能使達到相同混合效果所需的內(nèi)槳轉(zhuǎn)速降低，起到減少功耗的作用，同時也能防止被攪拌物料因受到高速剪切而被破壞[36]，或因攪拌轉(zhuǎn)速過高產(chǎn)生的大量熱能而過熱。

3 螺帶槳的優(yōu)化

同錨式槳一樣，螺帶槳也屬于大槳徑槳葉。在形成相同雷諾數(shù)的流動條件下，螺帶槳的功耗要大于小槳徑渦輪，但螺帶槳的液相傳質(zhì)系數(shù)要比渦輪高4～5 倍[37]。為防止攪拌功率過高，螺帶槳和錨式槳一樣，一般都在低轉(zhuǎn)速條件下運行[38]。對螺帶槳的優(yōu)化常體現(xiàn)在與其他攪拌結(jié)構(gòu)相組合的形式上。

3.1 螺帶、螺桿的組合

根據(jù)螺帶葉數(shù)量的不同，常用的螺帶槳可分為單螺帶槳、雙螺帶槳、四螺帶槳等。如圖2(a)所示，這幾種槳型的各條螺帶葉到中心軸的距離相等，螺帶端部沿周向等角度分布。與錨式槳相比，螺帶槳的剪切性能相對較弱，但在軸向上有較強的推動力。

與錨式槳類似，螺帶槳同樣在靠近壁面處的混合效果較好，在攪拌釜中心區(qū)域較弱。除了配合小徑槳作為內(nèi)槳以加強中心區(qū)域的流動狀態(tài)外，還可采用內(nèi)外螺帶槳的形式。如圖2(b)所示，內(nèi)外螺帶槳為2 條不同半徑的螺帶葉，固定在同一個攪拌軸上，相較于內(nèi)外雙軸攪拌，其攪拌軸及傳動結(jié)構(gòu)更為簡單。通常，內(nèi)外螺帶槳的內(nèi)、外2 條螺帶葉呈相反的螺旋狀態(tài)布置，這樣在同一轉(zhuǎn)動方向下，攪拌釜四周和中心產(chǎn)生的軸向流方向相反，這有利于形成全釜的循環(huán)流。朱秀林等[39]對幾種螺帶槳進行了比較，發(fā)現(xiàn)內(nèi)外螺帶槳的混合性能與四螺帶槳相接近，兩者均優(yōu)于雙螺帶槳。相較于四螺帶槳，內(nèi)外單螺帶槳的結(jié)構(gòu)更為簡單，加工較為方便。內(nèi)螺帶對混合、傳熱過程起到了強化的效果，同時也有利于降低攪拌功耗[40]。

如圖2(c)所示，進一步縮小內(nèi)螺帶與攪拌軸之間的距離，最終會得到螺帶螺桿槳組合結(jié)構(gòu)[41]。同樣的，通常將螺帶和螺桿的螺旋方向設(shè)置相反，從而形成攪拌釜中心和四周軸向流向相反的大循環(huán)流。單獨采用螺桿進行中高黏流體攪拌時，反應器結(jié)構(gòu)通常為細長型，且物料從反應器一端被螺桿推動到另一端，需將出口物料通過管路接回入口端才能形成物料的循環(huán)。在物料需長時間循環(huán)攪拌的情況下，也可在大直徑攪拌釜內(nèi)布置螺桿，在螺桿外設(shè)置導流筒后，會在導流筒外側(cè)形成與導流筒內(nèi)部方向相反的軸向流動，從而形成全釜的循環(huán)流[42]。

(a) 雙螺帶槳 (b) 內(nèi)外螺帶槳 (c) 螺帶螺桿槳

3.2 螺帶、錨式槳的組合

為避免攪拌死區(qū)的形成，攪拌釜的底部大多會設(shè)計成橢圓封頭或錐形封頭。錨式槳的外部輪廓能夠較好地貼合攪拌釜的內(nèi)壁，而采用螺帶槳時，下封頭區(qū)域就不能得到充分的混合。如圖2 所示，可在螺帶槳下方安裝錨式槳以貼合封頭形狀。李薇等[43]曾采用變徑螺帶槳作為底槳，但發(fā)現(xiàn)其改善效果不如錨式槳作為底槳。

4 行星攪拌器

行星攪拌器是通過多個攪拌槳葉的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對物料的混合。當各行星槳采用小徑槳時，便是另一種對小徑槳運行模式的優(yōu)化形式。行星槳的運行可分為被動自轉(zhuǎn)式和主動自轉(zhuǎn)式。

4.1 被動自轉(zhuǎn)式行星攪拌器

被動自轉(zhuǎn)式行星攪拌器的公轉(zhuǎn)部分是由傳動軸帶動的，行星葉輪的自轉(zhuǎn)則是通過液體阻力實現(xiàn)的。陳明義[44]通過理論受力分析，得到理想條件下行星葉輪的自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為：n = (24R/r)0.5N，即自轉(zhuǎn)速度n 只與自轉(zhuǎn)半徑r、公轉(zhuǎn)半徑R 和公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速N 相關(guān)，但這一推導過程忽略了行星葉輪自轉(zhuǎn)過程中，葉輪輪轂處受到的摩擦阻力以及攪拌過程中周邊流型對其產(chǎn)生的影響。從結(jié)構(gòu)上判斷，被動自轉(zhuǎn)式行星攪拌器更像是對錨式槳的改良[45]，通過行星葉輪的被動自轉(zhuǎn)，使錨式槳以切向流為主的流型得到改善，徑向流得到加強。當公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速過快時，釜內(nèi)流型會更趨近于以錨式槳的切向流為主流型，因而在低轉(zhuǎn)速條件下，其流型的改善效果及混合優(yōu)勢更為顯著。宋吉昌等[46]在公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為250r·min-1條件下發(fā)現(xiàn)，被動自轉(zhuǎn)式行星攪拌器的混合效率是錨式槳的5 倍，是推進式軸流槳的11 倍，在使物料達到相同雷諾數(shù)條件下的功耗，也要低于錨式槳和推進式槳。

4.2 主動自轉(zhuǎn)式行星攪拌器

通常意義上的行星攪拌器是指主動自轉(zhuǎn)式，主要通過行星齒輪傳動結(jié)構(gòu)，對各槳葉的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)進行控制[47]，使用凸緣齒輪也可實現(xiàn)對變轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)[48]。也有研究者將不同的行星軸設(shè)計成高速軸和中速軸，高速軸上的槳葉用于快速分解物料，中速軸上的槳葉用于促進不同區(qū)域間物料的混合[49]。除了將小徑槳布置為行星攪拌器外，也可以將錨/框式槳、螺帶槳等大槳徑槳葉布置為行星攪拌器[50]。為避免大徑槳在自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)過程中相互碰撞，要特別設(shè)計好各槳葉的回轉(zhuǎn)路線。

5 自清潔攪拌器

一些中高黏的高分子物料在高溫下會發(fā)泡、膨化、流變固化，會在反應釜內(nèi)結(jié)塊甚至結(jié)焦，既不利于物料的混合，也容易導致反應器的傳熱受阻[51]。一般會在框式、螺帶式等大槳徑攪拌槳外側(cè)設(shè)置刮刀，以清除器壁上粘附的物料，但這種方式無法去除粘附在槳葉上的物料。自清潔攪拌器又稱為表面更新型攪拌器，常用于高黏聚合物的脫揮等過程[52]。一般采用多軸并列的結(jié)構(gòu)，通過相鄰攪拌軸上槳葉之間，以及槳葉與器壁之間的相互作用實現(xiàn)自我清潔。

如圖3 所示，何其雙等人[53]提出的自清潔攪拌器專利，有2 組內(nèi)外軸共4 個攪拌器，其中內(nèi)攪拌器為小徑槳葉，外攪拌器為間斷的螺帶槳。相對應的內(nèi)外攪拌軸之間存在速度差，這在加劇攪拌剪切作用的同時，也使得內(nèi)攪拌槳葉能夠刮除對應的外攪拌槳葉內(nèi)側(cè)的黏著物料，內(nèi)攪拌槳葉又能刮除相鄰的外攪拌槳葉外壁上的黏著物料。此外，外攪拌槳葉在運動過程中能將物料送往設(shè)備中部，內(nèi)攪拌槳葉則可進一步對物料進行剪切和翻滾。如圖4 所示，唐小斗[54]在專利中提出的立式自清潔攪拌器，采用了2 個并列的螺旋軸，在轉(zhuǎn)動過程中螺旋軸間存在錯位剪切，可清除附著在對方軸上的物料，同時也能清除器壁上的黏著物料。每根螺旋軸的結(jié)構(gòu)與螺帶槳相似，但在螺帶槳上安裝刮板，只能清除器壁上的物料，無法清除攪拌槳自身附著的物料。

圖3 四軸自清潔攪拌器Fig. 3 Self-cleaning agitator with 4 axes

圖4 立式螺旋雙軸攪拌器Fig. 4 Vertical agitator with 2 helical axes

6 結(jié)語與展望

在中高黏體系的各類化工反應過程中，使物料混合均勻，是后續(xù)動量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞乃至化學反應過程的關(guān)鍵。隨著反應體系和物系的日趨復雜，單一小槳徑攪拌設(shè)備已不能滿足反應需求。多層槳、柔性槳、往復槳等形式的優(yōu)化，能夠有效彌補單一小徑槳在中高黏物系中影響范圍較小的劣勢，實現(xiàn)剪切性能和循環(huán)性能的優(yōu)化。錨式槳的剪切性能較好而軸向循環(huán)性能弱，可通過布置小槳徑軸流槳作為內(nèi)槳，對中心區(qū)域的混合性能進行改善，或在錨兩側(cè)布置被動式行星葉輪以增強徑向擾動。螺帶槳的剪切性能不如錨/框式槳，但其形成的軸向流較強，在中心區(qū)域布置小徑槳，或采用內(nèi)外螺帶槳、螺帶螺桿槳等組合形式，能夠形成較強的全釜軸向循環(huán)。行星攪拌器和自清潔攪拌器在高黏度體系中的優(yōu)勢顯著，是今后攪拌器研發(fā)的重點方向。