搅拌器的实际应用和故障分析

陈拥军，信芳

(新拓洋生物工程有限公司，河南 鹤壁 480000)

随着生物化工科技的发展，其产品在我们的生产生活中无处不在，在化工生产中搅拌罐是我们常见的设备，为提高产能节约资源，人们不断的对搅拌罐进行优化，而搅拌罐的核心部分就是搅拌系统，好比飞机的发动机，一套匹配良好的搅拌器，可有效的制备混合物、提高溶氧、增加换热效率、降低能耗。本文对常用搅拌器的形式结合实践经验就搅拌系统的局部优化组合和故障分析进行探讨。在化工生产中，常常需要通过某种机械装置迫使液体在容器内部流动，以促使其中的两种或多种组分互相分散和混合或提高换热和增加反应速度，这种操作称为液体的搅拌，所采用的机械装置称为搅拌器。 搅拌器中，除了利用机械搅拌之外，还使用其他的搅拌方式，如气动搅拌，液流搅拌（结晶罐的循环）等，不同的搅拌方式在不同的生产工艺应用。本章侧重对机械搅的形式和在实际应用中的作用及故障进行分析阐述。

1 搅拌系统在反应釜中的作用

在液体中进行搅拌的作用，大体上可以分为三类

（1）提高融合速率 为了增加反应速度或强化物质的传递，通过搅拌的作用使参加反应的物质相互掺合，充分接触，从而提高其反应速率或传质速率，例如固体的溶解和浸取，有机合成中的硫磺、硝化、发酵生产提高溶氧等都采用了搅拌。

（2）强化传热过程 生产中有许多液体物料常常需要加热或冷却，特别是在加热某些黏稠物料或将溶液冷却析出结晶的情况下，常常采用搅拌器以加速容器壁与流体之间的传热，并防止局部过热或过冷现象的产生。

（3）为了有效地制备混合物 化工生产中的许多物料则是由两种以上的物料与溶剂液体所混合组成的混合液，或是由液体与固体微粒所组成的悬浮液或乳浊液，为了保持其均匀混合，常常采用一定形制的搅拌器来满足其操作要求。

实际操作中，一个搅拌器常常可以同时起到多种作用，例如在一个带搅拌的冷却结晶器中，搅拌器既起到了强化传热的作用，又可以使得逐步形成的结晶颗粒不至沉到器底；生物发酵生产中的发酵罐用搅拌器既起到了物料混合的作用，又可以增加物料中的溶氧等。由于搅拌器在不同的工艺生产中对液体物料进行搅动的目的不同，就需要对不同的搅拌形式进行选择搅拌器，但凡是在液体物料中工作必涉及 液体的流动状态，层流、过渡流、湍流三种状态，是液体流动的三种基本状态，而决定这些状态的主要参数之一就是流体的黏度。在搅拌过程中，一般认为黏度小于5 Pa/s的为低黏度流体，例如水、蓖麻油、轻质润滑油、低黏乳液等。5～50 Pa/s的为中黏度流体，例果糖、玉米浆、原油等。50～500 Pa/s的为高黏度流体，例如口香糖、增塑溶胶、固体燃料等;大于500 Pa/s的为特高黏流体例如:橡胶混合物、塑料熔体、有机硅等。 对于低黏度介质，用小直径的高转速的搅拌器就能带动周围的流体循环，并由近至远。而高黏度介质的流体则不然，需直接用搅拌器来推动。适用于低黏和中黏流体的搅拌器有旋叶式、桨式、涡轮式、适用于高黏和特高黏流体的流体的搅拌器有锚式、框式、螺带式叶轮等。

2 搅拌器的类型

（1）旋叶式旋叶式搅拌器的结构类似于飞机和轮船中螺旋推进器的桨叶，通常由3～4片桨叶组成，其直径一般为容器的1/4～1/8，主要造成轴向液流，产生较大的循环量，适用于清液、乳浊液及固体微粒含量低于10%的悬浮液。叶片端部的圆周速度达5～15 m/s，适用于低黏度（μ＜5 Pa.s）液体的搅拌。

旋叶式搅拌器的工作原理和轴流泵的叶轮相同，它实际上是一台无外壳的轴流泵，液体在旋桨内作轴向和切向运动，其轴向分速度使液体沿轴向流动而扫向釜底后沿壁面折回，再流入旋桨入口，形成图1所示的总体流动循环。

旋叶式搅拌器所造成的湍动程度不高，但循环量大，特别适用于要求容器上下均匀的场合。其缺点是由于切向分速度的影响，液体在容器内作圆周运动，各层流体之间没有相对运动，不能实现有效的分散，而当液体中含有固体颗粒时，它将抛向器壁并沉到釜底，起到与分散相反的作用。另外，在离心力的作用下，液体表面出现下凹现象，转速越高，这种现象越严重，以至有可能使桨叶中心部分暴露在空气中，将空气卷入，破坏其正常工作。值得指出，这里提到的这种缺点，在我们接着要介绍的其他类型搅拌器中也不同程度地存在，也就是说，这是一个有待改进的普遍问题。在实际应用中为增加湍动，在某些特定场合搅拌器的转轴也可水平或斜向插入槽内，此时液流的循环回路不对称，可增加湍动，防止液面凹陷。如图2、3所示形成的液流循环路径。

（2）涡轮式涡轮式搅拌器实质上是一台无泵壳的离心泵，其工作情况与双吸式离心泵极为相似，液体由涡轮上下端吸入，在搅拌器中作切向和径向运动，当液体以较大的速度甩向器壁后，分成上、下两路回到搅拌器内，形成总体的流动循环。如图4所示：

涡轮式搅拌器是在水平圆盘上安装4～6片平直或弯曲的叶片所构成。桨叶的外径、宽度与高度的比例，一般为20:5:4，桨叶可以作成的五种类型。叶轮直径一般为容器直径的1/3～1/2，转速较高，端部的圆周速度一般为3～8m/s。如图5所示：

涡轮式搅拌器的分散作用比旋桨式要好，在旋转时能造成高度湍动的径向流动，适用于低黏度或中等黏度（μ＜25Pa·s）、并要求微观均匀的气体及互不相溶液体的分散和液液相反应过程。但由于釜内有两个迥路，对易于分层的物料（如含有比重较大的固体颗粒悬浮液）不大适用。

（3）桨式桨式搅拌器通常由两个叶片组成，依据桨叶形状的不同，又分为平直浆和折浆两种。平直叶桨式搅拌器的工作原理和涡轮式相近，尤其是和平直叶涡轮式搅拌器相比较，除了叶片的长短和数目上的差别之外，没有什么本质上的区别。折叶桨式搅拌器的工作原理和旋叶式相近，两叶相反折转45°或60°，它可以产生一定程度的轴向液流。桨式搅拌器的尺寸较大，其直径一般为容器直径的1/2～4/5，单组桨叶直径与高度之比为 4～10，其转速较低，所产生的径向液流速度较小，叶片端部的圆周速度为1.5～3 m/s。当釜内液面较高时，可以在轴上装上几对桨叶，以增强全容器内的搅拌效果。

桨式搅拌器的结构最简单，制造容易。缺点式主要产生旋转方向的液流，即便是折叶式搅拌器，所造成的轴向流动范围也不大。它主要应用于低黏度（μ＜50Pa·s）液体物料的混合以及固体微粒的溶解和悬浮。如图6(a)、(b)所示：

（4）锚式和框式这类搅拌器和上述三类搅拌器由明显的差别，即上述三类搅拌器的直径均比釜经要小得多，而这类搅拌器的直径与釜经非常接近，其间距一般只有100～200 mm，其外缘形状也是根据釜内壁的形状而定，可清除附在槽壁上的黏性反应产物或堆积于槽底的固体物，保持较好的传热效果。这类搅拌器的转速也很低，桨叶外缘的圆周速度为0.5～1.5 m/s，可用于搅拌黏度（μ＜200 Pa.s）它基本上不产生轴向液流，但搅动范围很大，不会形成死区，主要用于高黏度且要求防止器壁沉积的场合。在搅拌高黏度液体时，在靠近搅拌轴的圆周液层中会出现有较大的停滞区。在应用中为减小物料在停滞区停滞，可在搅拌框的内缘增加倾斜折板，折板长度为搅拌直段1/2，是桨式搅拌器的变形，使液流做径向流动，可有效的减小停滞区。如图7(a)所示框式搅拌器，图7(b)所示锚式式搅拌器：

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（5）螺带式适用于混合液中物料比重差别较大的物料。螺带的外径与螺距相等,专门用于搅拌高黏度液体(200～500 Pa.s)及拟塑性流体，其转速较低叶片端部的圆周速度为0.3～1 m/s，能使混合液中物料比重差别较大的物料充分糅合。如图8所示：

3 强化机械搅拌作用的措施

在低中黏度液体物料中搅拌的根本目的在于给液体输入外部的机械能，以促使液体内部组分之间的分散和混合。但是，如前所述，由于搅拌器切向分速度的影响，造成液体以和搅拌器相同的方向和相同的速度旋转，此时叶片和液体之间的作用力很小，同时由于液体旋转的惯性在靠近搅拌轴中部液面下凹，特别是低黏度液体形成漩涡造成搅拌器的功率加不进去，不能实现各层液体之间的有效分散和混合。为此，通常采用如下的方法来改变液流状况，强化搅拌效果。

（1）装设挡板

最常见的是在器壁上垂直安装四块条形挡板，挡板宽度通常为容器直径的1/10～1/12，它有效地抑制了液体的旋流，使自由表面下凹的现象大大减少，而且，液流在挡板后形成漩涡，增大了整个液流的湍动程度。如图9(a)、(b)所示：

如果容器中有温度计管和换热管等，它们在一定程度上也能起到挡板的作用。

（2）装设导流筒

在搅拌器周围无固体边界约束的情况下，液体可沿各种一定方向回流到搅拌器入口，行程长短不一，但装设导流筒之后，液体被迫上、下流动，可以消除液流短路现象，大大提高了整体的湍动程度，强化了搅拌效果。如图10(a)、(b)所示：

在生产中，为达到理想的搅拌效果，往往会把两类以上的不同形式的搅拌叶组组合使用，如旋叶式和涡轮式的组合，框式搅拌其实就是锚式和折叶浆式的组合等。在实践使用中为保证搅拌轴的正常使用要在搅拌轴的底部或中部加装支撑轴承来约束因液流的冲击造成轴的摆动幅度。

在使用中由于液流的冲击和和罐内物料温度的变化，逐渐会造成支撑轴承轴套磨损、搅拌叶变形、松动、脱落、罐内支撑附件散落或搅拌轴连接法兰松动等故障。该类故障极易造成电机电流不稳而产生电器故障；由于罐体振动或晃动与罐体相连的管道断裂造成物料泄露引发事故；搅拌轴的振动或晃动造成机械密封、机架轴承、减速机密封件和内部齿面损坏等事故；散落的搅拌叶、螺栓等部件随液流转动冲击罐壁和罐内设施等，如不及时排除将会造成巨大。

（1）轴套的磨损轴套的磨损一般有三种磨损形式如图11所示。

图 11所示：为轴套的斜磨，造成轴套偏磨的原因主要有搅拌轴与罐体中心不垂直，搅拌轴和罐体中心线有夹角。故障分析，造成该原因有减速机机架与罐体截面不平行或轴承安装时与搅拌轴不垂直;输出轴法兰面因焊接变形等原因造成。罐体在运行中出现的现象，一般为搅拌手动排动搅拌轴时转动阻滞较大或排不动，电机运行电流偏大，尤其在初启动时电流偏大明显，罐体无明显振动或晃动。解决该故障时应调整减速机机架输出轴中心线与罐体中心线重合。如果测量轴承与搅拌轴中心线有倾角应调整轴承中心线与搅拌轴中心线重合。

图11(a)所示：为轴套的偏磨，造成轴套偏磨的原因主要有搅拌轴与罐体中心不同心。搅拌轴与罐体中心线位移或轴承支撑套与搅拌轴中心线位移。故障分析，造成该原因有减速机机架与罐体中心线不同心或轴承安装时与搅拌轴中心位移。罐体在运行中出现的现象，一般为搅拌手动排动搅拌轴时转动阻滞较大或排不动，处启动时电流较正常运行偏大电机运行电流偏大，在运行一段时间后，因轴套内圆磨成扁圆，罐有规则晃动。解决该故障时应调整轴承支撑座螺栓与搅拌轴中心线使轴承中心线与搅拌轴中心线重合。

图11(b)所示：为轴套的扩口磨损，造成轴套偏磨的原因主要为搅拌轴弯曲变形。搅拌轴与罐体中心线虽垂直，由于搅拌轴的变形造成搅拌轴与轴套上部或下部挤刮，轴套成扩口形式磨损。故障分析，造成该原因主要为搅拌轴变形或搅拌叶脱落，运行时罐体有规则晃动。解决该故障时应取出搅拌轴进行矫正。

图11(c)所示：为轴套的上下口磨损，造成轴套的上下口磨损原因主要为搅拌轴连接法兰松动。搅拌轴与罐体中心线呈摆动状态，由于轴套的约束上部和下部挤刮，轴套成上下扩口形式磨损。故障分析：运行时罐体有规则剧烈晃动。解决该故障上紧搅拌轴连接法兰螺栓。

（2）搅拌叶变形、松动、脱落或罐内支撑附件散落罐体在运行过程中因高温消毒、换热、料液黏度突然的变化或制造等原因，致使搅拌叶和罐内支撑附件等因热胀冷缩或强度不够使搅拌叶固定螺栓松动、搅拌叶变形而破环搅拌转动平衡。此时罐体晃动剧烈，罐内有金属规则撞击声。当固定螺栓、搅拌叶、罐内附件脱落时金属撞击声混乱，对罐内造成破环极大，此时应立即移除物料、在物料无发移除时应降低搅拌转速直至停机检查排除故障。

特别指出任何形式的搅拌器在矫正或更换后，必须进行转动平衡，否则由于搅拌器的转动不平衡亦会造成搅拌器运行不平稳而造成支撑轴承磨损。

4 结术语

一台设备的性能如何，与初期的设计和安装有着直接的关系，同时后期的使用维护也尤为重要，俗话说：“三分设备，七分保养。特别是在后期的运行中，应加强设备的巡检，通过设备运行中的“五异”即：异常的声音、异常的温度、异常的振动、异常的味道、异常的电流，对设备运行过程中发生的细微变化即时掌握，针对不同的故障应能采取准确的排除方法。它们是设备正常运行的基础和保障，是直接影响这台设备的后期运行成本和使用寿命关键。

在本次论文设计中，综合运用了实践使用过程中的一些经验和专业理论知识，对常用搅拌桨叶的使用进行了经验总结。通过对该类设备的形式分析和所遇问题的解决，培养了正确的理论辩证素质，提高了技术理论结合实际工作的能力，在搅拌桨叶的实际使用中创造性地提出部分析和见解，对该类设备的使用具有规范作用，并经实践检验具有很强的可操作性。但由于时间紧促，研究条件有限，设计中肯定存在不足之处，还望老师指正。