搅拌的应用及工艺过程

1、1 .搅拌设备常规设计方法搅拌装置广泛用于工艺过程的混合（如调和、乳化、分散、固液悬浮等）；传质（如溶 解、气体吸收、结晶、萃取、浸取等）；传热（如加热、冷却等）；传递动能；反应等。具 体涉及生物发酵（如医药、饲料、饮料、酒类、调味品等）；石油化工（如合成树脂、合成 纤维、合成橡胶、粘接剂、催化剂等）；精细化工（如化妆品、涂料、染料、农药、助剂等）; 环保（如给排水处理、烟气脱硫等）；湿法冶金；造纸；有机/无机化工等行业。搅拌设备设计遵循以下三个过程：根据搅拌操作目的和物系性质进行搅拌设备工艺设 计及结构选型。在选型的基础上进行该搅拌的特性计算和工艺工程设计。进行搅拌设 备的机械工程设计及费用

2、评估。1.1 根据搅拌操作目的和物系性质进行搅拌设备工艺设计及结构选型。1.1.1 确定操作参数搅拌的操作参数包括搅拌槽容积、操作压力和温度、操作时间、连续或间歇操作、物料 有关特性（见1.1. 2节）、物料的流动状态（见1.1. 3节）、搅拌器有关参数等，其最基本 目的则是要通过有关参数，进行计算搅拌流型、功率、循环能力、剪切力以及各种搅拌目 的要求的特性参数计算。1.1.2 明确搅拌操作目的于物系性质的关系了解搅拌操作目的和物系性质是搅拌设备设计的基础，表l l 1-1展示不同搅拌操作目 的及物系特性参数间的联系。除此之外，需要了解的物系性质还包括：物料处理量，物料 停留时间，体系反应的变

3、化过程，固体粒子沉降速度，固体粒子含量，通气量等。表l1.2t搅拌操作目的及流动状态及物系性质的关系流动状态物性搅拌操作目的连续相粘粘密密扩表导比粒径相对咬度度度散面执 j、热浓度循环速率湍流扩散剪切流速度差差系数张力系数容分布均相低粘度液ao混合高粘度液aoaa液-液相系aaaaooao分散气-液相系ao固-液相系aanooo固液悬浮（固-液相系）a溶解（固-液相系）aoaa结晶（固-液相系）anooaa浸取（固-液相系）aoooooa萃取（液-液相系）aooo乳化（液-液相系）ooaooo吸收（气-液相系）aooo传热（气-固-液相a系）注：表中no表示该因素的影响程度，1.1. 3搅拌流

4、动状态（流型）搅拌槽内物系在搅拌作用下的流动状态是用雷诺数来度量的，搅拌雷诺数由下式定义:re= p d：n/h式中p物料密度；&一搅拌器直径；n一搅拌器转速；u物料粘度。一般认为:rewlo为0时为层流;1030wrewl(tl(r时为过渡流;re般10 10时为湍搅拌槽内的流型取决于搅拌方式；搅拌器、槽体、挡板等几何特征；流体性质；转速等 因素。在一般湍流状态下，搅拌轴在槽中心安装，搅拌将产生如图1.1-1所示三种基本流 型及偏心和侧壁安装的流型。切向流：流体的流动平行于搅拌器所经历的路径，产生打旋即旋涡现象。流体混合及剪 切分散效果差。除部分特定要求外(如吸气)，搅拌流型设计中应尽量避免

5、。对于中心顶入式搅拌在搅拌雷诺数renlo,时,就可能产生打旋，一般用偏心安装及加装壁挡板来避免。径向流:流体从桨叶以垂直于搅 拌轴的方向排出,径向流动后，再 向上、下输送。一般用于液液及气 液分散等要求较大剪切力的流型。 轴向流：流体从桨叶以平行于搅 拌轴的方向排出，形成轴向循环。 一般用于液液混均及固液悬浮等要求轴向循环的流型。1.1.4搅拌操作目的、搅拌效果及搅拌器选型的关系搅拌器的选型首先应考虑达到搅拌目的的所需的桨型，同时力求消耗较小的功率。其次 考虑叶轮的大小、转速高低的可操作性。按照不同搅拌操作目的以及同类工艺借鉴来对搅 拌器选型是常用的方法，如表1.1. 3.2-1、表1. 1

6、.3.2-2所示。采用多种类型搅拌器组合 来达到搅拌目的是目前常见的方法。各类搅拌落的形式、主要尺寸、特性参数见第*节。 表1.1. 3.2-1常见搅拌器选型参数表搅拌器类|流动状态|搅拌目的型对流循环湍流循环剪切流流型低粘混合高粘混合分散溶解悬浮气 体 吸 收结晶传热液 相 反 应粘度pa. s直叶涡轮0aa湍流aaaaaaa50折叶涡轮0湍流aaaaoaaa50推进式0a湍流aaaaaaa2桨式0oq湍/过渡流aaaaaa50旋桨式0a湍流aaaaa口10盘式涡轮0aq湍流aaa口10布鲁马金0aa湍流aaqaa50三叶后掠0湍流aqaaa50锚框式q层/过渡流aaa100螺带/杆式层/过

7、渡流aa150表1.1. 3. 2-2操作目的和搅拌器各因素关系操作目的推荐搅拌器评估搅拌效果的特性参数过度搅拌对过程影响搅拌器的循环流量或剪切力的重要性均相低粘度液混合推进式、轴流旋桨及涡轮式混合时间，混合指数，翻转次数，均匀无影响，但返混增大提高循环流量能增大搅拌效果，剪切（易溶液体调和）等度：力影响小均相高粘度液混合锚框式、螺带、螺杆、大叶片式等混合时间，剪切速 率，翻转次数，均匀 度依据多数非牛顿流体特性来判断循环流量及剪切速率均能增大搅拌效果液-液分散（不互溶液体混合）轴流式涡轮、圆盘式涡轮、直叶涡轮等均匀分散时间，液滴 比表面积、平均滴径 或滴径分布，分散均 匀度两相再分开困难，返

8、混增大剪切力用作分裂液 滴，循环流动使液 滴通过叶轮强剪切 区次数增多气-液分散气-液吸收盘式涡轮、大 叶片式轴流涡 轮等分散时间，气泡比表 面积、平均滴径或滴 径分相，溶气率，临 界分散转速生成难于破碎 的泡沫及较稳 定的小气泡， 返混增大剪切力用作分裂气 泡，循环流动使气 泡通过叶轮强剪切 区次数增多固-液分散均化器、锯齿 圆盘、胶体磨 等固体破碎程度，粒子 分布均匀度、润湿程 度易产生乳化剪切力用作打散粒 子，循环流动使粒 子通过叶轮强剪切 区次数增多固-液悬浮推进式、轴流旋桨、轴流涡轮等悬浮状态，临界悬浮 转速，固液浓度，比 表面积脆性粒子破碎提高循环流量提高 搅拌效果，剪切力 无影响

9、固-液溶解推进式、轴流旋桨、轴流涡轮等溶解速度，以固粒表面积为基准的液膜传质系数及总容积无影响，离底悬浮即可提高循环流量提高 搅拌效果，剪切力 影响有一定影响传质系数固-液结晶桨式、开启涡 轮、推进式加 导流筒等结晶速率，晶粒大小和均匀度晶粒被破碎，生成大量晶核提高循环流量提高 搅拌效果，剪切力 决定晶粒粒径的大 小。固-液浸取桨式、轴流旋桨等悬浮状态，固液浓 度，比表面积，溶解 速度无影响提高循环流量提高 搅拌效果，剪切力 无影响液-液萃取轴流旋桨、叶涡轮、盘式涡轮等萃取速率，萃取效率，液滴比表面积，液膜传质系数和总容积传质系数两相再分开困难，返混增大剪切力用作分裂液 滴，循环流动使液 滴通

10、过叶轮强剪切 区次数增多液-液乳化直叶涡轮、均化器、胶体磨、锯齿圆盘等乳化速率，液滴大小及均匀度液滴过小剪切力用作分裂液 滴，循环流动使液 滴通过叶轮强剪切 区次数增多传热（气、固、液）推进式、轴流 涡轮、布鲁马 金、三叶后掠 式等传热速率，液膜传热系数，总传热系数无影响，提高循环流量提高 搅拌效果，剪切力 影响小反应（气、固、液）按特定的反应条件要求配给反应时间，传热、传质要求，翻转次数。对高分子聚合，转化据不同反应各有要求循环流量及剪切力对反应均有影响。率、相对分子量及分布为主要指标注：1.对于停留时间很短的快速混合操作，宜选用管道搅拌器。1.1. 5搅拌槽工艺结构设计-e 搅拌装置沿搅拌

11、槽中心轴线垂直安装根据生产规模和搅拌操作目的确定搅拌槽的形状和尺寸。在确定搅拌槽容积时应合理选 用装料系数，尽量提高设备的利用率。通常物料装料系数可取0.60.85,如果物料容易起 泡或沸腾取低值0.60.7,当过程平稳或粘度较高可取高值0.80. 85。一般搅拌槽高径比 为0.82. 5。高径比主要考虑对搅拌功率影响、对传热影响、对固液悬浮影响、对反应特 性影响等方面。一般传热要求高、发酵等方面的槽高径比较大，固液悬浮的槽高径比较小。 根据实际经验常用高径比如表1. 2. l-lo种类物料类型高（液位）径比一般搅拌槽液-固体系采用单层搅拌器0. 71.0液-液体系采用单层搅拌器气-液体系一般

12、采用多层搅拌器2发酵罐气-液体系一般采用多层搅拌器1. 72. 5有传热要求槽气-液-固体系广21.1. 5搅拌装置安装位置及搅拌器安装尺寸要求表1.2. it常用搅拌槽高径比如右图所示，大多数搅拌装置采用此种安装方式。在湍流操作下，搅拌器的层数n=h p /d （p为混合物比重），其次搅拌器上下可及范围为4dj,按以上两者计算取大值决定层数，同时浸入深度h一般不小于1.5dj。对于过渡流、层流及中高粘流体可据实际选取大直径、小间隙叶轮（例如螺带式，锚框式等）。不同操作各参数间关系按表1选用。表1.1. 5-1湍流操作搅拌器安装尺寸关系液-液混合及分散固-液悬浮气-液分散桨径dj离底高c层间距

13、s桨径dj离底高c层间距s桨径dj离底高c层间距0. 20. 4d0. 81. 5dj1、2. odj0. 3飞.6d0. 31. odj0. 52. odj0. 30. 40. 81. 5dj1. 52.粘度低桨径取低值，离底高、层 间距粘度低可取高值。粘度低、固体含量大桨径取大值，层间距反之，离底高以桨叶不埋没在固体沉降层内为准粘度低、固体含量大桨径取大 层间距反之，离底高气相进? 准注：一般搅拌槽内配有挡板，导流筒等附件。平行搅拌槽中心轴线偏心安装；倾斜搅拌 槽中心轴线安装。对于部分液液混合、固液悬浮（固体含量少、 易悬浮）常采用偏心安装。偏心距 e=l/ri/2dj；倾斜安装常见便携式

14、搅拌器， 夹持罐壁倾斜中心轴线510安装（见图1. 1. 6-2）,搅拌潜离底高一般c=l. 53dj。此两类安装搅拌器搅拌槽内无须挡板等附件，达到搅拌效果的功耗较中心安装低，其余要求 同中心顶入式搅拌。一般不用于容积稍大的搅拌槽。搅拌槽底部安装底部安装的搅拌槽一般用于顶入安装轴伸长度较大的搅拌槽，用于降低轴长及轴径，其要求同中心顶入式搅拌。搅拌槽侧壁安装侧入式搅拌器常用于中、大型储罐的均质、调和、固液悬浮等，常多个组合使用，针对储槽操作要求不同其安装要求不同，详见图l 1.6-2所示。以上安装要求是按左旋推进式，从减速机往搅拌器看顺时针旋转的向左偏转安装尺寸，对于搅拌器旋向及转向不同，其偏

15、转方向不同。搅拌器及轴线夹角一般随罐体直径加大而增大。1.1.7搅拌附件1. 1.7. 1 挡板根据搅拌器及物料特性确定是否需要在搅拌槽内设置挡板来消除打旋现象（见1.1.3 节），将切向流转化为径向流和轴向流，增大对流循环及湍流程度，提高搅拌效果。通常搅 拌在全挡板条件下操作，全挡板条件关联式：（w/d）12 nbo. 35w一挡板宽；d一槽体直径;nv挡板数量。按全挡板条件壁挡板所受最大搅拌流体作用力f （圆管可按投影面计算）：f=16474psf/nb dn （单位：n）匕一轴功率；n一转速；f动力因子，一般f=2. 0搅拌容器常见挡板有三种型式：长条形壁挡板、指状挡板、底挡板。挡板的数

16、量及其大 小以及安装方式都不是随意的。以下指明普通常见挡板安装要求： 长条形壁挡板有4种图1. 1. 7. 1-1挡板安装方式。挡板数量及尺寸对于小直径槽挡板数量z=24个，大直径槽挡板 数量z=4飞个，一般安装4块即能满足全挡板条 件。挡板宽度w=（1/101/12） d筒体直径）。当 高粘度流体（m n25000cp）时，挡板宽度w取 1/20d.o挡板上端及静液面平（如有浮于液面的 不易润湿的固体物料，挡板上端低于静液面 100150mm安装），下端离罐底有一定距离。挡板及容潜间隙s和设置.当被搅拌介质粘度h w1000cp （低粘度）且介质为液相时，可取图3. 3. 1-1中（a）安装

17、, 可取s=0。也可按图（b）安装。.当被搅拌介质粘度u=100025000cp （中粘度）或介质为固-液两相时，可取图3. 3. 1-1 中（b）安装，s=（l/5l/2）w（一般 25wsw50）。.当被搅拌介质粘度un25000cp （高粘度）或介质为固-液两相时，为避免挡板形成死角， 可取图3. 3.1t中（c）倾斜安装，s=（l/5l）w（一般se50）。挡板倾斜方向及液体流动方 向同。除此之外，可取挡板宽度常用值75%来安装。.当被搅拌介质粘度u250000cp,不设挡板。因为挡板会干扰高粘流体的流动，降低搅 拌效果。.当被搅拌介质低粘度液-液两相分散时，可取图3.3. 1-1中（

18、d）挡板方式安装，w二 （1/101/12） d,（筒体直径）；e迅/2； h= d/2o d：为搅拌器直径。板在容器内设置高度挡板上端一般及静液面平，当液面有轻质易浮而不易润湿的固体物料时，挡板上端可低 于液面100150mll1。便于润湿固体物料。挡板下端一般及容器底封头的切线齐平。对于需 要搅拌作用将介质中重相沉淀分离时，挡板下端高于搅拌器。使容器底部维持水平回转流, 有利于重相沉降。指状挡板一般在搪玻璃釜中配合三叶后掠式搅拌器使用的一种挡板型式。这种挡板具有节约动 力。又有利于出现上下循环流的特点。指状挡板因操作目的不同可有不同的配置方法。如 图3. 3. 1-2指状挡板的配置方法所示

19、。图3.3.1-2指状挡板配置方法3j3.3.卜3放献权ell底挡板（见图3. 3.1-3底挡板）在固-液悬浮过程中，采用长条形壁挡板容易在桨叶底部形成固体颗粒堆积，采用底挡 板就可明显改善这种状况。一般为四块，十字形安放。其中hl=o. 05di （筒体直径）；w=0. idi；nr6=dj（搅拌器直径）;c= di/4；以上适用条件：re=（3、6）xl0 % 1. 1. 7. 2导流筒导流筒主要用于推进式、螺杆式搅拌器的导流，涡轮式搅拌器 有时也有用导流筒的。对于液-液、气-液相操作导流筒内流体 一般向下流动；固-液相结晶操作一般向上流动。推进式导流筒 的几何关系见图1. 1.7. 2-

20、1,其中 的二0何飞系5d； c=1.2dj；c1=o. 8dj； h=0. 350. 45h； d =1. idj； hl=d ； h2为搅拌器轮毂高度。螺杆式导流筒,筒径为槽径的0.50.7倍，无喇叭口。其高度及螺杆相同或略高。1. 1.7.3其它附件许多搅拌槽内都装有许多阻碍水平回转切向流的构件如蛇管、排管、温度计、支撑件等, 其挡板条件系数6 2l 0也可认为具有全挡板作用。6二2.5lf/d2ef一垂直于流体切向流的构件投影面积总和d一罐体直径。1.1.8搅拌的工艺过程的搅拌级别、体积比轴功率选用和其它参数值针对不同的搅拌工艺过程和强度要求，可按以下表中所述估算完成搅拌工艺过程所需的

21、搅 拌轴功率。表1.3t常用桨端线速度及体积比功率值（按水溶液或类似溶液）搅拌方式缓慢搅拌普通搅拌强力搅拌特强搅拌高速分散和乳化桨端线速度m/s2. 03. 33. 34. 24. 26. 06.0以上1530 （预分散用小值）单位体积搅拌功率kw/m30. 15 以下0. 151.01. 03. 03.0以上530注：l针对不同粘度及密度的流体，选用值可适当变动。2.桨端线速度及体积比功率间不存在一一对应关系。表1.3-2搅拌常用翻转次数和体积比功率值（按水溶液或类似溶液）搅拌方式普通搅拌强力搅拌单位体积搅拌功率kw/m30. to. 750. 752. 3翻转次数次/min35510表1.

22、 3-3各种工艺过程常见液体单位体积功率选用推荐值搅拌工艺过程液体单位体积功率kw/m3搅拌工艺过程液体单位体积功率kw/m3易溶液体混合（调和）0. 050. 2 （按混合时间）胶浆絮凝0.30.8 （按胶浆粘度）不互溶液体混合（分散）0. 51.2 （按密度、张力差）大型储罐侧搅拌0. 0050. 015（按罐体大小）固液悬浮（小密度差）0.20.4 （按粒径大小）传热0.41. 1（按搅拌器型式）气液分散和吸收（空气）0. 53.0（按通气量大小）间歇发酵、聚合反应釜0. 53 （按反应要求）固体有机物溶解0.30.5 （按密度差）本体聚合反应釜（层流）5、30 （按粘度大小）固体无机物

23、溶解0.51.1 （按密度差）高速液液乳化530 （按乳化液安定程度）机械爆气0.0100.03 （按爆气强度）注：除注明外，本表推荐值均指液体为湍流操作表1. 3-4搅拌工艺过程要求的搅拌等级搅拌等级液液混合固液悬浮气液分散12级适用于低流动速度的工艺过 程比重差小于0. 1互溶液混 均。粘度比大于1/100互溶液 混均。不同物料长时间混合均 匀。混合液体表面产生平稳流 动。适用于最低固液悬浮的 工艺过程颗粒在容器底部缓慢 移动。容器底部颗粒可有周 期性悬浮沉降。适用于气液分散不是关 键因素的工艺过程 搅拌器超过临界转 速，较低水平的气液分 散。不受气液传质限制的 过程。35级适用于普通混合

24、搅拌工艺过程比重差小于0. 5互溶液混适用于溶解搅拌工艺过程。离底固液悬浮颗粒离开容器底部悬适用于普通气液分散的工艺过程可使小气泡达到容器均。粘度比大于1/1000互溶液混均。低粘度液体表面产生小波 动。浮。颗粒在1/3液体高度 均匀。悬浮液可从底部出口 排出。壁。可使部分气泡再循环到搅拌器产生再循环。68级适用于大多数混合搅拌工艺 过程比重差小于1.0互溶液混 均。高粘度差互溶液混均。低粘度液体表面产生大波 动。适用于大多数固液悬浮 搅拌工艺过程。固液悬 浮均匀颗粒在95%液体高度 均匀。悬浮液可从80%液体 高度处排出。适用于常见气液分散的 工艺过程可使气泡表面积达到 一定的传质要求。可使

25、多数气泡产生再 循环。910 级适用于强烈混合搅拌工艺过 程比重差较大互溶液混均。高粘度差互溶液混均。低粘度液体表面产生激烈 波动。适用于完全均匀固液悬浮搅拌工艺过程。颗粒在98%液体高度均匀。悬浮液可溢流排出。适用于常见气液分散的 工艺过程可使气泡表面积达到 最大程度。可使全部气泡产生再 循环。1.1.9搅拌特性的计算及分析1.1. 9.1搅拌器的特性计算及分析搅拌港的轴功率ps计算.对于低粘流体：ps=k p npnm；式中此一搅拌器功率准数。其值及搅拌器型式及尺寸、搅拌雷诺数等因素有关。在re15 / 17210cl0时，绝大多数凡值为一定值。m 一般分全挡板和无挡板两种，在层流、过渡流

26、(rewlctlo，)时。np值的大小相等。k一校正系数。其值及槽体形状及尺寸、安装位置、挡板系数、离底高度、内构件等因 素有关。一般在全挡板条件下1.0。p一流体混合比重；n搅拌轴转速；&一搅拌器直径.对于高粘流体层流(rew30100)： ps=k/d：n式中k,一功率常数，针对各类锚框式、螺带式、螺杆式、螺带螺杆式等为定值均二regh一流体粘度搅拌器的泵出流量qd、排出流压头比、循环流量鼠和翻转次数nt、循环次数取搅拌潜轴功率经换算ps二qh p g其中qd 飘 md：he = n/d：/ 1 g一泵出流量准数；n”一循环流量准数。一般%=1.52及好也可按下式计算：nq =1+0. 1

27、6(d/d.)2-l山qc 二 ndnt= q/v ntc= qc/v式中v一被搅拌流体的体积对于高粘流体计算循环量可参见许多研究报告及论文1. 1. 9. 2其它特性计算其它计算包括：搅拌槽传热系数、液-液分散临界转速、比界面积、固-液悬浮临界转速、 气液分散临界转速、传质速率等，在有搅拌介质物性参数条件下，可向用户提供计算。这 里从略，可直接向我公司咨询。1. 2搅拌装置机械设计诚津机的承 /l2. 1搅拌装置的组成如图1.2. 1t搅拌装置组图所示，一般由电动机、减速机、机15 / 17架、传动联轴器、传动上轴轴封、安装底盖、凸缘法兰、釜内内联轴器、搅拌轴、中间轴 承、搅拌器、底轴承等零部件组成。这些零部件大部分均有hg、cd标准，另外浙江长城减 速机均有配套的企业标准对应