第三章液体的搅拌

第三章液体搅拌通过本章学习，掌握常用典型搅拌器的性能，以便根据搅拌目的、物料特性和工艺对混合指标的要求，选择适宜结构形式的搅拌装置并确定最佳的操作条件（如转速、功率等）。学习目的与要求使两种或多种不同的物料达到均匀混合的单元操作称为物料的搅拌或混合。搅拌1.1搅拌的目的（1）使被搅拌物料各处达到均质混合状态（2）强化传热过程（3）强化传质过程（4）促进化学反应概述搅拌的目的(1)互溶液体的均匀混合(2)多相物体的分散和接触气泡分散于液体中液滴分散于不互溶液体中固体颗粒悬浮于液体中(3)强化传热1.2．搅拌设备的基本结构搅拌设备搅拌装置轴封（填料函密封和机械密封）搅拌槽（釜）搅拌器传动机构叶轮搅拌轴槽体附件（挡板、导流筒等）典型的搅拌设备1―搅拌槽；2―搅拌器；3―搅拌轴；4―加料管；5―电动机；6―减速机；7―联轴节；8―轴封；9―温度计套管；10―挡板；11―放料阀机械搅拌器的类型平叶(如平叶桨式、平直叶涡轮式)折叶（如折叶桨式）螺旋面叶（如推进式、螺带式、螺杆式等）叶片形状1.3混合效果的度量1．调匀度I当CA<CA0当CA>CA0平均调匀度2．分隔尺度(混合尺度）调匀度与取样尺寸有关气泡直径液滴直径颗粒直径3.宏观混合与微观混合设备尺度混合——总体流动旋涡尺度混合——剪切力场（液滴大小分布、气泡大小分布）分子尺度混合——分子扩散2混合机理2.1搅拌器的两个功能1．总体流动——将流体输送到搅拌釜内各处大尺度宏观混合2．强剪切或高度湍动——产生剪切力场或旋涡小尺度宏观混合，促进微观混合注意：流体不是靠桨叶直接打碎的，而是靠高剪切力场撕碎的。搅拌器的基本流型

搅拌槽的流动：1.在搅拌槽内形成一个循环流动，称为总体流动，达到大尺寸的宏观混合；2.高速旋转的叶轮及其射流核心与周围流体产生强剪切（或高度湍动），以实现小尺寸的均匀混合。搅拌槽内液体进行着三维流动：径向流周向流轴向流流体的流动状态搅拌雷诺数叶轮直径搅拌器转速液体黏度液体密度叶轮周围液体随叶轮旋转作周向流，远离叶轮的液体基本是静止的，属于完全层流。液体的运动达到槽壁，并沿槽壁有少量上下循环流发生，此现象为部分层流，仍为层流范围。桨叶附近的液体已出现湍流，而其外周仍为层流，此为过渡流状态。流体达湍流状态。若槽壁处无挡板时，由于离心力的作用，搅拌轴附近会形成旋涡，搅拌器转速越大，形成的旋涡越深，这种现象称为“打旋”。槽内加挡板，抑制“打旋”现象发生。搅拌槽内液体的循环量和压头指参与循环流动的所有液体的体积流量（包括排出流量和诱导流量）。排液量从叶轮直接排出的液体流量称为排液量。循环量搅拌槽内液体的压头搅拌器叶轮旋转时既能使液体产生流动，又能产生用来克服流动阻力的压头。压头通常用速度头的倍数来表示。液体离开叶轮的速度因此压头功率因增强搅拌槽内液体湍动的措施抑制“打旋”现象的发生设置导流筒提高搅拌器转速均相液体的混合机理1．总体对流扩散排出流和诱导流造成槽内液体大范围宏观流动，并产生整个槽内液体流动循环，这种流动称为总体流动。总体流动能使液体宏观上均匀混合（大尺度的混合）。2．涡流扩散由于射流中心与周围液体交界处的速度梯度很大而产生强的剪切作用，对低黏度的液体形成大量旋涡。旋涡的分裂破碎及能量传递，使微团尺寸减小（最小尺寸可达微米级），从而达到小尺寸的微观均匀组合。3．分子扩散均相液体在分子尺度的均匀混合靠分子扩散。但是槽内液体强的湍动使微团尺寸的减小，大大加速了分子扩散。对于非均相物系，为达到小尺度的宏观混合，同样应强化湍动，使分散相尺寸尽可能减小。影响搅拌功率的因素（1）搅拌器的因素桨叶形状、叶轮直径及宽度、叶片数目、在槽内安装高度等。（2）搅拌槽的因素槽形、槽内径、挡板数目及宽度、导流筒的尺寸、液位高度等。（3）物性因素主要是被搅拌物料的密度和黏度。（4）出现打旋现象时还需考虑重力加速度的影响。射流现象作用①夹带②剪切,脉动2.2均相液体的混合机理2.2.1低粘度液体的混合总体流动+高度湍动最小液团尺寸为10μm量级2.2.2高粘度及非牛顿流体的混合多处于层流状态——混合机理主要依赖于充分的总体流动2.3非均相物系的混合机理1．液滴或气泡的分散界面张力是抗力，σ大不易分散稳定时，液滴破碎与合并达到动态平衡液滴大小分布不均的原因：叶片附近—剪切强度大、液滴小边角处—剪切强度小、液滴大措施：①尽量使釜内湍动程度均匀②加少量保护胶或表面活性剂，使液滴难以合并2．固体颗粒的分散细颗粒——打散颗粒团聚体粗颗粒——全部颗粒离底悬浮操作转速应大于悬浮临界转速3搅拌器的性能3.1常用搅拌器的性能1.旋桨式搅拌器qV大，H小，轴向流出叶片端速度5~15m/s适于低粘度液体μ<10Pa·s2.涡轮式搅拌器qV小，H大，径向流出叶片端速度3~8m/s适于中等粘度液体μ<50Pa·s3.大叶片低转速搅拌器锚式、框式、螺带式端部速度0.5~1.5m/s适于高粘度液体、颗粒悬浮液能防止器壁沉积现象4.性能综述3.2强化过程的工程措施不利因素——抑制；有利因素——调动3.2.1不利因素1.打旋卷入空气电机负荷不稳定液体溢出2．流体走短路qV不足有死区3.阻力不足能量加不进、打滑3.2.2工程措施：1.提高转速——提高流量qV、压头H2.加挡板——消除打旋，增加阻力四块挡板——全挡板

3.偏心安装——破坏循环回路的对称性

4.装导流筒——避免短路及死区4搅拌功率4.1混合效果与功率消耗功率消耗P=ρgHqV

增加功率—改善混合效果能量合理有效利用—与桨形、尺寸选择有关4.2功率曲线1．影响因素P=f(d,ρ,n,μ,h,D……)无量纲化几何相似条件下，对应边成同一比例，都相同，此时，2．功率曲线功率准数K与搅拌雷诺数ReM的关系实验结果为：应用条件：几何相似功率P=Kρn3d54.3搅拌功率的分配当P=Kρn3d5为一定值时，n3d5为常数，小直径，高转速——强剪切力场大直径，低转速——大流量转速与直径可根据需要而人为调整由功率曲线知，在湍流区，K为常数，叶轮操作的基本原则是：当消耗相同的功率时，若搅拌过程是以宏观混合为目的（即大循环流小剪切），宜采用大直径、低转速的叶轮。相反，如果要求高剪切流动（即小尺寸的微观混合），则宜采用小直径、高转速叶轮。和5搅拌器的放大5.1放大过程（设计）小试→中试→工业设计，逐级放大设计中要解决：1.搅拌器的类型、搅拌釜的形状——看工艺过程特点2.几何尺寸、转速n、功率P——看放大准则几何相似放大——便于用同一根功率曲线5.2放大准则1．不变，2.单位体积能耗不变，,，3.叶片端部切向速度不变，4.不变，具体要看混合效果，可能这四个准则都不适用，须找新的放大规律。6.1其他混合设备1.静态混合器2.管道混合器3.射流混合器4.气流搅拌器搅拌釜：

返回搅拌釜结构：

返回旋桨：

螺带式：

返回锚式：

返回框式：

返回涡轮：

返回平直叶：

返回旋桨式搅拌器：

返回涡轮式搅拌器：

返回偏心安装：

返回管道混合器：

返回射流混合器：

返回（二）量纲分析法影响湍流时摩擦阻力的因素很多（ρ,μ,d,u,ε等），无法理论推导，需实验解决，从而获得经验公式。但实验时，若每一次只改变一个变量，则实验工作量将非常大。因此需要有一定的理论来指导实验，以便减少实验次数。量纲的一致性—物理方程两边不仅数值相等，而且量纲也相等。所以，任何物理方程都可以转化为量纲形式。量纲分析法是化工原理实验研究中常用的方法。π定理—设影响该现象的物理量有n个，这些物理量的基本量纲有m个，则该物理现象可用N=n-m个独立的量纲为一的量之间的关系式来表示。（减少了变量）湍流时摩擦阻力量纲分析的具体步骤：A、列出影响因素（由实验知六个参数）：流体性质：ρ、μ流动的几何尺寸：d、l、ε

流动条件：uB、用函数形式表示：⊿pl⊿p=f(d,l,u,ρ,μ,ε)，⊿p为长度l上的压降。C、写出各物理量的量纲：[⊿p]=M·T-2·L-1[d]=L[ρ]=M·L-3

[μ]=M·T-1·L-1[l]=L[ε]