第3章液体的搅拌

1、第3章 液体搅拌Liquid Agitation第3章 液体搅拌2022-5-31西北师范大学化学化工学院23.1 概述概述 (Introduction) 搅拌的目的(1) 使两种或多种互溶的液体分散；(2) 不互溶的液体之间的分散与混合；(3) 气体与液体的混合；(4) 使固体颗粒悬浮于液体之中；(5) 加速化学反应、传热、传质等过程的进行。 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。第3章 液体搅拌2022-5-31西北师范大学化学化工学院3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，通常搅拌器又称为叶轮

2、。 第3章 液体搅拌2022-5-31西北师范大学化学化工学院4(1) 圆盘平直叶 (2) 圆盘弯叶 (3) 开启平直叶(4) 开启弯叶 3.1.1 常见搅拌器类型常见搅拌器类型 涡轮式 第3章 液体搅拌2022-5-31西北师范大学化学化工学院5通用尺寸及叶片端部速度： S/d=1 (S螺距，d搅拌浆直径)Z=3 ( Z桨叶数)一般515m/s，最大25m/s 旋桨式 通用尺寸及叶片端部速度： S/d=1B/d=0.1 (B叶片宽度)Z=1-2(2指双螺带)外缘尽可能与釜内壁接近 螺带式 第3章 液体搅拌2022-5-31西北师范大学化学化工学院6通用尺寸及叶片端部速度： d/B=4-10Z

3、=21.53 m/s 桨式 通用尺寸及叶片端部速度： B/d=1/12d/d=0.05-0.08d=25-50 mmd为搅拌器外缘与釜内壁距离0.5-1.5 m/s 锚式和框式 第3章 液体搅拌2022-5-31西北师范大学化学化工学院73.1.2 混合效果度量混合效果度量 搅拌效果可有不同的表达方式。若为强化化学反应，可用转化率来衡量，若为传热与传质，则可用传热系数和传质系数的大小来衡量。 对于物理过程，可用调匀度和混和尺寸描述。I 调匀度或混合百分数。若取 n 个样品，则平均混合百分数为 BAAAVVVC00AACCI 011AACCInIIIIn21CACA0设容器中有体积分别为 VA

4、和 VB两种液体，则A的平均体积浓度为： 混合均匀，I=1 第3章 液体搅拌2022-5-31西北师范大学化学化工学院8混和尺度（分隔尺寸）与调匀度混和尺度（分隔尺寸）与调匀度第3章 液体搅拌2022-5-31西北师范大学化学化工学院93.2 混合机理混合机理 3.2.1 搅拌器的功能(1)总体流动：包括一切不属于分子运动或涡旋运动所引起的扩散过程。在大液团空间内进行。 大尺度混合 (2)湍流扩散：由旋涡分裂运动引起，在涡旋尺度(微团)空间内进行。小尺度混合总体流动将液体分割成大尺度液团 (大尺度混合)；大尺度液团在涡旋作用下变形破裂成微团 (小尺度混合)；涡旋的变形破裂增加和更新了液团高低浓

5、度区域之间的接触表面，促进了分子扩散。 多数混合过程三种机理同时存在。湍流扩散系数约为分子扩散系数的105107倍，湍流搅拌中，湍流混合占主导作用。 第3章 液体搅拌2022-5-31西北师范大学化学化工学院103.2.2 均相液体的混合机理均相液体的混合机理 低粘度液体的混合机理：由于强剪切作用，大涡旋的分裂使液团分散成小尺度旋涡。由于粘滞阻力，能量全部转化为热能而耗散。叶轮附近剪切力大，湍动最为激烈，液体的混合作用主要发生在叶轮附近的混合区中。对于低粘度的互溶液体的混合，提供足够的循环量是主要的，剪切强度次之。高粘度液体的混合机理：在湍流区域，叶轮效率差。在滞流区域，混合作用依赖充分的总体

6、流动。应使用大直径搅拌器，如框式、锚式和螺带式等。 第3章 液体搅拌2022-5-31西北师范大学化学化工学院113.2.3 非均相物系的混合机理非均相物系的混合机理 （1) 不互溶的液-液体系统一相为分散相(液滴) ，另一相为连续相。叶轮附近，湍动程度高，剪切力大，液滴的破碎速率大于凝聚速率，液滴尺寸小。在远离叶轮区域，液滴的凝聚速率大于破碎速率，因而液滴的尺寸大。液滴的分散、凝聚、再分散过程不仅增加了接触面积，更新了液滴的表面，而且也使连续相中扩散阻力减少，强化了相际传质。在混合液中加入少量的保护胶和表面活性剂，可使液滴难于凝聚，液滴趋于均匀。 第3章 液体搅拌2022-5-31西北师范大

7、学化学化工学院12（2) 气-液系统 气相为分散相，以气泡的形式分散于液相之中，其分散原理与液滴相同；气-液界面张力大于液-液界面张力，分散更加困难，气泡的直径大于液滴直径；气液密度差大，大气泡受到的浮升力大，易溢出液体表面；气-液搅拌器一般应选择产生强剪切作用的搅拌器，但对于发酵罐等生化反应器，由于微生物细胞对剪切作用比较敏感，较强的剪切作用会损害微生物细胞结构，因此需采用产生较小剪切作用的搅拌器。 第3章 液体搅拌2022-5-31西北师范大学化学化工学院13（3) 固-液体系搅拌目的一是使固体颗粒在液体中均匀悬浮，二是降低固体颗粒表面的液膜厚度，减少扩散阻力，加速固体颗粒的溶解以及化学反

8、应。悬浮临界转速：所有固体颗粒全部悬浮起来 (流化) 时的搅拌速度。与叶轮的大小和设计关系极大。实际操作中，搅拌转速必须大于临界转速，保证固液两相的接触界面。 第3章 液体搅拌2022-5-31西北师范大学化学化工学院141 轴流式 (Axial-flow)液体在搅拌槽内形成的总体流动为轴向和切向的大循环，湍动程度不高，适用于低粘度的互溶液体的混合、固体颗粒的悬浮以及强化槽内的传热等。旋桨式：直径小、转速高、流量大、压头低。螺带式：旋转半径大，搅动范围广、转速低、压头小，适于高粘度液体的搅拌。 3.3 搅拌器的性能搅拌器的性能 3.3.1 搅拌器的性能第3章 液体搅拌2022-5-31西北师范

9、大学化学化工学院152 径流式 (Radial-flow)液体在槽内作切向和径向的涡旋运动，总体流动较复杂。适用于搅拌中等和低粘度的液体，特别适用于不互溶液体的分散、气体和固体的溶解、液相反应及传热等操作，对于易分层的物系则不适用。涡轮式：转速高，叶片宽，与螺旋浆式比较流量小、压头高。平叶片浆式：叶片较长、转速较慢，产生的压头较低。可用于较高粘度液体的搅拌。锚式和框式：旋转半径更大 (仅略小于反应槽的内径)，搅动范围很大，转速更低，产生的压头更小，适用于较高粘度液体的搅拌，也常用来防止器壁产生沉积现象。 第3章 液体搅拌2022-5-31西北师范大学化学化工学院163.3.2 强化传质的措施强

10、化传质的措施 1 打旋现象：液体在离心力作用下涌向器壁，中心部分液面下降，形成一个大旋涡。转速越高，形成的旋涡越深。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。（1）安装挡板（Baffle ）。 ：在槽内安装档板，但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。2 解决方法：第3章 液体搅拌2022-5-31西北师范大学化学化工学院17（3）设置导流筒（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

11、。（2）偏心安装（off-center fixing）：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。 第3章 液体搅拌2022-5-31西北师范大学化学化工学院183.4 搅拌功率搅拌功率 泵出流量 qV：叶轮直接排出的液体体积流量，(m3/s或m3/h)。3.4.1 搅拌器的功率消耗3Vqnd22dnH 叶轮对单位重量液体所作的功即压头 H。H 与速度 u 的平方成正比，即 u nd第3章 液体搅拌2022-5-31西北师范大学化学化工学院19搅拌器本质上是一个泵，任何叶轮提供的功率都会产生泵送流量及压头，其功率可表示为： P 相同时，既可产生大流量、低压头，也可产生高压头、小

12、流量； 叶轮提供给液体的全部功率用于产生流量和压头； 不同工艺过程对qV及 H 要求不一样，例：低粘度均相液体的混合需要泵送流量大而气-液混合需要强剪切作用。 要功率消耗小，搅拌效果好，就应根据工艺要求正确地配置好搅拌装置，合理地分配功率消耗。 功率相等条件下，大直径、低转速叶轮更多的功率消耗于总体流动。小直径、高转速的叶轮更多功率消耗于湍动。 VPq He g第3章 液体搅拌2022-5-31西北师范大学化学化工学院203.4.2 功率关联式及功率曲线功率关联式及功率曲线 2Re/Md n 由于搅拌槽内液体的运动状况很复杂，影响功率的因素很多。不能由理论分析法，常利用因次分析方法，通过实验关

13、联。 , , , ,Pf n dg 2235,Pndn dfn dg,MPf ReFrP 功率ReM 搅拌雷诺准数，表征液体流动类型Fr 弗鲁德准数，表征打旋。 “标准”构型搅拌装置 22/Frn dg第3章 液体搅拌2022-5-31西北师范大学化学化工学院21 功率函数xyMPkReFr式中 k 为与流动型态、几何构型有关的常数。 xMPkRe若搅拌器中没有发生打旋现象，则不考虑 Fr 的影响，即 y = 0对于几何相似搅拌器： 35Pn d功率特征数xMf Re第3章 液体搅拌2022-5-31西北师范大学化学化工学院22将 与 Re 标绘在双对数坐标上，可得到功率曲线。对一具体几何构型

14、只有一条功率曲线，与搅拌槽大小无关。第3章 液体搅拌2022-5-31西北师范大学化学化工学院23滞流区：Re104356.1Pn d对于典型的涡轮叶片搅拌器（曲线1）第3章 液体搅拌2022-5-31西北师范大学化学化工学院24(1) 由工艺要求，确定搅拌器的类型及搅拌槽的几何形状；(2) 通过小规模实验，确定搅拌装置的具体几何构形，然后放大，确定具体尺寸、转速和功率。3.5 搅拌器的放大搅拌器的放大3.5.1 搅拌器的设计搅拌器的设计几何相似：全部相应的尺寸有相同比例 (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；动力相似：对应点上各种力(惯性力、流体粘滞力、表面张力和重力)的比例相等3.5.2 放大准则放大准则 第3章 液体搅拌2022-5-31西北师范大学化学化工学院251 保持单位体积功率消耗 (P/V) 相等用于流体物性不变，放大比不太大，搅拌效果主要依赖于流体的湍动强度的情况。在充分湍流区