磁力驱动搅拌器的发展和应用

随着医药、食品、有机合成、石油化工以及核工业等行业的发展,工业中对一些易燃、易爆、有
 
毒、强腐蚀性和贵重介质的搅拌或搅拌反应过程的要求越来越严格,对反应设备清洗和灭菌的要
 
[1] 。因此,在上述工况中所使用的
求也十分苛刻
搅拌釜或搅拌反应釜,其密封要求是应做到零泄漏。在此背景下,磁力密封技术已成为必然的选择,磁力釜( 或磁力搅拌器) 应运而生2。磁力釜以静密封结构取代动密封,该结构无接触传递力矩,能彻底解决机械密封与填料密封的泄漏问题,并且搅拌部件处于**密封状态,是石油化工、有
 
机合成、食品加工、生物制药过程中进行硫化、氢
 
化、氧化及发酵等反应的选择趋势。
 
1 磁力搅拌器的原理及分类
 
1 . 1  原理及结构
 
磁力搅拌器是磁力联轴器与搅拌装置的结合,是磁力传动技术的成功应用之一。所谓磁力传动是指以现代磁学为基础,利用永磁材料之间的磁力耦合作用实现无接触传递力矩的一种实用
 
[1]
 
技术。磁力传动由磁力联轴器来完成 。磁力搅拌器的结构主要包括马达、搅拌装置、主动磁转子、从动磁转子以及隔离套等零部件。其中马达通过传动轴将动力传递给主动磁转子,在磁力耦合的作用下从动磁转子开始转动,从而带动与从动磁转子联接在一起的搅拌装置转动,以达到搅
 
[3]1. 2 分类
 
磁力搅拌器可依据不同的方法分类。按磁力传动装置的结构可将其分为圆筒式磁力搅拌器和圆盘式磁力搅拌器; 按其应用**域可分为工业用磁力搅拌器和实验室用磁力搅拌器; 按放置方式可分为顶入式磁力搅拌器、底入式磁力搅拌器和旁入式磁力搅拌器。
1. 2. 1 圆筒式磁力搅拌器
 
圆筒式磁力耦合传动搅拌器是以外磁环套内磁环,并在内外磁环之间设置隔离套,三者同心安装,工作面均为圆柱面,磁体呈瓦形。该传动形式传递力矩较大,对高黏度的物料也有足够的力矩进行充分搅拌,适用于高转速场合4。因此,生产用设备主要采用该形式的磁力传动搅拌器。
1. 2. 2 圆盘式磁力搅拌器
 
圆盘式磁力耦合传动搅拌器中两磁环相向安装,工作面为互相平行的平面,磁体呈扇形。在耦合传动的两磁环之间,通常需设隔离密封罩。该
 
传动形式可简化磁钢的几何尺寸和磁力传动装置的轴向尺寸,但传递的力矩较小,故通常只适用于实验室进行气、液相混合反应的小型反应釜等低
[4]
转速场合 。
 
1. 2. 3 实验室用磁力搅拌器目前实验室中使用的搅拌器主要有电动搅拌
 
器和磁力搅拌器两种。实验室用磁力搅拌器主要用于加热或加热搅拌同时进行,适用于黏稠度不

是很大的液体或固液混合物。使用时,先将液体放入容器中,再将搅拌子放入液体中,当底座产生磁场后,利用磁力耦合和漩涡的原理,带动搅拌子做圆周循环运动,从而达到搅拌液体的目的。
 
与电动搅拌器相比磁力搅拌器的优点有: a. 噪音小,调速平稳; b. 可以在密闭的容器中进行混合,使用方
 
便;
 
c. 搅拌子是由**磁钢包覆聚四氟乙烯精制而成的,耐热、耐磨、耐腐蚀;
 
d. 可与底部温度控制装置配合,使液体受热更均匀。故可根据具体的实验要求控制并维持样本温度,极大地提高了实验的重复性。
 
1. 2. 4 工业用磁力搅拌器工业用磁力搅拌器主要包括: 顶入式磁力搅
 
拌器、底入式磁力搅拌器和旁入式磁力搅拌器。
 
顶入式磁力搅拌器是将磁力搅拌装置安装在立式设备筒的中心线上或在立式容器上偏心安装,有时为了防止涡流的产生可将搅拌轴斜插入筒体内。顶入式磁力搅拌器由电机、减速器、传动
 
轴、主动磁钢、隔离套、从动磁钢、联轴器、搅拌轴和桨叶组成,有的还设有冷却结构。这种结构的优点是: 主动磁体与从动磁体间无轴向吸引力,且永磁耦合部分远离被搅拌的液体,磁体受高温或腐蚀的影响小,搅拌液体中允许夹带颗粒物。
 
然而,随着工业的快速发展,设备有向大型化发展的趋势,容器的大型化使釜型由细长型向矮胖型发展,这使得工业应用中对搅拌设备的需求也越来越趋向于大型化,但大型化顶入式磁力搅拌器又存在以下问题:
 
a. 搅拌轴悬臂过长、轴临界转速低、抗弯能力差,搅拌时容易弯曲变形甚**折断,影响搅拌效果; 当产生摆动时,会导致内磁钢转子与隔离套内壁发生摩擦,缩短设备的使用寿命;
 
b. 搅拌轴直径一般都很大,所传递的扭矩很大,而轴承、磁力耦合装置的制造均受到限制。
 
由于顶入式磁力搅拌器存在上述缺陷,许多新技术的工程设计需采用底入式磁力搅拌器,特别对于那些在搅拌或反应中物料容易出现沉淀的
 
工况下更能体现出该种形式的优越性。底入式磁力搅拌器是将磁力搅拌装置安装在设备的底部,
 
其结构一般由 3 个独立的部件及一些零部件组成,即叶轮、与罐底焊接盘和驱动装置,零部件包
括轮毂轴承、定位轴承以及密封圈等。此种搅拌装置的特点是: 确保罐体完整性、底部安装、传动轴短、结构紧凑、易拆卸; 允许高转速,自润滑冷却,低液位搅拌很出色,无颗粒物产生; 可实现在线清洗和在线灭菌 ( CIP / SIP) ,结构设计符合
 
GMP 要求。
 
现代工业在快速发展的同时,保护环境、节约能源越来越受到各个**家的关注,这也驱使技术装备向大型化、高效能发展,但大容积磁力釜中搅拌效率明显降低。这是因为影响拌效率的因素比较复杂,并不是单一地遵从几何放大规律,在放大常规的顶入式或底入式磁力搅拌装置时,设备造
 
[5] 。此时,
价、能耗和负荷成为主要的约束条件
一种高效能的搅拌装置———旁入式磁力搅拌器出现在工业应用中。旁入式磁力搅拌器( 亦称磁力传动侧搅拌) 是将磁力搅拌装置安装在设备筒体的侧壁上适当的深度位置,同时采用多种搅拌桨叶的组合形式,定向布置,使其达到**佳搅拌效果。此形式在大型储槽中投入少量的功率便可以
 
[6]
得到适当的搅拌效果,故被广泛采用
2 磁力搅拌器的发展历史与应用情况
 
早在 20 世纪 30 年代,人们已经对磁力驱动技术在搅拌反应釜中的应用问题进行了探讨和展望,40 年代出现了简易磁力驱动搅拌器( 如美**** Magnetic Stirrer) ,这种简易的搅拌器是在一个玻璃器皿底部的外侧装有永磁元件,器皿内部放置一个磁性搅拌子,当外部永磁元件旋转时,带动磁性搅拌子运动,从而达到搅拌介质的目的。
 
永磁传动技术用于化工搅拌的密封始于 20 世
 
纪 60 年代,由于当时的磁性材料性能差,传动装置体积大,影响了其在化工搅拌方面的应用。随着磁性材料的发展,20 世纪 70 年代**际上开始重视对
[1] ,
 
磁力驱动技术的研究 。80 年代初 由于磁性材料的快速发展,磁路设计也有一定进展,并出现了叶轮式下磁力搅拌器,美**** Magnetic Mixer 就
 
是典型的叶轮式下磁力搅拌器。同时,德、日等**
 
家也相继报道研制出了小型磁力驱动反应釜。90
 
年代,卫生级下磁力搅拌器逐渐发展起来,其结构更简单、更开放,搅拌桨叶与从动转子整体加工,且推拉组合磁路已比较成熟,可传递更大的磁扭矩。**部件轴承,采用的是硬质合金。
 
21 世纪起,磁力搅拌器在结构上不断改进创新,叶轮和轴承都往开放式发展,轴承是用硬质合金( 如 SiC、TC、Si3 N4 等) 制成的滑动轴承,无清洗死角,实现了 CIP 和 SIP,并且对叶片的结构形式也有了深入地研究( 如叶片上开通槽、叶片的曲度等) ,能够满足更高的流体剪切量要求。
 
由此可见,磁力搅拌技术经过半个多世纪的发展,对科研和生产的各行各业发挥着越来越重要的作用,同时取得了巨大的经济效益。随着其技术的改进和发展,很大程度上扩展了磁力搅拌器的使用范围,如在制药、食品、乳品、啤酒、饮料、
 
水处理、化工、化妆品、生物工程以及机械制造等工业**域,特别是在消毒和无菌应用及其他特殊应用中,如涉及对剪切力敏感的产品,在真空或压力下处理等得到了广泛应用。
2. 1 **外发展与应用情况
 
**外对磁力传动技术的研究较早,其应用范围也很广,从**早的磁力泵,扩展到制药、食品、乳
 
品、啤酒、饮料、水处理、化工、化妆品、生物工程以及机械制造等工业**域。表 1 是与其相关的**外
 
**。
 
表 1 **外磁力 拌器 利
 
颁布日期 美****号 / 公布号 名称
     
2010-12-09   US20100309746A1 带有槽口叶片的超洁净
磁力搅拌器
   
2009-04-21 US7520657B2 磁力搅拌器
2006-10-05 US2006022176**1 超洁净磁力搅拌器
2004-04-22 US20040076076A1 无菌液体搅拌器
2003-05-20   US20030053371A1 磁力搅拌器和混合装置
2000-05-23 6065865 带有磁性监测器的磁力
驱动搅拌器
   
1998-06-02 5758965 混合系统
1995-02-28 5393142 用于无菌液体混合的叶轮
1991-02-19 4993841 混合容器的磁力叶轮装置
1986-02-04 4568195 磁力搅拌装置
     
 
随着材料科学和结构设计的进步,磁力搅拌器的材料安全性已解决,产品结构更开放、无死角、易于清洗灭菌,所以许多对无菌工艺要求很高的工艺选择了磁力搅拌器。一般叶轮、定位轴承和焊接板的上部是完全与物料接触的,叶轮的设计越开放,CIP / SIP 的效果越好。叶轮和焊接板一般采用 316L 不锈钢,轴承材料采用耐磨耐蚀的硬质合金( 如 SiC、Si3 N4 ) 。
 
如今生物制药巨头的前 100 强都已经在大规模地使用罐底磁力搅拌器,其中瑞典 Nov Aseptic
磁力搅拌器较为出名,它在磁力搅拌器的无菌设
计和功能划分上非常具有代表性。其搅拌器安装在反应釜底部,与釜底齐平,其特点是易于拆卸,可靠、耐用和便于维修,且能满足 CIP 和 SIP 的要求。Nov Aseptic 公司进行了微粒测试,支撑轴承在工作 48h 后,检测到非常小的失重 ( 仅为
 
0. 5mg) 。瑞典 ROPLAN 集团下 STERIDOSE 公司生产的 STERIMIXER 磁力搅拌器,Lightnin 公司生产的 MBI 系列清洁磁力搅拌器和阿法拉伐的新型磁力搅拌器等均为该**域的先进产品。德**
 
IKA 集团的实验室用磁力搅拌器是实验室用搅拌
 
混合**域的**。
 
2. 2 **内发展与应用情况
 
**内对于磁力搅拌器的研究起步稍晚,但进步很大。**内从 20 世纪 80 年代开始制造磁力传动设备,所研制的磁力驱动搅拌釜在第七届**际稀土永磁材料及应用会议上引起了各****的极大关注和好评。我**不断吸收**外的先进技术,探索创新,磁力搅拌器正在向大功率、大容积、高
 
温、高压、高转速方向发展。
 
1990 年,北京大学在**上**研制成
 
Sm2 Fe17 Nx ,居里温度提高到 480℃ ,且成本低于钕铁硼磁体,开拓了**永磁材料研究与开发的新
, [7]
 
**域 也带来了磁力传动技术的新发展 。江苏大学许士芬( 香港) 联合研究所研制的耐高温异步磁力联轴器,利用电磁感应原理进行传动,不需在内转子上布置永磁体,有效地解决了同步磁力
 
[3]
联轴器高温时内转子上永磁体退磁的问题 。
 
90 年代开始,磁力搅拌装置在我**进入了快速发展阶段,表 2 列出我**的相关**。
 
表 2 中**磁力 拌器 利
 
颁布日期 中****号 名称
         
2012-05-02 201120339249 . 7 磁力驱动搅拌机
2011-03-16 201020512966 . 0 一种磁力搅拌装置和动物细
胞培养生物反应器
     
2010-09-08 201010275877 . 3 磁力搅拌生物反应器及其
磁力搅拌系统
     
2010-03-10 200920069954 . 2 用于生物反应器的磁力
搅拌装置
     
2009-09-02 200810020287 . 9 磁力搅拌密封装置
2008-08-20 200720073950 . 2 一种用于发酵罐的磁力
搅拌装置
     
2007-10-03 200620010569 . 7 高温反应釜用磁力传动装置
2004-08-04 03259505. 0   新型磁力传动搅拌器
2002-08-07 01263095. 0   高温高压磁力搅拌反应釜
1999-02-03 97202281. 3   搪瓷玻璃磁力传动搅拌反应釜

**内曾经以昂贵的外汇引进了瑞典的磁力传动药用搅拌釜,提高了注射液的纯度。20 世纪 80
 
年代,兰州物理研究所与重庆化工机械厂密切协作,研制了**内**台药用磁力搅拌釜。在药用磁力传动搅拌釜基础上为几家农药厂研制了**内**台加氢磁力搅拌釜,该釜是为生产当时**内紧俏
 
[8]
农药原料研制的 。
 
[9]
何承代 为温州龙化塑料制剂有限公司某
 
装置设计的合成釜和蒸馏釜,2001 年 3 月正式投入生产,该装置外磁钢等配循环水冷却,运行期间传动装置性能稳定,密封安全可靠。2001 年,兰化有机厂二六二叔丁苯酚装置中的反应釜采用了
 
[10]
磁力传动装置,效果良好
目前,**内威海自控反应釜公司、威海坤昌化
 
机公司、威海瑞丰化机设备厂、威海新元化工机械有限公司、威海宏协化机公司、开原化工机械磁力反应釜厂、上海志威电器有限公司、温州中伟磁传密封设备厂、温州市工业科学研究院磁传动设备厂以及天津市欧诺仪器仪表有限公司等均生产磁力搅拌器。中牧股份兰州生物药品厂、燕山石化、双鹤药业、威远生化、新昌制药、成都生物制品研究所及成都英德生物科技有限公司等单位在使用磁力搅拌器。
 
3 磁力驱动搅拌器存在的主要问题及解决措施
 
3 . 1  主要问题
 
3 . 1. 1 涡流效应磁力驱动搅拌器的隔离套处于内外磁转子之
 
间,若隔离套为金属材料,当内、外磁转子同步 ( 或不同步) 旋转时,金属隔离套便处在交变磁场中,磁场的大小和方向按一定规律变化,即隔离套壁中的磁通量随时间而变,导体将感应产生环绕
 
[1]
磁通量变化方向的电流,称为涡流
涡流效应一方面会减弱工作磁场,降低传递
 
扭矩; 另一方面产生涡流损耗,并以焦尔热的形式释放能量,消耗轴功率,降低传递效率。同时,由涡流耗散引起的热量释放,将使磁体的工作环境温度升高,磁性下降,使传递的扭矩进一步降
 
[11]
低 。
3. 1. 2 轴承问题
 
磁力搅拌器的出现彻底解决了动密封处的泄漏问题,但从一定意义上讲又把矛盾转化到密封在釜内的轴承上。轴承是磁力搅拌器的**部

件,在底入式磁力搅拌器运行过程中,轴承与介质直接接触,影响了轴承的寿命,且密闭在反应釜内部,损坏后不易监测。
 
当釜内有固体物料时,容易沉积在底部,固体颗粒容易进入到磁力搅拌器的轴承之间,引起轴承表面擦伤,严重时会导致轴承破坏失效。同时轴承的磨损,使轴承的轴向和径向间隙增大,还有可能引起磁转子与隔离套的摩擦。另外,滑动轴承之间的摩擦热需要介质来冷却,当这部分液体流量过小或起不到冷却、润滑作用时,必然使周围温度急剧升高,**终造成磁体磁性下降、转子卡
 
死。
 
3. 2 解决措施
 
3. 2. 1 减小涡流的措施减小涡流的措施有:
 
a. 在工况允许的情况下,应优先选用非金属材料隔离套,如氧化锆( ZrO2 ) ,这样则无涡流产生,如**采用金属隔离套,则尽可能采用高电阻、高强度的材料,如 316L、哈氏合金 C 及钛合金等;
 
b. 应尽可能将隔离套设计成细长形状,即紧凑设计,使传动半径尽可能小;
 
c. 双密封隔离套的内壁设冷却系统 ( 如新型实 用 专 利 高 速 磁 力 传 动 装 置,专 利 号:
 
200420055044. 6) ;
 
d. 研制新型隔离套,如迭层隔离套,把隔离套切成一系列薄圈,各圈之间相互**缘,这样就可以将涡流损失控制到**小。
3. 2. 2 轴承的改进措施
 
轴承的改进可以从两方面着手,一方面是新材料的研制和使用,目前**内外已研制出多种适用于一些特殊要求的轴承材料,如具有极好的耐热、耐腐蚀和耐磨性能的工程陶瓷材料( 氮化硅、碳化硅和氧化铝) 、三层复合自润滑材料( SF 型)及自润滑复合材料( DV 型) 等1。另一方面是结构上的改进,为保持润滑介质的畅通,防止轴承间温度升高,可在轴承内表面开设导流槽( 直导流槽或螺旋槽) ,这样可以保证搅拌器在运行过程中介质能顺利流经轴承,在轴承间形成液膜,提高轴承的承载能力,并改善冷却润滑效果; 同时能使磨料或颗粒在导流槽中流动,减少轴承之间的相互磨损。此外,应对轴承进行监控、定期检查和更


换。
 
4 结束语
 
产品在满足功能要求的同时,也应充分满足
 
安全性、可靠性和生态环保要求。随着保护环境、节约能源越来越受到各个**家的关注,21 世纪清洁、经济的生物技术将大行其道,由于磁力搅拌技术在防止泄漏,减少污染,节约能源方面有着突出优点,正适应生态环保的发展态势,必将得到更加广泛的应用。
 
虽然磁力驱动搅拌技术现已取得了很大的成果,但还有很多需要攻克的问题,如: 磁场的存在会干扰周围环境; 目前常规的下磁力搅拌系统在定位轴的轴瓦处开有导流槽,使罐体内液体进入轴瓦对其进行润滑及在线清洗,但是在生物反应器中罐内细胞培养液进入轴瓦后,细胞培养液中细胞会被碾碎破坏掉,无法正常完成培养; 磁力搅拌器的设计目前还没有一套系统和完善的设计方法,磁路的设计、转矩的计算均建立在实验或半实验的基础上,精度有待进一步提高; 磁力传动机构的进一步小型化和大型化、高温环境下设计的进
 
一步完善、结构材料和构件的开发选择等都是需要努力的方向。因此,有必要对磁力搅拌技术做更深入的研究和探索,使其不断发展、完善并为科研和生产服务。