2004年度中国石油和化学工业协会科技奖励项目推荐（六）
栏目主持：《中国化工信息》周刊、中国石油和化学工业协会科技办
大型高效搅拌槽/反应器的研究开发及工业应用
高正明 黄雄斌 马鑫
开发背景
搅拌槽/反应器是过程工业重要的单元生产设备，广泛应用于石
油化工、化工、冶金、石油、生物化工、制药、环保等行业。
搅拌槽/反应器大型化、高效化的核心问题是不同工艺过程对釜
内流场、浓度场及温度场的合理分布，需要以釜体结构及内构件与搅
拌器结构及操作参数优化来实现。这些必须建立在针对不同物料体系
的动量、热量、质量传递及放大规律深入系统的研究基础之上。目前，
大型搅拌槽/反应器的关键技术和产品被几家国际著名专业公司垄
断，我国大型搅拌槽/反应器一直依赖进口，价格居高不下，严重制
约了我国相关行业的规模和国际竞争力。
技术原理
北京化工大学流体混合与反应器工程研究室在近20年研究开发
基础上，首次提出了搅拌槽/反应器内机械能按需分配的设计思想，
通过调整桨叶的结构型式、直径、层数及安装位置来保证机械能按需
分配的具体实施，并针对某些体系对机械能分配的特殊要求开发出一
系列特殊结构的桨型。比如，对于中高粘度牛顿及非牛顿流体的物料，
要达到均匀混合就必须使搅拌槽/反应器内的能量均匀分布，可以用
大桨径、小层间距的多层桨技术方案来实现；对于非均相气-液及固(下
沉颗粒)-液两相体系的分散及悬浮，由于底桨起主要作用，设计时采
用使机械能向下层桨适度集中的方法可保证气相的分散和固体颗粒的
离底悬浮；对于固（上浮颗粒）-液两相体系，由于飘浮的固体颗粒
从液面向下吸入、由上层桨起主导作用，设计时采用使机械能向上层
桨适度集中的方法；对于气-液-固（上浮颗粒）体系，由于气体的分
散主要由下层桨控制、固体的吸入由上层桨控制，因此机械能应适度
向底层及上层桨集中。对于中高粘度、非牛顿流体的传热也一样，由
于温度场是由搅拌槽内的流场及能量分布所控制，采用大桨径、小层
间距的多层桨技术方案，可以得到槽内比较均匀的机械能分布，从而
得到均匀的温度场。
传统搅拌槽/反应器设计的改进
1）传统搅拌槽/反应器设计一般采用釜体及内构件和搅拌器各自
独立设计的模式，并没有系统地考虑釜体结构和内构件与搅拌器结构
及操作条件的优化匹配（如换热管布置、进出料工艺管口位置及结构
等与搅拌器结构及操作条件的相互匹配，以最小的能量消耗实现高效
传热、催化剂和其他关键组分的快速分散与混合及其他工艺要求）。
本项目以搅拌槽/反应器内机械能按需分配的设计思想为指导，
系统研究了搅拌器结构（如桨叶型式、桨叶层数、桨叶直径、桨叶安
装位置）、釜体结构、釜内构件及操作条件等对不同物料体系的流场、
浓度场及温度场的影响规律以及适合于不同物料体系的结构参数及操
作参数的优化；开发建立了搅拌槽/反应器设计技术数据库，包括液
相、固-液、液-液、气-液两相、气-液-固三相、中高粘度牛顿及非
牛顿流体等体系的传递特性和搅拌槽放大等专有技术。针对具体工艺
要求，通过釜体结构及内构件与搅拌器结构及操作条件的优化匹配来
提供满足具体工艺过程要求的搅拌槽/反应器内流场、浓度场及温度
场的合理分布。
2）国内搅拌槽/反应器的设计一般采用等效静载荷替代动载荷的
设计方法来考虑搅拌槽/反应器的机械强度及刚度，往往不能有效地
解决动载荷在结构中引起的振动及疲劳等问题，特别是对大型的搅拌
槽/反应器更是如此。
本项目对搅拌桨、搅拌轴的受载情况进行了实验研究及理论分
析，采用有限元法开发建立了一整套包括搅拌器、槽体及内构件、支
架等部件的搅拌槽/反应器系统设备结构设计新方法，在同时考虑静
载荷和各种动载荷的条件下对结构强度、刚度、振动及疲劳进行全面
分析与优化设计，从而保证搅拌槽/反应器的运行稳定性和安全性。
技术特点及应用
以搅拌槽/反应器内机械能按需分配的设计思想为指导、以搅拌
槽/反应器设计技术数据库为基础开发的大型高效搅拌槽/反应器专有
技术和设备，与国内外同类产品相比，具有适应性强、单台设备的生
产能力大、操作弹性大、成套性好、技术经济指标先进等优点，性能
达到甚至超过国外同类产品。在多次大型搅拌槽/反应器（如中国铝
业氢氧化铝结晶槽，中石化酯化反应器、凝聚釜等，中石油聚合物水
溶液熟化罐，涪陵化工磷酸萃取反应器）的国际招标中，战胜了国外
著名专业公司（如美国LIGHTNIN、CHEMINEER，德国EKATO及法国ROBIN
等公司），扭转了我国关键的大型搅拌槽/反应器长期依赖进口的局
面，节约了大量外汇，促进了我国有关行业重要产品的产业化、规模
大型化，使有关行业的国际竞争力大幅提高。
目前为止，该项目已经向石油化工、化工、冶金、石油、生物化
工、制药、环保等领域的40余家企业以交钥匙工程方式提供了600
多套搅拌槽/反应器装置，最大搅拌槽/反应器体积达到2800m3（Φ
10.5×32m），且已向越南、埃及等国出口了11台成套装置，取得了
非常显著的经济和社会效益。仅据7家单位开具的证明，近3年的直
接经济效益已达到7.45亿元。
（本项目获得科技进步一等奖）