胶黏剂-第五章课件

第五章搅拌聚合釜内流体的流动与混合1、搅拌器与流动特征定义功能搅拌器又称搅拌桨或搅拌叶轮，是搅拌反应器的关键部件。提供过程所需要的能量和适宜的流动状态。原理搅拌器旋转时把机械能传递给流体，在搅拌器附近形成高湍动的充分混合区，并产生一股高速射流推动液体在搅拌容器内循环流动。流型流体循环流动的途径。1—电动机；2—减速机；3—机架；4—人孔；5—密封装置；6—进料口；7—上封头；8—筒体：9—联轴器；10—搅拌轴；11—夹套；12—载热介质出口；13—挡板；14—螺旋导流板；15—轴向流搅拌器；16—径向流搅拌器；17—气体分布器；18—下封头；19—出料口；20—载热介质进口；21—气体进口图1通气式搅拌反应器典型结构第二节搅拌釜内流体的流动状况循环流动径向流动、轴向流动、切线流动流型决定因素取决于搅拌器的形式、搅拌容器和内构件几何特征，以及流体性质、搅拌器转速等因素。搅拌机顶插式中心安装立式圆筒的三种基本流型径向流轴向流切向流流型流体流动方向垂直于搅拌轴，沿径向流动，碰到容器壁面分成二股流体分别向上、向下流动，再回到叶端，不穿过叶片，形成上、下二个循环流动。(a)径向流图2搅拌器与流型(a)径向流流体流动方向平行于搅拌轴，流体由桨叶推动，使流体向下流动，遇到容器底面再向上翻，形成上下循环流。(b)轴向流图3搅拌器与流型(b)轴向流无挡板的容器内，流体绕轴作旋转运动，流速高时液体表面会形成漩涡，流体从桨叶周围周向卷吸至桨叶区的流量很小，混合效果很差。(c)切向流图4搅拌器与流型(c)切向流上述三种流型通常同时存在轴向流与径向流对混合起主要作用切向流应加以抑制采用挡板可削弱切向流，增强轴向流和径向流除中心安装的搅拌机外，还有偏心式、底插式、侧插式、斜插式、卧式等安装方式，见图4.不同方式安装的搅拌机产生的流型也各不相同。图4搅拌器在容器内的安装方式(a)垂直偏心式(b)底插式(c)侧插式(d)斜插式(e)卧式剪切流动搅拌产生湍动形成小涡旋，对其中或周围流体微元产生剪切作用，促使气泡、液滴细微化，使局部混合及异相表面更新，达到传热、传质、分散作用。二、搅拌雷诺数与流态三、挡板与导流筒1.挡板后果随转速增加，漩涡中心下凹到与桨叶接触，外面空气进入桨叶被吸到液体中，使其密度减小，混合效果降低。一般在容器内壁面均匀安装4块挡板宽度为容器直径的1/12～1/10。将切线流动转变为轴向流动或径向流动；增大被搅拌流体的湍动程度。层流区和粘度大于60Pa.s流体不必设置挡板。挡板的作用全挡板条件当再增加挡板数和挡板宽度，而功率消耗不再增加时，称为全挡板条件。全挡板条件与挡板数量和宽度有关。搅拌容器中的传热蛇管可部分或全部代替挡板，装有垂直换热管时一般可不再安装挡板。图5挡板

2.导流筒控制回流的速度和方向。加强浆叶对流体的直接剪切作用；限定流体循环路径。提高混合效率。——上下开口圆筒，安装于容器内，在搅拌混合中起导流作用。作用涡轮式或桨式搅拌器

导流筒置于桨叶的上方(b)推进式搅拌器导流筒套在桨叶外面，或略

高于桨叶图6导流筒结构当搅拌器置于导流筒之下，且容器直径又较大时，导流筒的下端直径应缩小，使下部开口小于搅拌器的直径。通常导流筒上端低于静液面，筒身上开孔或槽，当液面降落后流体仍可从孔或槽进入导流筒。导流筒将搅拌容器截面分成面积相等的两部分，导流筒直径约为容器直径的70%。装导流筒可以避免短路及死区按流体流动形态轴向流搅拌器径向流搅拌器按桨叶结构分为平叶

折叶

螺旋面叶桨式、涡轮式、框式和锚式的桨叶都有平叶和折叶两种结构推进式、螺杆式和螺带式的桨叶为螺旋面叶混合流搅拌器轴向流搅拌器第三节搅拌器的构形与选择一、搅拌器分类

按搅拌用途分为低粘流体用搅拌器高粘流体用搅拌器低粘流体搅拌器有：推进式、长薄叶螺旋桨、桨式、开启涡轮式、圆盘涡轮式、布鲁马金式、板框桨式、三叶后弯式、MIG和改进MIG等。高粘流体搅拌器有：锚式、框式、锯齿圆盘式、螺旋桨式、螺带式（单螺带、双螺带）、螺旋—螺带式等。图7搅拌器流型分类图谱

轴流式混流式径流式搅拌器布鲁马金式MIG型搅拌器Sabre形状叶片桨螺旋推进式型桨叶带有450倾斜平板叶片的轴向搅拌桨RUSHTON桨叶单层六平叶圆盘涡轮桨二、几种常用搅拌器：1.桨式搅拌器结构最简单叶片用扁钢制成，焊接或用螺栓固定在轮毂上，叶片数是2、3或4片，叶片形式可分为平直叶式和折叶式两种。图18桨式搅拌器

主要应用也用于高粘流体搅拌，促进流体的上下交换，代替价格高的螺带式叶轮，能获得良好的效果。液—液系中用于防止分离、使罐的温度均一，固—液系中多用于防止固体沉降。主要用于流体的循环，由于在同样排量下，折叶式比平直叶式的功耗少，操作费用低，故轴流桨叶使用较多。桨式搅拌器的转速一般为20～100r/min，最高粘度为20Pa·s。其常用参数见表5。缺点不能用于以保持气体和以细微化为目的的气—液分散操作中。表5桨式搅拌器常用参数常用尺寸常用运转条件常用介质粘度范围流动状态备注d/D=0.35～0.8b/d=0.1～0.25Bn=2n=1～100r/minv=1.0～5.0m/s小于2Pa·s低转速时水平环向流为主；转速高时为径向流；有挡板时为上下循环流当d/D=0.9以上，并设置多层桨叶时，可用于高粘度液体的低速搅拌。在层流区操作，适用的介质粘度可达100Pa·s,v=1.0～3.0m/s折叶式θ=45°，60°折叶式有轴向、径向和环向分流作用注：n－转速；v－叶端线速度；Bn－叶片数；d－搅拌器直径；D－容器内径：θ－折叶角。2.推进式搅拌器推进式搅拌器（又称船用推进器）常用于低粘流体中。结构标准推进式搅拌器有三瓣叶片，其螺距与桨直径d相等。它直径较小，d/D=1/4～1/3，叶端速度一般为7～10m/s，最高达15m/s。图19推进式搅拌器

特点——搅拌时流体的湍流程度不高，循环量大，结构简单，制造方便。搅拌时——流体由桨叶上方吸入，下方以圆筒状螺旋形排出，流体至容器底再沿壁面返至桨叶上方，形成轴向流动。循环性能好，剪切作用不大，属于循环型搅拌器应用粘度低、流量大的场合，用较小的搅拌功率，能获得较好的搅拌效果。主要用于液－液系混合、使温度均匀，在低浓度固－液系中防止淤泥沉降等改进容器内装挡板、搅拌轴偏心安装、搅拌器倾斜，可防止漩涡形成。常用参数见表6表6推进式搅拌器常用参数常用尺寸常用运转条件常用介质粘度范围流动状态备注d/D=0.2～0.5(以0.33居多)p/d=1,2Bn=2,3,4(以3居多)p－螺距n=100～500r/minv=3～15m/s小于2Pa·s轴流型，循环速率高，剪切力小。采用挡板或导流筒则轴向循环更强最高转速可达1750r/min:最高叶端线速度可达25m/s。转速在500r/min以下，适用介质粘度可达50Pa.s涡轮式搅拌器（又称透平式叶轮），是应用较广的一种搅拌器，能有效地完成几乎所有的搅拌操作，并能处理粘度范围很广的流体。见图20。3．涡轮式搅拌器

图20涡轮式搅拌器

涡轮式搅拌器分为开式盘式开式有：平直叶、斜叶、弯叶等。叶片数为2叶和4叶盘式有：圆盘平直叶、圆盘斜叶、圆盘弯叶等。叶片数常为6叶。为改善流动状况，有时把桨叶制成凹形或箭形应用

涡轮式搅拌器有较大的剪切力，可使流体微团分散得很细，适用于低粘度到中等粘度流体的混合、液—液分散、液—固悬浮，以及促进良好的传热、传质和化学反应。平直叶——剪切作用较大，属剪切型搅拌器。弯叶——指叶片朝着流动方向弯曲，可降低功率消耗，适用于含有易碎固体颗粒的流体搅拌。表7涡轮式搅拌器常用参数型式常用尺寸常用运转条件常用介质粘度范围流动状态备注开式涡轮d/D=0.2～0.5(以0.33居多)b/d=0.2Bn=,3,4,6,8(以6居多)折叶式θ=30°,45°,60°后弯式ß=30°,50°,60°ß后弯角n=10～300r/minv=4～10m/s折叶式v=2～6m/s小于50Pa·s，折叶和后弯叶小于10Pa·s平直叶、后弯叶为径向流型。在有挡板时以桨叶为界形成上下两个循环流。折叶的还有轴向分流，近于轴流型最高转速可达600r/min圆盘上下液体的混合不如开式涡轮盘式涡轮d:l:b=20:5:4d/D=0.2～0.5(以0.33居多)Bn=4,6,8θ=45°,60°ß=45°n=10～300r/minv=4～10m/s折叶式v=2～6m/s小于50Pa·s，折叶和后弯叶小于10Pa·s4．锚式搅拌器

结构简单。适用于粘度在100Pa·s以下的流体搅拌，当流体粘度在10～100Pa·s时，可在锚式桨中间加一横桨叶，即为框式搅拌器，以增加容器中部的混合。图21锚式搅拌器

应用锚式或框式桨叶的混合效果并不理想，只适用于对混合要求不太高的场合。由于锚式搅拌器在容器壁附近流速比其它搅拌器大，能得到大的表面传热系数，故常用于传热、晶析操作。常用于搅拌高浓度淤浆和沉降性淤浆。当搅拌粘度大于100Pa·s的流体时，应采用螺带式或螺杆式。常用尺寸常用运转条件常用介质粘度范围流动状态备注d/D=0.9～0.98b/D=0.1h/D=0.48～1.0n=1～100r/minv=1～5m/s小于100Pa·s不同高度上的水平环向流为了增大搅拌范围，可根据需要在桨叶上增加立叶和横梁表8锚式搅拌器常用参数二、搅拌器的选用选用搅拌器的要求P151

仅考虑搅拌目的时搅拌器的选型见表9。（一）按搅拌目的选型常用的搅拌器选用方法：搅拌目的挡板条件推荐形式流动状态互溶液体的混合及在其中进行化学反应无挡板三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、桨式、圆盘涡轮湍流(低粘流体)有导流筒三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、推进式有或无导流筒桨式、螺杆式、框式、螺带式、锚式层流(高粘流体)固—液相分散及在其中溶解和进行化学反应有或无挡板桨式、六叶折叶开启式涡轮湍流(低粘流体)有导流筒三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、推进式有或无导流筒螺带式、螺杆式、锚式层流(高粘流体)液—液相分散（互溶的液体）及在其中强化传质和进行化学反应有挡板三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、桨式、圆盘涡轮式、推进式湍流(低粘流体)表9搅拌目的与推荐的搅拌器形式液—液相分散（不互溶的液体）及在其中强化传质和进行化学反应有挡板圆盘涡轮、六叶折叶开启涡轮湍流(低粘流体)有反射物三叶折叶涡轮有导流筒三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、推进式有或无导流筒螺带式、螺杆式、锚式层流(高粘流体)气—液相分散及在其中强化传质和进行化学反应有挡板圆盘涡轮、闭式涡轮湍流(低粘流体)有反射物三叶折叶涡轮有导流筒三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、推进式有导流筒螺杆式层流(高粘流体)无导流筒锚式、螺带式表9搅拌目的与推荐的搅拌器形式（续）（二）按搅拌器型式和适用条件选型推进式搅拌器——用于低粘度流体的混合，循环能力强，动力消耗小，可应用到很大容积的搅拌容器中。桨式搅拌器——结构简单，在小容积的流体混合中应用较广，对大容积的流体混合，循环能力不足。涡轮式搅拌器——应用范围较广，各种搅拌操作都适用，但流体粘度不宜超过50Pa·s。表10是以操作目的和搅拌器流动状态选用搅拌器的锚式、螺杆式、螺带式——适用于高粘流体的混合。表10搅拌器型式和适用条件注：有◆者为可用，空白者不详或不合用均相液体的混合：混合、搅动控制因素：液体在反应器中的容积循环速率可选择任何类型的搅拌器非均相液体的混合：分散、悬浮控制因素：液滴的大小及容积循环速率可选择涡轮式固体悬浮：悬浮、分散控制因素：容积循环速率及流动的湍流程度根据固体颗粒的性质及固含量选择开启式：固体颗粒较大，固液比＜30%推进式：固体颗粒较小，固液比＜50%桨式：固体颗粒较小，固液比在60%-90%（三）按工艺过程的操作类别选型气体吸收及气-液反应：分散、混合控制因素：局部剪切作用，容积循环速率及高转数可选择圆盘式涡轮高粘度反应体系：混合、搅动控制因素：容积循环速率可选择涡轮式、锚式、框式、螺杆式、螺带式、特殊型式（三）按工艺过程的操作类别选型第四节搅拌功率的计算搅拌器所需功率：搅拌器轴功率(P)搅拌轴封所消耗的功率(Pm=10%-15%P)机械传动所消耗的功率(机械传动效率η为0.8-0.95)搅拌器电机功率搅拌过程的因次分析功率函数二、搅拌转速的确定2.颗粒悬浮类型第六节搅拌器的混合特性一、混合机理及混合特性均匀度指一种或几种组分的浓度或其他物理量如温度等分布的均匀性。（1）分离尺度（separationsize）：反映了团块的大小。表示组分或热量这类可分散的“参量”的未分散部分的大小。混合在很大程度上是流体团块之间的混合，某参量的未分散部分就与流体团块相对应，表示流体团块大小的平均值。（或局部小区域体积平均值）

（一）混合的均匀度（2）分离强度（separationintensity）：反映了两种物质互相渗透的程度。二相邻团块间浓度、温度等参量的差异，用分离强度表示，它同时也表示团块中的参量值与完全均匀后的参量平均值之间的差异。（对混合来说，表示局部区域内的浓度与平均浓度之间的偏差，也反映均匀性）横坐标表示分离尺度，从左往右，方格愈来愈大，即分离尺度愈来愈大，混合物的均匀性愈来愈差，分离尺度所衡量的是宏观混合的结果。由下至上相邻方格中黑点数目的差异愈来愈大，表示分离强度愈来愈大，混合物的均匀性愈来愈差，分离强度所衡量的是微观混合的结果。用坐标直观表示如下：（二）混合机理宏观流动、微观流动、分子扩散1.对流混合：质点的迁移。对互不相溶组分的混合，由于混合器运动部件表面对物料的相对运动，分离尺度逐渐降低，但因物料内部不存在分子扩散现象，故分离强度不可能降低。这种混合称对流混合。对流混合的制品质量应以前述的第三项条件为合格标准。2、分子扩散混合：两种物质间分子互相渗透。对互溶组分的混合，除对流混合外，尚存在扩散混合。当混合物分离尺度小于某值以后，由于组分间接触面积的增加及扩散距离的缩短，大大增加了溶解扩散的速率，使混合物的分离强度不断下降，混合过程就变为以扩散为主的过程，称为扩散混合。扩散混合的质量应以前述第二项条件为合格标准。在一般的混合过程中，往往有一个由对流混合到扩散混合的逐渐过度过程。分离尺度大时，多为对流混合，分离尺度小时，多为扩散混合。

3、剪切混合：用剪切力拉伸。对高粘度流体的混合，既无明显的分子扩散现象，又难以造成良好的湍流，以分割组分元素。这种情况下混合的主要机理是剪切，剪切的作用使组分被拉成越来越薄的料层，使一种组分所独占的区域尺寸减小。如图所示，平行板间有二种粘性流体，初始时主成分所离散的黑色小方块存在。在剪力作用下，小方块被拉长。如果剪力充分大，料层厚度就变得小于能分清的界限，肉眼只看到一片均匀的颜色。层流流动系统造成混合物的这种特性称为“辉纹厚度”。

（三）混合特性反