化工原理第四章搅拌

化工原理第四章搅拌第一页，共二十八页，编辑于2023年，星期五第四章搅拌Chapter4Agitationandmixing主讲人：魏安建班级：化工一班第二页，共二十八页，编辑于2023年，星期五概述(Introduction)搅拌的用途：(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。搅拌的定义：使两种或多种物料进行混合的操作。第三页，共二十八页，编辑于2023年，星期五由搅拌槽，搅拌器和若干附件组成。搅拌装置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，通常搅拌器又称之为叶轮。第四页，共二十八页，编辑于2023年，星期五通用尺寸及叶片端部速度：S/d=1Z=3一般5~15m/s，最大25m/s常见搅拌器类型螺旋桨式通用尺寸及叶片端部速度：S/d=1B/d=0.1Z=1-2(2指双螺带)外缘尽可能与釜内壁接近螺带式第五页，共二十八页，编辑于2023年，星期五通用尺寸及叶片端部速度：d/B=4-10Z=21.5~3m/s常见搅拌器类型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锚式和框式第六页，共二十八页，编辑于2023年，星期五(1)圆盘平直叶(2)圆盘弯叶(3)开启平直叶(4)开启弯叶常见搅拌器类型涡轮式第七页，共二十八页，编辑于2023年，星期五常见搅拌器类型轴流式(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。螺旋桨式：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。第八页，共二十八页，编辑于2023年，星期五常见搅拌器类型径向流式(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。第九页，共二十八页，编辑于2023年，星期五档板、导流筒(Baffleanddrafttube)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。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。第十页，共二十八页，编辑于2023年，星期五档板、导流筒(Baffleanddrafttube)

导流筒：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：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。第十一页，共二十八页，编辑于2023年，星期五搅拌槽内流体的流动状态搅拌雷诺数：流型与搅拌方式、叶轮、槽、档板等几何特征以及流体性质，转速等因素有关。对搅拌器在槽中心的搅拌：切向流、轴向流、径向流。对混合起主要作用的是轴向流与径向流。例如：八直叶涡轮有档板的标准搅拌槽：1＜Re＜10，叶轮附近为滞流旋转流动，其余部分为停滞区；Re＞10，叶端有泵出流，引起槽内上下循环流，滞流；100＜Re<1000，过渡流，叶轮周围液体为湍流状态，而上下循环流仍为滞流；Re>103，整个槽内都呈湍流。第十二页，共二十八页，编辑于2023年，星期五混合机理(1)分子扩散：在分子尺度的空间内进行；(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。(3)主体对流扩散：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。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(微团间混合)；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。要达到微团的最终消失，即分子尺度上的完全均匀混合，只有依靠分子扩散。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。第十三页，共二十八页，编辑于2023年，星期五均相物系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。第十四页，共二十八页，编辑于2023年，星期五非均相物系的混合机理不互溶的液-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。第十五页，共二十八页，编辑于2023年，星期五非均相物系的混合机理气-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。第十六页，共二十八页，编辑于2023年，星期五非均相物系的混合机理固-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。它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。第十七页，共二十八页，编辑于2023年，星期五搅拌混合效果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。I——混合指数或混合百分数。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的平均浓度为：第十八页，共二十八页，编辑于2023年，星期五搅拌功率泵出流量Q：叶轮直接排出的液体体积流量，(m3/s或m3/h)。循环量Q’：所有参与循环的液体体积流量。由于叶轮排出液流的夹带作用，Q’>Q，有时大出几倍。在湍流区域(Re>103)：搅拌槽内叶轮的泵出流量、压头及功率湍流区：NQ与Re无关，为一常数泵出流量准数NQ=Q/nd3循环流量准数NQ’=Q’/nd3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，而

und，故第十九页，共二十八页，编辑于2023年，星期五搅拌槽内叶轮的泵出流量、压头及功率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：N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Q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。第二十页，共二十八页，编辑于2023年，星期五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。对几何相似的搅拌装置，各形状因子均为常数。P0——功率准数Re——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”构型搅拌装置第二十一页，共二十八页，编辑于2023年，星期五功率关联式及功率曲线——功率函数若将形状因子S1,S2,．．．Sn考虑进去，则式中k为与流态区间有关，与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第二十二页，共二十八页，编辑于2023年，星期五功率关联式及功率曲线将或P0与Re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，与搅拌槽大小无关。第二十三页，共二十八页，编辑于2023年，星期五功率关联式及功率曲线层流区：Re<10湍流区：Re>104过渡区：10＜Re<104对有档板搅拌装置对无档板搅拌装置，Re>300，由于打旋现象，Fr不能忽略：、是与叶轮形式，直径及搅拌槽直径有关的常数，其值可查阅有关手册。第二十四页，共二十八页，编辑于2023年，星期五搅拌装置的设计(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。搅拌装置的放大几何相似：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(Re、Fr、We相同)。雷诺数Re：惯性力与粘滞力之比；弗鲁德准数Fr：惯性力与重力之比；韦柏准数We=n3d2/

：惯性力与界面张力之比。第二十五页，共二十八页，编辑于2023年，星期五搅拌装置的放大问题：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为常数)？以上关系相互矛盾，即在几何相似条件下，不可能满足动力相似。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。Re相等：Fr相等：We相等：第二十六页，共二十八页，编辑于2023年，星期五放大准则(1)保持单位体积功率消耗(N/V)