第3章 液体的搅拌

第3章液体搅拌LiquidAgitation2023/2/51西北师范大学化学化工学院3.1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。2023/2/52西北师范大学化学化工学院由搅拌槽，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。2023/2/53西北师范大学化学化工学院(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

涡轮式2023/2/54西北师范大学化学化工学院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5~15m/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2023/2/55西北师范大学化学化工学院通用尺寸及叶片端部速度：d/B=4-10Z=21.5~3m/s桨式通用尺寸及叶片端部速度：B/d=1/12d＇/d=0.05-0.08d＇=25-50mmd＇为搅拌器外缘与釜内壁距离0.5-1.5m/s锚式和框式2023/2/56西北师范大学化学化工学院3.1.2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CA<CA0CA>CA0设容器中有体积分别为VA和VB两种液体，则A的平均体积浓度为：混合均匀，I=1

2023/2/57西北师范大学化学化工学院混和尺度（分隔尺寸）与调匀度2023/2/58西北师范大学化学化工学院3.2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105~107倍，湍流搅拌中，湍流混合占主导作用。2023/2/59西北师范大学化学化工学院3.2.2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流动。应使用大直径搅拌器，如框式、锚式和螺带式等。2023/2/510西北师范大学化学化工学院3.2.3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。2023/2/511西北师范大学化学化工学院（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。2023/2/512西北师范大学化学化工学院（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。2023/2/513西北师范大学化学化工学院1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3.3.1搅拌器的性能2023/2/514西北师范大学化学化工学院2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。2023/2/515西北师范大学化学化工学院3.3.2强化传质的措施

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：2023/2/516西北师范大学化学化工学院（3）设置导流筒（drafttube）：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。（2）偏心安装（off-centerfixing）：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。2023/2/517西北师范大学化学化工学院3.4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

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und2023/2/518西北师范大学化学化工学院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。2023/2/519西北师范大学化学化工学院3.4.2功率关联式及功率曲线

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，通过实验关联。P

——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2023/2/520西北师范大学化学化工学院——功率函数式中k为与流动型态、几何构型有关的常数。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：—功率特征数2023/2/521西北师范大学化学化工学院将

与Re标绘在双对数坐标上，可得到功率曲线。对一具体几何构型只有一条功率曲线，与搅拌槽大小无关。2023/2/522西北师范大学化学化工学院滞流区：Re<10湍流区：Re>104对于典型的涡轮叶片搅拌器（曲线1）2023/2/523西北师范大学化学化工学院(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3.5.1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

2023/2/524西北师范大学化学化工学院1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2保持叶端速度不变对几何相似系统即保持单位体积