聚合反应工程基础chapter509

1、1 2 1. Uhl,V.W.and Gray,J.B.:“Mixing Theory and Practice ”,Vol.2,Academic Press,19672. Chemical Engineering,CE Refresher : “Liquid Agitation ”,Vol.83, 1、3、9、11、23、 24、26, (1976)3. Shinji Nagata: “Mixing ,Principles and Applications”, Kodansha Tokyo,197534搅拌聚合釜的基本概念，搅拌釜的结构及搅拌搅拌聚合釜的基本概念，搅拌釜的结构及搅拌器的作用器

2、的作用搅拌器的设计步骤，方法：搅拌器的设计步骤，方法： 均相聚合均相聚合“混合和搅动混合和搅动”类型聚合釜搅类型聚合釜搅拌器的设计拌器的设计 非均相聚合非均相聚合“分散和悬浮分散和悬浮”类型聚合釜类型聚合釜搅拌器的设计搅拌器的设计5 搅拌聚合釜设计的一般步骤：搅拌聚合釜设计的一般步骤：分析和理解搅拌器的作用.针对具体聚合过程正确选择搅拌器的型式.搅拌过程是一个流体动力过程，理论基础是流体动力学.在讨论Navier-Stokes方程的基础上，论述搅拌器的尺寸、转速和功率的设计方法.在此基础上进一步着重讨论不同聚合方法对搅拌过程提出的要求，使在设计搅拌聚合釜时具有一定的理论分析基础.6搅拌的用途：

3、搅拌的用途：(1) (1) 使两种或多种互溶的液体分散；使两种或多种互溶的液体分散；(2) (2) 不互溶的液体之间的分散与混合；不互溶的液体之间的分散与混合；(3) (3) 气体与液体的混合；气体与液体的混合；(4) (4) 使固体颗粒悬浮于液体之中；使固体颗粒悬浮于液体之中；(5) (5) 加速化学反应、传热、传质等过程的进行。加速化学反应、传热、传质等过程的进行。搅拌可以同时达到几个目的，例如用硫酸浸取磷矿浆制取磷酸过程中，搅拌使磷矿颗粒和生成的磷石膏晶体悬浮于液体之中，同时又加速了化学反应、传热、传质过程的进行。 搅拌方式：机械搅拌、气流搅拌、射流搅拌、静态混合、管道混合等。MC Se

4、ries7 各种生产过程对搅拌釜的不同要求各种生产过程对搅拌釜的不同要求: :n 混合和搅动作用，混合和搅动作用，n 使固体或液滴在液体中保持悬浮状态，使固体或液滴在液体中保持悬浮状态， FC Series Stirred Reaction Vessels 因此，要求搅拌器具有一定的技术特性因此，要求搅拌器具有一定的技术特性n一定的型式、尺寸、转速和功率等。一定的型式、尺寸、转速和功率等。n还需要从经济的角度，考虑搅拌器及减速还需要从经济的角度，考虑搅拌器及减速装置的设备投资费用和日常动力消耗的操装置的设备投资费用和日常动力消耗的操作费用。作费用。8 均相体系均相体系: : 使物料搅动以提使物

5、料搅动以提高传热和传质速率，并使物高传热和传质速率，并使物料混合均匀料混合均匀. . 非均相非均相: : 还要求还要求“分散相分散相”在在“连续相连续相”中能保持稳定中能保持稳定的均匀分布的均匀分布ROTOBERTY Catalytic Reactor9结构: 釜体釜体 釜盖釜盖 搅拌器搅拌器 减速机减速机 密封装置密封装置操作条件: 温度,0-4000C 之间, 压力,真空-20大气压。106400 lb (3000 kg) capacity PATTERSON Autoclave (Pressurized) Grease Kettle complete with PATTERSON Dou

6、ble Motion Agitator Arrangement ready for shipment and later installed in a Thailand Plant.72 (1.83 m) diameter x 113 (2.87 m) tan to tan PATTERSON Half 1175 lb (34 kg), 115 lb (52 kg) and 190 lb (86 kg) capacity Skid Mounted PATTERSON Autoclave (Pressurized) Type Grease Kettles complete with PATTER

7、SON Double Motion Agitator Arrangements including Thermal Fluid Heating/Cooling Systems and Grease Discharge Pumps.1292 (2.35 m) diameter x 258 (6.55) long Vertical PATTERSON StainlessReaction Vessel with Heating Coil and Hemi-Spherical Heads for Chemical Operations.131415由搅拌槽，搅拌器和若干附件组成。搅拌器是搅拌装置的核心

8、部件，由它将机械能传递给液体。搅拌器作用类似于泵的叶轮，通常搅拌器又称之为叶轮，由浆叶,轴组成。 16Taken from McCabe & Smith, 6th ed.a. Marine propeller; b.straight blade turbine (paddle type) ; c. disk turbined. Concave blade impeller; e. pitched-blade turbine;High efficiency impeller, HE-3For high viscosity fluid: a. helical ribbon impeller

9、; b. anchor impeller17打漩现象：液体在离心力作用下涌向器壁，中心部分液面下降，形成一个大漩涡。转速越高，形成的漩涡越深。后果：有效容积降低，且几乎不产生轴向混合，搅拌效果下降。严重时出现负压，从表面吸入空气，使搅拌器不能正常操作。解决方法：在槽内安装档板。过多的档板将减少总体流动，并把混合局限在局部区域内，导致不良的混合性能。18产生条件：产生条件：流体粘度较低，搅拌器转 速较高，增加搅拌器转速漩涡可以达到叶轮的位置，此时将大量带入空气，搅拌器功率消耗将显著下降，这是漩涡使叶轮局部露出液面的一个现象。图5-4 漩涡流况漩涡漩涡(Swirl)：离心力作用于旋转的液体所产生。

10、离心力作用于旋转的液体所产生。19 档板、导流筒档板、导流筒 (Baffle and draft tube) 导流筒导流筒(draft tube)：引导液体流入和流出搅拌器的园形导筒。可控制液体的流向和速度，减少短路机会，提高混合效果。特别是含有固体颗粒的液体可得到均匀的悬浮。解决方法：解决方法：对小容器，搅拌器偏心或偏心倾斜安装可破坏循环回路的对称性。 20 流动状况:可分为两个层次，宏观的状况和微观的状况。n 宏观流动状况宏观流动状况: : 液体的“流况”。n 微观流动状况微观流动状况: : 分子尺度或比较接近分子尺度液体微元 的运动状况。轴向流动：轴向流动：倾斜浆叶和 推进器式搅拌器；径

11、向流动：径向流动：平浆叶的搅拌。21 流体的流动型式：流体的流动型式：层流层流 (laminar flow)：流体的速度分布是一个常数，流型固定。过渡区过渡区(transition flow)：流型不稳定；湍流湍流(turbulent Flow ):流体的速度分布是一个常数，流型固定。 Reynolds Number: 10000NRe (The Turbulent and Shearing Flow under Stirred Effect)特点：特点：湍流向所有方向进行质量传递完成混合过程，是造成混合的一个重要原因。剪切流动剪切流动(Shearing Flow )：具有一定黏度的流体在流动

12、时，只要存在速度梯度，则同时也存在剪切应力。22 从聚合体系物料的相态来分从聚合体系物料的相态来分 均相:本体聚合和溶液聚合 非均相:悬浮聚合、乳液聚合， 有固体催化剂存在的聚合体系。23 混合：混合：使比重、黏度不同的物料混合均匀。 搅动：搅动：使物料强烈流动，提高传热及传质速率。 悬浮：悬浮：使原来静止的液体中会沉降的固体颗粒或液 滴悬浮在液体介质中。 分散：分散：使气体、液体或固体分散在液体介质中，增大 不同物相间的接触面，加快传热和传质过程。24特征速度DNDNDNDN2Re (The Relation between NRe and the Behave of Agitation)2

13、5 功率准数功率准数-无因次速度无因次速度- u/ND 和流体流速有关的准数泵送准数泵送准数-无因次混合时间无因次混合时间-pNQNNtb包含搅拌所需功率的一个准数和搅拌器造成的循环流量有关和搅拌达到一定的均匀程度所需的时间有关 (Dimensionless Numbers)26G.G. Stokes Born: 13 Aug 1819 in Skreen, County Sligo, IrelandDied: 1 Feb 1903 in Cambridge, Cambridgeshire, England Claude-Louis NavierBorn: 10 Feb 1785 in Dij

14、on, FranceDied: 21 Aug 1836 in Paris, France27 The Navier-Stokes equations are the foundation of fluid mechanics and, strangely enough, are rarely recorded in their entirety. Furthermore, their presentation is frequently muddled in both texts and in the classroom. Sometimes this confusion is appropr

15、iate (or at least is the product of understandable compromises); examples include the desire to derive these equations and to provide warm fuzzies, e.g., examples, motivations, applications, etc. Less appropriate confusion is due to, . well, dont get me started . 28The main idea of these notes is to

16、 write an easily accessible, i.e., web-based, summary of these equations which are both correct and complete. I will admit that I wont be 100% comprehensive here. Some compromises are needed for the sake of tradition and brevity. However, I will do my best to point out any holes. For example, check

17、out the Whats Missing page to see the main topics which I have had to leave out or just go to my new site which gives a more complete discussion of the Navier-Stokes equations. 29dVgXx作用于微元的重力为轴方向流动设微元向pdydzp总压力为作用于微元的压力为()ppdxx作用于微元底部的压力为dVxpdxdydzxpdydz)dxxpp(pdydz为作用于微元总压力净值 3022(),(),xxydyddy dx

18、dzdyddy dxdzdxdzdydddxdydzdVdydydUd UddVdVdydydy在截面上受到的摩擦力为合力为则dxdzy摩擦力为：截面上受到的在左侧 31UIDtIDUUIDtIDUIDtIDUx2xx2xx2xx22x22x22x2pg,xpgdV,dVdV)Ux/pg,dVUdV)zUyUxU(X一般形式消去作用于微元的合力（轴上的投影量为摩擦力在 32ReferenceA mathematical treatment of the effect of particle size distribution on mass transfer in dispersions Be

19、njamin Gal-Or, H. E. Hoelscher Johns Hopkins University, Baltimore, Maryland (Dimensional Analysis for Agitation Process)33特征量：特征量：能够反映过程特殊性的物理量。搅拌过程的特征量：搅拌过程的特征量：搅拌浆叶的直径D , 转速N 因次分析：因次分析：把决定一个过程的变量归并为无因次准数，使变量数大大减少，简化实验和运算。34 无因次长度无因次长度无因次时间无因次时间无因次速度无因次速度无因次压力无因次压力XX / D,YY / D,ZZ / D1tt /tNNUU /

20、ND2pPD2N35gG)DNg(U)ND(pIDtIDU222gDNN,NDN2Fr2Re惯性力与重力比惯性力与粘性力之比，:N:NFrRe2IDUNavierstokesgpUIDt 比较:方程:36准数andtlNNNDtDPr,)1(Pr2PrRe速度分布和浓度分布是 NRe 和 NFr的函数:)(),(),()(),(),(ReReReReNfNNftZYXpNfNNftZYXUFrFr对搅拌体系作能量平衡，可写出温度分布数学式：对传质过程，可写出搅拌体系物料各组分的质量分布衡算式：2Re1(),AAScAScDCCNSchmidtCDtNN准数;浓度37*2*235*ReFrppD

21、p()/N DNDN Dpf( N,N),wwPP223压力无因次压力特征压力N把上式代入,得2:p DD N wP功率3: pNDwP压力pReFrRe5Nf ( N,N)f ( N)N DwP3搅拌器功率计算:p5NN DwP3搅拌器功率准数:38将 Np 与 NRe 标绘在双对数坐标上，就可得到功率曲线。对一具体几何构型只有一条功率曲线，与搅拌釜大小无关。39搅拌雷诺数大，搅拌体系的流型属于湍流范围。 惯性力的作用超过黏性力，可以把Navier-Stokes方程中的黏力项及重力项均略去不计，可得到流体运动的表达式：ID UpID t Euler式式:gG)DNg(U)ND(pIDtIDU

22、22240型情况系是符合这种条件的典低粘度高转速的搅拌体常数，高时，功率准数是常数，意味着在固定的无因次压力分布具有固定的，沿搅拌器浆叶压力分布和速度分布是种极端情况下，不再是一个参数，在这由于5353ReReDNPDNPNNpIDtIDU41雷诺数低，雷诺数低，搅拌体系的流型属于层流， Navier-stokes方程中的压力及重力项均可略去不计，数关系，功率准数和雷诺数的函轮浆叶将具有特有的各种不同几何形状的叶下，无因次压力应为在粘力作用为主的情况3232322DNPDNPN/NDPpUp,NppUp2IDUgpUIDt 4243NQ和NRe 的函数关系是计算搅拌器功率的依据。35355PP

23、1.36510;wgwgCN DnS N DnSC叶轮个数流体密度常数4445在计算搅拌器的转速时，实际有用的是流体在搅拌容器中的总体流速或称平均流速Uav 3QRe32Reavav2avND/QN),N(fNDQNDD/Q)N(fND/UUAQDQAQU其中搅拌容器截面积搅拌器泵送量4647计算依据:对于要求达到混合和搅拌这一对于要求达到混合和搅拌这一类过程效果的搅拌器，转速的类过程效果的搅拌器，转速的计算主要借助于计算主要借助于NQ和和NRe的函的函数关系数关系(NQ Nre算图算图)。48 n 首先确定叶轮的直径D和釜径T， 然后假设搅拌达到湍流状态， 则从图5-12即可读出相应的NQ

24、.n 根据要求达到的搅拌强烈程度选定泵送量Q，即可从NQ求 出搅拌器的转速N；然后进行第二次试算. n 用算得的值计算雷诺数NRe ，再读出NQ并计算N.n 这样试算下去，直到由NQ算出的N值，由N值算出的NRe值 和读图时所用的NRe值一致，N值即告求定. 49搅拌强烈程度的级别搅拌强烈程度的级别 “尺度尺度” ” 和和 “ “难度难度” ” H)T4(2可以用搅拌釜的截面积可以用搅拌釜的截面积和料位高度的乘积来表示。和料位高度的乘积来表示。任务的任务的“难度难度” ” ：是指相互混合液体的粘 度差别和密度差别。搅拌任务的级别是根据搅拌任务的级别是根据任务的难度来区别的。任务的难度来区别的。

25、尺度尺度则决定搅拌器的尺寸和安装方式。则决定搅拌器的尺寸和安装方式。任务的任务的“尺度尺度” ” ：对分批操作的搅拌釜来说，是指一批反应物料的容积；对连续操作的搅拌釜来说，是指每一级釜内反应物的容积。505152根据设计任务的尺度确定釜的有效容积，确定釜的直径T和液层深度Z,即Z/T；根据要求的搅拌程度，确定搅拌级别及总体流速；计算搅拌器的泵送量Q；选定浆叶直径与釜径的比值D/T，初步求出浆叶直径D。D/T的值一般在0.2至0.6之间；运用NRe-NQ 函数关系，求搅拌器转速N；对搅拌器进行粘度校正（Dc =D/CF），表5-6。利用Dc计算搅拌器所需要的功率。533240,1.05,0.05

26、,0.49/.,.3.5 ,3.65 ,.MN s mmm(p131/p164)例5-2：一个容积为的贮罐 容纳几台分批反应器的产物产物密度为最大波动为黏度为各批产品间黏度无明显变化 产品在贮槽中至少存放两天罐径直边高罐底为碟形试设计混合放入贮罐的各批物料所需的搅拌器54:1.,.5 5,1.8 /min,m解搅拌级别确定:各批物料的密度差别小黏度无显著变化 搅拌强度可选用一级或二级任务没有提出特别的均匀程度的要求 存放时间又长因此可选用一级2.总体流速确定:自表查得一级搅拌总体流速为 5532:3.1.8()(3.5)17.26/min44./0.25,0.25 3.50.875sQQuAm

27、D TD TDm解搅拌器泵送量 的确定:比的确定:比选则叶轮直径56Re3322Re512:/0.250.8717.2629.60.870.8750.87529.6(1.05 16.67)8090.49QQQNND TNQNrpmNDD NN解:5.运用函数关系,求搅拌器的转速N，查图先假设搅拌在湍流下进行，在时，从而5732Re32Re:5 12,0.71,17.26,36.30.71 0.8750.87536.3 (1.05 16.67)9940.4917.265 12,0.73,35.30.73 0.8750.87535.3 (1.05 16.67)9650.490.73,QQQNNrp

28、mNNNrpmNN解 从图上读出重新计算转速(第二轮试算)则从图上读出则(第三轮试算)从图上看出与上317.2635.30.73 0.875QNNrpm一个值接近，搅拌器转速可定为58Re3535550.875569651,0.8751(5-46)1,1.05 35.30.8750.17741.365 101.365 10FcFcgDNCDmCDnnS N DPkW 解:6.对叶轮直径进行黏度校正:自表查得时，7.利用及公式计算搅拌器所需轴功率，叶轮数59工业上处理两种不相溶的液体有三种方式：工业上处理两种不相溶的液体有三种方式：3.“3.“湍流湍流- -稳定稳定”弥散；弥散；采用保护胶体及机

29、械湍流搅拌，使液滴 的撞合得到显著防止，搅拌保持一定的，单个粒子就能够 稳定地存在。1.1.稳定弥散；稳定弥散；通过表面活性物质的乳化作用，使不相溶的 液体形成乳液，只要保存得当，可贮放相当长的时间；2.2.不稳定弥散；不稳定弥散；借助于机械搅拌使一种液体分散在另一种 液体中； 60 在分散体系中，有三种应力作用于分散相：在分散体系中，有三种应力作用于分散相：剪切应力剪切应力 导致液滴的分散表面张力表面张力 液滴分散的阻力黏性应力黏性应力 液滴分散的阻力 在许多实际情况下，黏性力可忽略不计，剪切力与表面在许多实际情况下，黏性力可忽略不计，剪切力与表面张力应力之比达到一定数值时，分散相的颗粒大小

30、达到平张力应力之比达到一定数值时，分散相的颗粒大小达到平衡状态。衡状态。dpdpDD61 对于要达到悬浮效果的搅拌器来说，对搅拌器转速的分析，主要是从要求悬浮的颗粒或液滴的沉降速度出发的。球形颗粒在Stokes定律范围内的极限沉降速度的关系式为： 212/)(74. 1:18/)(:ttpptptptgdudu限沉降速度关系式为在牛顿定律范围内的极一般式62图图5-135-13 球形球形颗粒在液体中颗粒在液体中自由沉降的极自由沉降的极限沉降速度限沉降速度630.11101001101001000NRe/P0.15图5-14 液滴在液体中的沉降Cd(NWe)(P0.15)无因次群准数无因次拉拽系

31、数),(g/ )g(Pg/duNWeber:N:Cd43i23ccip2tWeWed64颗粒的极限沉降速度反映了通过搅拌使颗粒在液体中保持悬浮状态的难度。在实际设计计算时，可以根据要求达到的悬浮程度，计算搅拌器所需要的转速。悬浮程度（搅拌的级别）与搅拌器的转速和叶轮直径的一定方次成正比，与颗粒的沉降速度成反比。 悬浮程度/nmdN Du65 6667n计算颗粒的 “极限沉降速度”ut，计算 “设计沉降速度”ud, ud= utfw计算聚合釜的直径T及料层深度Z，选定叶轮直径与釜径的比值D/T，计算搅拌器的转速N，计算搅拌器所需要的轴功率3551.365 10gnS N DP 68一套连续流程的

32、装置需要一个中间一套连续流程的装置需要一个中间贮罐，容积为贮罐，容积为50m3,直径直径3m，直边，直边高高4.26m。放入的浆料固体含量为。放入的浆料固体含量为30%，密度，密度1.34，颗粒的平均粒度为，颗粒的平均粒度为50目，黏度为目，黏度为0.001(N)(s)/m2。罐中。罐中浆料深度最高为浆料深度最高为4.14m。对搅拌的要。对搅拌的要求是，使在接近罐底切线处的出料口求是，使在接近罐底切线处的出料口能够均匀地放料。能够均匀地放料。69解解: 1. 首先计算颗粒的极首先计算颗粒的极 限沉降速度限沉降速度 ut， 固体与液体密度差为固体与液体密度差为 2.6 -1.1=1.5210.0

33、1 /( )()()/150 /()/1.365ppcpgs cms cm70:5 1350/0.304)0.128;0.128 0.3040.039/ (2.35/min)531.30(2.35)(1.30)3.05/mindwdtwum smfuufmtt解:2.计算设计沉降速度自图查得颗粒粒度为 目时，(u极限沉降速度为u自表查出，校正因素 为7134.14 ,/1.38/,/0.4,0.4(0.4)(3)1.2mmZ TD TDD TDTm解:3.确定釜径T及料层深度Z,已知分别为及，从下表查出应采用两层叶轮。4.确定比；求取叶轮数叶轮数叶轮间距叶轮间距最大比值最大比值Z/T底底顶顶1

34、2Z/4T/4-2 Z/ 31.21.872 由图由图5-15，先确定搅拌级别，叶轮直径，先确定搅拌级别，叶轮直径，颗粒沉降速度，然后计算搅拌器转速颗粒沉降速度，然后计算搅拌器转速N。1033.752.81101/3.752.813335515 3/0.4,2.610,9.2810/(2.6)(10)(3.05)61.5(1.2)(9.28)(10)6.11.621.33510dgD TNDuNrpmnS N DPkW解:5.确定转速N:查图，级搅拌，计算轴功率：731. 某中间贮槽容积为某中间贮槽容积为50m3，分装几台分批反应，分装几台分批反应器的产物，产物密度为器的产物，产物密度为1.0

35、5kg/m3, 最大波动为最大波动为0.03。黏度为。黏度为0.50 (N)(s)/m2。各批产品间黏度。各批产品间黏度无明显变化。产品在贮罐中至少存放无明显变化。产品在贮罐中至少存放2天。罐天。罐径径3m，直边高，直边高3.5m，罐底为碟形。试计算混，罐底为碟形。试计算混合放入贮罐的各批物料所需的搅拌器的功率。合放入贮罐的各批物料所需的搅拌器的功率。（采用（采用2级搅拌，总体流速为级搅拌，总体流速为3.7m/min，可不，可不进行黏度校正，取进行黏度校正，取CF=1）。）。 74112313322Re122Re:3.7()326.14/ min4/0.25,0.250.2530.75/0.2

36、5,0.87,26.1471.220.870.750.7571.221.0516.671402.420.50,0.750.87,82.62sQQQQQuAmD TDTmD TNQNrpmN DD NNNNNrpmN解当时 查表则查表计算222323550.7582.621.0516.671626.910.50,0.75,82.620.751.0582.620.750.75,1.0311.36510QQQcD NNNNNrpmDm PKW查表与上一个值接近 因此752. 某中间贮槽容积为某中间贮槽容积为 50m3，直径为，直径为 3m，放入料，放入料浆后固体含量为浆后固体含量为 30%（质量百分

37、数），平均粒度（质量百分数），平均粒度为为 50目目 (28810-6) ，颗粒密度为，颗粒密度为 2600 kg/m3，液，液体密度为体密度为 1.1,黏度为黏度为 0.001PaS.要求能在接近槽底要求能在接近槽底切线处的出料口均匀地放料，试计算搅拌器的转切线处的出料口均匀地放料，试计算搅拌器的转速并说明理由。（已查得颗粒粒度为速并说明理由。（已查得颗粒粒度为50目时，极目时，极限沉降速度为限沉降速度为 0.039m/s, 校正因素校正因素fw=1.3，可设计，可设计两层搅拌浆叶，采用两层搅拌浆叶，采用3级搅拌，级搅拌，D/T 取取 0.3）。）。 7622.:2.6 1.11.510.0

38、1 /( )()()/150 /()/1.36553500.039/ (2.35/min)1.30(2.35)(1.30)3.05/minppwdtwcpgs cms cmm smfuufm解自图查得颗粒粒度为 目时，极限沉降速度为 自已知条件，校正因素 = 771033.752.81101/3.752.813353555,/0.3,0.3(0.3)(3)0.95 15 3/0.3,15 10 ,9.28 10/(15) (10)(3.05)98.20(1.2)(9.28) (10)2 1.34 98.200.911.1.335 101.335 10dgDD TDTmD TNDuNrpmnS

39、N DP2.解：求取查图， 级搅拌，22kW 由图由图5-155-15，先确定搅拌级别，叶轮直径，先确定搅拌级别，叶轮直径，颗粒沉降速度，然后计算搅拌器转速颗粒沉降速度，然后计算搅拌器转速N N。78定义：定义：指将不同物料经过搅拌后，使整个体系达到一定的均匀程度指将不同物料经过搅拌后，使整个体系达到一定的均匀程度 所需要的时间，是判断搅拌器混合效率的一个指标。所需要的时间，是判断搅拌器混合效率的一个指标。分析传质方程式分析传质方程式, ,)N,N(f)tZ,Y ,X(CSeRe*A，ReReRe(,),()(/ )()bScbnbtf NNtf Nt D Tf N比较分子扩散作用和对流及湍流

40、作用对于混合的影响，分子扩散作用可以忽略不计， 将含有常量指数的浆叶直径和釜径的比值引入关系式，2.32()0.5,(577)()0.9,(578)mmNDKTNDKT对于透平式搅拌器： 推进器式搅拌器： 79图图5-16 5-16 浓度不均匀程度的衰减过程浓度不均匀程度的衰减过程0振幅A混合时间浓度1.,:K)785( ,9 . 0)TD(KN)775( , 5 . 0)TD(KNm2m3 . 2m表征体系不均匀程度衰减常数推进器式搅拌器：对于透平式搅拌器：ln(/2)2mK tmAAetK 8013,0.1%,.6 ,6 ,1.2 ,180( 3),1000/,0.001/.TmLmDmN

41、rpmskg mkg m s在一台聚合釜的水中加入少量聚乙烯醇要使浓度不均匀幅度距理论平均浓度的偏差小于求混合时间已知:釜径水在釜中的深度搅拌器为透平式 搅拌叶轮直径叶轮转速水的8122Re642.3:/3(1.2) (1000)/0.0014.31 1010 ,577()0.50.1460.0012ln(/2)ln(0.001/2)520.146mmmK tmNNDNDKTKAAeAtsK 解可用式82实验技术实验技术 追踪剂追踪剂达到混合时间的标准达到混合时间的标准 1. 在搅拌体系中加入染料在搅拌体系中加入染料2. 导电法导电法，整个体系构成整个体系构成 一个电导池一个电导池3. 酸碱中

42、和酸碱中和，搅拌体系中搅拌体系中 加入中和指示剂加入中和指示剂 染料溶液染料溶液浓盐溶液浓盐溶液酸酸(或碱或碱) 整个体系颜色均匀整个体系颜色均匀测定电导测定电导，所示浓度所示浓度 x%测定体系达到完全中和的时测定体系达到完全中和的时间间 83聚合反应过程对搅拌聚合反应过程对搅拌过程的要求过程的要求 掌握必要的物性数据掌握必要的物性数据 任务的尺度任务的尺度（搅拌体系的体积）（搅拌体系的体积）搅拌体系的尺寸搅拌体系的尺寸（釜径（釜径T，液位，液位Z）确定搅拌器叶轮的直径确定搅拌器叶轮的直径D根据搅拌任务的难度计算根据搅拌任务的难度计算搅拌器的转速搅拌器的转速N计算搅拌器的轴功率计算搅拌器的轴功

43、率P选定减速装置及电机的规格选定减速装置及电机的规格无无适适当当系系列列产产品品可可选选 w在满足工艺过程要求的前提下在满足工艺过程要求的前提下, ,主要是一个经济问题主要是一个经济问题. .84特点：特点：搅拌过程处于层流状况，无因次准数与雷诺数无关，等于常数。在层流区域无因次混合时间为常数，即 常数1bbKNtt212331,(/)3,ccbcctNtNKtKKtK tK物料的循环时间，则即混合时间大约是循环时间的三倍85在高黏度流体的混合和搅动中，拌器转速主要取决于混合时间。如图5-20显示混合时间与搅拌器转速的关系。试验所采用的是螺带式搅拌器。液体黏度为0.1-0.4(N)(s)/m2

44、。黏度对试验结果无明显影响。 8623, . .:/pbHoogendoorn C JNt PD试验黏性功率准数87 1. 在容器中能造成良好的轴流流况，使得上下混合良好；2. 所有层流流线均能通过搅拌平面，因为实际上只有在靠近搅拌器的区域中才发生混合作用，在搅拌平面外的闭路层流流线形成滞留区域；3. 能够尽可能地扰动容器内壁上的物料层。(Hoogendoorn,C.J.)88几何相似放大：几何相似放大：按照一定的比值将叶轮直径、浆叶宽度、釜径、液位等的尺寸加以放大， R：放大倍数放大倍数RZZTTbbDD1212121289几何相似：全部相应的尺寸有相同比例几何相似：全部相应的尺寸有相同比例

45、 (几何构形相同几何构形相同)；运动相似：对应点有相同速度比，且有相同的运动方向；运动相似：对应点有相同速度比，且有相同的运动方向；动力相似：对应点上各种力动力相似：对应点上各种力(惯性力、流体黏滞力、表面张惯性力、流体黏滞力、表面张力和重力力和重力)的比例相等的比例相等(Re、Fr、We相同相同)。雷诺数雷诺数 Re：惯性力与黏滞力之比；：惯性力与黏滞力之比；弗鲁德准数弗鲁德准数 Fr：惯性力与重力之比；：惯性力与重力之比；韦柏准数韦柏准数 We = n3d2 / ：惯性力与界面张力之比。：惯性力与界面张力之比。90问题：如何保持几何相似的大小两搅拌槽中流体动力学状态相似(Re、Fr、We为

46、常数) ？以上关系相互矛盾，即在以上关系相互矛盾，即在几何相似条件下，不可能满足动力几何相似条件下，不可能满足动力相似相似。实践中应根据过程特性，设计好模型，在几何相似的。实践中应根据过程特性，设计好模型，在几何相似的前提下，分别以某一准数作为放大准则来确定装置尺寸、转前提下，分别以某一准数作为放大准则来确定装置尺寸、转速和功率，再对过程效果及经济性进行综合评价、修正某些速和功率，再对过程效果及经济性进行综合评价、修正某些几何条件。几何条件。 222211dndn222121dndn32223121dndnRe相等：Fr相等：We相等：91放大的要求：放大的要求：在小装置中的搅拌效果能够在大装置中得到重现量值相等原理：量值相等原理：在放大时保持某些设计变量为常数； 对于一般的