搅拌釜式反应器搅拌釜式反应器课件

第五章搅拌聚合釜内流体的流动与混合第五章搅拌聚合釜内流体的流动与混合学习目的与意义

物料的运动、热量的交换、物质的传递总是与化学反应同时进行。反应速率由浓度、温度、时间等决定；流动与混合决定物料浓度、温度、停留时间分布等；搅拌决定流动与混合。学习目的与意义物料的运动、热量的交换、物质的传递总是与化5.1概述搅拌釜：装有搅拌器的釜式反应器。据统计，约占聚合反应器的80%其它具有搅拌装置的容器：原料配制槽、加料罐、凝聚罐、浆料沉析槽、贮槽5.1概述搅拌釜：装有搅拌器的釜式反应器。据统计，约占聚合机械搅拌作用：混合、搅动、悬浮、分散混合：体系中的不同物质混合均匀。搅动：物料强烈流动，提高传热、传质速率。悬浮：细小颗粒在液体中均匀悬浮，防止沉降、加速溶解等。分散：气体或液体在液体中充分分散成细小气泡或液滴，促进传质和反应，控制粒度。机械搅拌作用：混合、搅动、悬浮、分散混合：体系中的不同物质混搅拌釜应具有的功能：推动液体流动，混匀物料；提供剪切力，分散物料并使之悬浮；增加流体湍动，提高传热速率；加速物料的分散和合并，增大物质传递速率；高粘体系，更新表面，促使低分子物蒸出。搅拌釜应具有的功能：一、基本结构5.2搅拌釜搅拌釜搅拌容器搅拌机筒体换热元件内构件夹套内盘管搅拌器搅拌轴密封装置传动装置一、基本结构5.2搅拌釜搅拌釜搅拌容器搅拌机筒体换热元件内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-气体进口搅拌釜式反应器1-电动机11-夹套搅拌釜式反应器搅拌釜式反应器搅拌釜式反应器二、搅拌容器作用:为物料反应提供合适的空间。结构:

⒈容器筒体—圆筒封头—椭封应用最广搅拌容器接管—进出料/排气/控制点接管/传感器换热元件—夹管/内盘管小型:悬挂式支座—考虑容器大小和安装位置大型:裙式支承式二、搅拌容器作用:为物料反应提供合适的空间。结构:⒈容装料系数:一般取0.6~0.85如物料在反应过程中呈泡沫或沸腾状态→取0.6~0.7如物料在反应过程中比较平稳→取0.8~0.85容积:Volume

卧式搅拌容器:筒体和左右两封头容积之和直立式搅拌容器:筒体和下封头两部分容积之和搅拌设备筒体的高径比:确定筒体直径、高度装料系数:容积:卧式搅拌容器:筒体和左右两封头容积之和直立几种搅拌设备筒体的高径比几种搅拌设备筒体的高径比ttjDDDjDjttjDDDjDj整体夹套(IntegralJacket)(a)圆筒型(b)U型⒉换热元件ttjDDDjDjttjDDDjDj整体夹套(Integr型钢夹套(SectionSteelJacket)(a)螺旋形角钢互搭式(b)角钢螺旋形缠绕型钢夹套(SectionSteelJacket)(a)半圆管夹套(a)半圆管半圆管横截面重心r2t1Db2b1t2e2半圆管夹套(a)半圆管半圆管横截面重心r2t1Db2b1t(b)弓形管弓形管横截面重心t2e2r2b2b1Dt1半圆管夹套(b)弓形管弓形管横截面重心t2e2r2b2b1Dt1半圆管bL3L2Lt1L3(a)螺旋形缠绕半圆管夹套的安装bL3L2Lt1L3(a)螺旋形缠绕半圆管夹套的安装半圆管夹套的安装(b)平行排管Dt1半圆管夹套的安装(b)平行排管Dt1折边式蜂窝夹套夹套向内折边与筒体贴合好,再进行焊接的结构D1t1D2t2bAA向折边式蜂窝夹套夹套向内折边与筒D1t1D2t2bAA向D1t1D2edminb用冲压的小锥体或钢管做拉撑体。蜂窝孔在筒体上呈正方形或三角形布置短管支撑式蜂窝夹套(Short-tube-supportAlveolateJacket)

D1t1D2edminb用冲压的小锥体或钢管做拉撑体。蜂窝孔螺旋形盘管(SpiralCoil)

dD螺旋形盘管dDdD对称布置的几组竖式蛇管：

传热

挡板作用竖式蛇管(VerticalSnakePipe)dD对称布置的几组竖式蛇管各种碳钢夹套的适用温度和压力范围各种碳钢夹套的适用温度和压力范围流体的流动状况（流况）：在整个搅拌容器中流体速度向量的变化。针对搅拌釜的流况，可分为两个层次：宏观状况与微观状况。5.3搅拌釜内流体的流动状况1.循环流动与剪切流动流体的流动状况（流况）：5.3搅拌釜内流体的流动状况1.三种典型的流况：径向流动轴向流动切线流动一）宏观状况流动：宏观流动，流体以大尺寸（凝集流体、气泡、液滴）在大范围内（整个釜内空间）中的流动状况，也称为循环流动。三种典型的流况：径向流动轴向流动切线流动一）宏观状况流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(a)径向流流体流动方向垂直于(a)径向流(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(b)轴向流流体流动方向平行于(b)轴向流(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(c)切向流无挡板的容器内，流(c)切向流(c)切向流

二）微观状况流动：流体以小尺寸（小气泡、液滴分散成更小的液滴）在小范围（气泡、液滴大小的空间）中的湍动状况。剪切流动：由于搅拌桨的剪切作用而引起的局部混合作用。1.使气泡、液滴细化，由于分子扩散达到微观混合；2.流体具有一定粘度时，流速增加，产生速度梯度，使液体变形，形成湍动，产生小漩涡，对周围的流体微元产生剪切，形成更细的液滴；3.桨叶附近及挡板处微观流动作用最强烈。二）微观状况流动：流体以小尺寸（小气泡、液滴分散成更小的

结论：

不管搅拌桨叶形式的差别，都存在循环流动和剪切流动，只是比例不同。循环型桨叶：以循环流动为主；剪切型桨叶：以剪切流动为主。结论：5.3.2搅拌雷诺数与流态为了定量研究搅拌桨叶的特性，常用无因次准数描述，主要有：1.搅拌雷诺数：代表釜内流体的粘性大小；2.功率准数：动力特性；3.排出流量数：循环特性；4.混合时间数：混合特性；5.努塞尔准数：传热特性。5.3.2搅拌雷诺数与流态为了定量研究搅拌桨叶D为桨叶直径，N为搅拌器转速，ρ为流体密度，μ为流体粘度。

搅拌雷诺数：在搅拌釜内，以桨叶的端速ND作为定性速度，搅拌雷诺数定义为：D为桨叶直径，N为搅拌器转速，ρ为流体密度，μ为流体粘度。NRe<10,液体在桨叶附近呈滞流旋转流动，桨叶无液体吐出，釜内其余部分为流体停滞区（死角）；NRe~10,桨叶端有吐出流产生，并引起整个釜内流体的上下循环流动，处于层流;NRe100~1000,处于过渡流，桨叶周围流体为湍流状态，上下循环仍然为滞流，雷诺数增大，湍动程度增大；NRe>1000,整个釜内上下循环流动都处于湍动状态，无挡板时会引起漩涡，当D(桨叶直径)/T(釜径)<0.1时，釜内流体虽为湍流，但上下循环流不会遍及整个釜内，易出现死角。NRe<10,液体在桨叶附近呈滞流旋转流动，桨叶无液体吐出，功率准数排出流量数混合时间数功率准数排出流量数混合时间数

结论：搅拌桨叶特性与流体流态有密切关系，在设计搅拌桨叶、釜型及釜内部构件时应注意：1.釜内没有死角，任何地方都有流体流动；2.依操作目的，使釜内形成有效的流况和适当的流态。结论：搅拌桨叶特性与流体流态有密切关系，在设计搅拌桨叶、⒈挡板(BafflePlate)

目的—消除打漩和提高混合效果。作用—改善反应器内液体流动状态类型—挡板与导流筒5.3.3挡板与导流筒⒈挡板(BafflePlate)目的—消除打漩和提高混物料粘度小，搅拌转速高，液体随桨叶旋转，在离心力作用下涌向内壁面并上升，中心部分液面下降，形成漩涡，称为打漩区。打漩—打漩后果—a.打漩时几乎不产生轴向混合，而是使多相系统P148分层或分离b.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。c.一部分叶轮在空气中运转→使流体对搅拌器振动阻尼作用↓→搅拌器振动↑物料粘度小，搅拌转速高，液体随桨叶旋转，在离心力作用下涌向内挡板形式—纵向挡板挡板宽度w—容器直径的1/12～1/10数量z—一般在容器内壁面均匀安装4块挡板作用—a.将切向流→变为轴向流径向流b.使被搅动液体的湍流程度↑

→改善搅拌效果↑挡板形式—纵向挡板挡板宽度w—容器直径的1/12～1/10作挡板挡板全挡板条件—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。永田冶进提出了全挡板条件:注意:a.传热蛇管可部分或全部代替挡板，b.装有垂直换热管时一般可不再安装挡板。全挡板条件—当再增加挡板数和挡板宽度，而功率消耗不再注意:⒉导流筒(DiversionCanister)结构(Structure):a.上下开口圆筒，安装于容器内。b.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。c.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%。d.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。⒉导流筒(DiversionCanister)结构(a.导流，可以为流体限定一个流动路线，防止短路b.使筒内液体搅拌程度↑→混合效率↑c.迫使流体高速流过加热面→利于传热常用于涡轮式、桨式、推进式搅拌器中。作用(Function):应用(Application)a.导流，可以为流体限定一个流动路线，防止短路常用于涡轮式、(a)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，或略高于桨叶导流筒(DiversionCanister)(a)涡轮式或桨式搅拌器,导流筒置于桨叶的上方(b)推进式一）搅拌器的构型5.4搅拌器的构型及选择桨叶构型：桨式、涡轮式、推进式……；物料流况：径向流动、轴向流动；搅拌任务：液体混合、乳化、固体颗粒悬浮、气-液接触……一）搅拌器的构型5.4搅拌器的构型及选择桨叶构型：桨式、涡常用的搅拌器：常用的搅拌器：按叶面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二种结构推进式、螺杆式和螺带式的桨叶为螺旋面叶按叶面结构分为平叶折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。按搅拌低粘流体高粘流体低粘流体搅拌器有：高粘流体搅拌器有：(a)垂直偏心式(b)底插式(c)侧插式(d)斜插式(e)卧式搅拌器在容器内安装方式:桨叶旋转时，平板桨面与轴平行，液体仅以切线方向离开桨叶，主要是水平液流，所以搅动不激烈。为了增强轴向流动，可将平桨倾斜一定角度而成斜，此时桨叶面与轴不平行，旋转时液流除切线方向离开桨叶外还有向上或向下的垂直液流，所以搅拌较为激烈。(a)垂直偏心式(b)底插式(c)侧插式(d)斜插式锥螺

(VCR)前进式(AR)最大叶片式泛能式叶片组合式扭格子式EKATO同轴多臂行星式真空乳化釜新型立式搅拌锥螺(VCR)前进式(AR)最大叶片式泛能式叶片组合式扭格LIAS-AP瑞士LIST全相型BIVOLAK(住友重机全相型)(三菱重工)HVRSCR新型卧式搅拌砂磨机CONTERNA(德国连续捏和机)LIAS-APBIVOLAK(三菱重工)HVRSCR新型卧式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。桨式搅拌器(PaddleAgitator)

结构最简单桨式搅拌器桨式搅拌器常用参数注：n－转速；v－叶端线速度；Bn－叶片数；b-桨叶宽度；d－搅拌器直径；D－容器内径：θ－折叶角。

桨式搅拌器常用参数注：n－转速；v－叶端线速度；Bn桨式搅拌器特点1)平桨主要为切向流，搅动不激烈，混合效果差，转速高时会形成漩涡；2）斜桨增加了轴向流动，混合效果增加；3）剪切作用较强；4）常用于低粘流体搅拌。桨式搅拌器特点1)平桨主要为切向流，搅动不激烈，混合效果差，推进式搅拌器(PropulsionAgitator)常用于低粘流体中。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。推进式搅拌器标准推进式搅拌器有三瓣叶推进式搅拌器常用参数推进式搅拌器常用参数推进式搅拌器的特点轴向流搅拌器常用于低粘流体的搅拌结构简单、制造方便循环量大，搅拌功率小推进式搅拌器的特点轴向流搅拌器常用于低粘流体的搅拌结构简单、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。涡轮式搅拌器(TurbineAgitator)

涡轮式搅拌器（又称透涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器常用参数涡轮式搅拌器常用参数1、适用物料粘度范围广。2、剪切力较大，分散流体的效果好。3、直叶和弯叶涡轮搅拌器主要产生径向流，折叶涡轮搅拌器主要产生轴向流。涡轮式搅拌器特点1、适用物料粘度范围广。涡轮式搅拌器特点结构简单。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。锚式搅拌器(AnchorAgitator)

结构简单。锚式搅拌器锚式搅拌器常用参数锚式搅拌器常用参数锚式和框式搅拌器特点1、结构简单，制造方便。2、适用于粘度大、处理量大的物料。3、易得到大的表面传热系数。4、可减少“挂壁”的产生。锚式和框式搅拌器特点1、结构简单，制造方便。螺杆式搅拌器螺带式搅拌器螺杆式搅拌器螺带式搅拌器

桨式、推进式、涡轮式和锚式搅拌器在搅拌反应设备中应用最为广泛，据统计约占搅拌器总数的75～80％。桨式、推进式、涡轮式和锚式搅拌器在搅拌反应设备中应用1）保证物料的混合；2）消耗最少的功率；3）所需费用最低；4）操作方便，易于制造和维修。二）搅拌器的选用

给定搅拌任务，搅拌装置和操作条件的选择和设计没有成熟方法。1）保证物料的混合；二）搅拌器的选用选用时除满足工艺要求外，还应考虑功耗低、操作费用省，以及制造、维护和检修方便等因素。搅拌器选型依据搅拌目的

物料粘度

搅拌容器容积的大小选用时除满足工艺要求外，还应考虑功耗低、操作费用省，以及搅拌目的与推荐的搅拌器形式1.按搅拌目的选型:搅拌目的与推荐的搅拌器形式1.按搅拌目的选型:搅拌目的与推荐的搅拌器形式（续）搅拌目的与推荐的搅拌器形式（续）2.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。锚式、螺杆式、螺带式——适用于高粘流体的混合。2.按搅拌器型式和适用条件选型:推进式搅拌器——用于低粘度1）均相液体的混合（充分混合）3.从反应物相来看，搅拌器的选择原则：慢速混合→桨式；快速混合→推进式或涡轮式。为保证液滴在釜内均匀的分散，要求有较大的局部剪切作用和容积循环速率。应选用开式平直叶涡轮。2）非均相液体的混合（分散操作）3）固体悬浮物保证固体颗粒均匀分散和不沉降的主要控制因素：容积循环速率及湍流强度。（1）当固体粒子较大，固液密度差较大，固／液比＜３０％时，选用开式涡轮；（2）粒子较小，固液密度差较小，固／液比＜６０～９０％时，常选用平桨；（3）固液密度差较小，固／液比＜５０％时，常选用推进式。1）均相液体的混合（充分混合）3.从反应物相来看，搅拌器的

４）气体吸收及气液相反应

控制因素：局部剪切作用、容积循环速率及高转速。应选

用圆盘式涡轮。５）高粘度体系

控制因素：容积循环速率及低转速。随着粘度的增大可依次选用下列搅拌器：涡轮、锚式、框式、螺杆、螺带、特殊型高粘度搅拌器４）气体吸收及气液相反应５）高粘度体系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搅拌器所需功率由三方面组成：1）搅拌器所消耗的能量，即搅拌器推动液体流动所需要的能量，简称搅拌器轴功率；2）搅拌轴封所消耗的能量；3）机械传动所消耗的能量。5.5搅拌功率的计算

CalculationoftheStirringPower

搅拌器所需功率由三方面组成：5.5搅拌功率的计算

Calc轴功率:指搅拌器以一定转速进行搅拌时，对液体做功并使之发生流动所需的功率。计算搅拌功率的目的:a.设计或校核搅拌器和搅拌轴的强度和刚度b.选择电机和减速机等传动装置c.搅拌功率是搅拌机械设计的基本数据。区分:

搅拌器功率:即搅拌功率

搅拌作业功率:搅拌器使搅拌槽内的液体以最佳方式完成搅拌过程所需的功率轴功率:指搅拌器以一定转速进行搅拌时，对液体做功并使之发生影响搅拌功率的因素：a.搅拌器的几何尺寸与转速:搅拌器直径、桨叶宽度、桨叶倾斜角、转速、单个搅拌器叶片数、搅拌器距离容器底部的距离等b.搅拌容器的结构：容器内径、液面高度、挡板数、挡板宽度、导流筒的尺寸等。c.搅拌介质的特性:液体的密度、粘度。d.重力加速度5.5.1

搅拌过程的因次分析影响搅拌功率的因素：a.搅拌器的几何尺寸与转速:搅拌器直径、搅拌功率P与上述因素的函数关系：或指数形式：秒－1米N-搅拌器转速；D-搅拌器桨叶直径；ρ-液体密度；μ-液体黏度；g-重力加速度搅拌功率P与上述因素的函数关系：或指数形式：秒－1米N-搅拌根据因次关系，可得：根据因次一致性，可得：根据因次关系，可得：根据因次一致性，可得：搅拌功率准数搅拌雷诺数搅拌弗雷德准数搅拌功率准数搅拌雷诺数搅拌弗雷德准数若以功率函数Φ表示，则:功率准数的变化若以功率函数Φ表示，则:功率准数的变化功率曲线：功率函数或功率准数随搅拌雷诺数的变化曲线(双对数坐标）。5.5.2均相流体搅拌功率计算NReNP10010110210310410510610-1100101102注意：各种搅拌器的功率准数与雷诺数关系大体相似，对于一个具体的几何构型只有一条功率曲线，与搅拌釜的大小无关。功率曲线：功率函数或功率准数随搅拌雷诺数的变化曲线(双对数坐

算术坐标系统:就是普通的笛卡儿坐标，横纵的刻度都是是等距的。（举例来说：如果每1cm的长度都代表2，则刻度按照顺序0，2，4，6，8，10，12，14……）

对数坐标：坐标轴是按照相等的指数变化来增加的，（举例来说：如果每1cm代表10的1次方增加，则坐标轴刻度依次为1，10，100，1000，10000……）

双对数坐标系统：指两个坐标轴是对数坐标。

双对数坐标算术坐标系统:就是普通的笛卡儿坐标，横纵的刻度都是是功率曲线分为三个区域：（1）NRe=1~10(AB段)：搅拌器功率曲线斜率为-1的直线；搅拌层流区，粘性力占优势的粘性流动；重力影响可忽略，即不考虑NFr的影响。NReNP10010110210310410510610-1100101102功率曲线分为三个区域：（1）NRe=1~10(AB段)：NR结论：层流时，在一定的搅拌转速下，功率消耗与液体粘度成正比，与液体密度无关。p=-1结论：层流时，在一定的搅拌转速下，功率消p=-1（2）NRe=10~103(BC段)：功率曲线为一下凹曲线；流体从层流过渡到湍流，搅拌过渡区；各种尺寸或各种构型的桨叶的BC段不一样；NReNP10010110210310410510610-1100101102（2）NRe=10~103(BC段)：NReNP100101（3）NRe>103(CD段)：功率曲线呈一水平直线，即Np与NRe无关，NP为常数,保持不变；湍流区，全挡板时，液体不形成漩涡，可不考虑重力影响；结论：湍流时，全挡板釜的搅拌功率与液体密度成正比，而与液体粘度无关。NReNP10010110210310410510610-1100101102（3）NRe>103(CD段)：结论：湍流时，全挡板釜的搅拌（4）无挡板釜(CE段）：NRe<300时，液体不形成漩涡，可不考虑重力的影响；NRe>300时,产生漩涡，重力影响显著，指数q≠0,由下式估算：查表可得！P155NReNP10010110210310410510610-1100101102（4）无挡板釜(CE段）：查表可得！P155NReNP100不同搅拌器的功率曲线(全挡板条件)

510510251035104510510050105NRe=D2Nρ/μP155不同搅拌器的功率曲线(全挡板条件)5例：在一直径为1.2m，液深为1.2m，内装有4块挡板(BW/T=0.10)的反应釜内，反应液的密度为1300kg/m3，粘度为13×10-3Pa•s，今用一三叶推进式搅拌器(D=0.4m,S/D=1)以300转/分的转速进行搅拌，计算：搅拌轴功率消耗若改用同样直径的六叶平直圆盘涡轮，转速不变，搅拌功率是多少？若釜内不设挡板，仍采用六叶平直圆盘涡轮时，其搅拌功率是多少？P156例：在一直径为1.2m，液深为1.2m，内装有4块挡板(BW解：三叶推进式搅拌器(D=0.4m,S/D=1)→查P155表5-1可知：K1=0.32内装有4块挡板→查P154图5-12可知：CD段解：三叶推进式搅拌器(D=0.4m,S/D=1)→查P155若改用同样直径的六叶平直圆盘涡轮，转速不变，查P155表5-1可知：K1=6.3若改用同样直径的六叶平直圆盘涡轮，转速不变，查P155表5-另一种方法：另一种方法：查图5-13中的曲线2得：查图5-13中的曲线2得：（2）根据图5-13曲线6查得（2）根据图5-13曲线6查得（3）NRe>300

查表得：无挡板（3）NRe>300查表得：无挡板桨式搅拌器搅拌功率永田进治经验公式：其中：无挡板考虑了釜径T,桨叶宽度b,桨叶倾角Ɵ，釜内流体深度H桨式搅拌器搅拌功率永田进治经验公式：其中：无挡板考虑了釜径T临界雷诺数代替搅拌雷诺数（NRe)，可计算有挡板时的桨式搅拌器搅拌功率。临界雷诺数（NRec）：层流向湍流过渡的雷诺数；结论：（1）：当NRe很大时，A/NRe项很小，可忽略不计；（2）：当NRe很小时，A/NRe项很大，经验式右边第二项可忽略，此时，NP与H、θ无关。临界雷诺数代替搅拌雷诺数（NRe)，可计算有挡板时的桨式搅拌二页平桨（θ=900）时：二页斜桨（θ≠900）时：二页平桨（θ=900）时：二页斜桨（θ≠900）时：等效桨：各种桨叶的桨叶宽度、叶片数、搅

拌层数的乘积相等，它们所消耗的

搅拌功率近似相等（湍流区）。Attention：有挡板条件下所计算的搅拌功率常高于实测值；等效桨处理法仅限于无挡板且低粘度条件；深槽多层桨功率计算误差较大。实验经验结论等效桨：各种桨叶的桨叶宽度、叶片数、搅

釜内设置挡板，流体阻力增加，搅拌功率增加，当挡板设置到一定程度时，功率增到最大。此时称全挡板条件。以挡板系数KB来表征挡板程度：全挡板条件(FullBafflePlateCondition)：当KB=0.35时，称为全挡板条件；当KB=0时，无挡板；KB=0~0.35部分挡板条件；4块BW/T=0.1的挡板可近似当作全挡板处理。BW:挡板宽度T：釜径nB:挡板块数釜内设置挡板，流体阻力增加，搅拌功率增加，当挡板设置到一定程挡板程度与功率准数关系：永田公式（部分挡板功率准数）：KB,KBF——部分挡板和全挡板条件时的挡板系数挡板程度与功率准数关系：永田公式（部分挡板功率准数）：KB,处理方法(TreatingMethod)：一般可采用均相液体搅拌功率分析计算方法加以修正。5.5.3非均相流体搅拌功率计算一）气-液体系液体中通入空气，降低了液体的有效密度，因此降低了搅拌功率。六叶涡轮搅拌釜：永田经验公式处理方法(TreatingMethod)：一般可采用均相六叶平直涡轮全挡板搅拌釜（Calderbank经验式）：通气系数：六叶平直涡轮全挡板搅拌釜（Calderbank经验式）：通气大量通入气体时，开始出现大气泡，功率消耗不再明显变化，该状态称为“液泛”。同时，实验表明，功率消耗还与引入气体的方式有关。大量通入气体时，开始出现大气泡，功率消耗不再明显变化，该状态处理方法：采用混合物的平均物性，套用计算均相体系搅拌功率的方法进行计算。二）液-液、液-固体系液-液体系（1）密度处理方法：采用混合物的平均物性，套用计算均相体系搅拌功率的方（2）粘度（经验式）不互溶液体（敞口槽）不互溶液体（封闭槽）无挡板，水相体积比>40%无挡板，水相体积比<40%（2）粘度（经验式）不互溶液体（敞口槽）不互溶液体（封闭槽）有挡板互溶液体混合时：分子分率有挡板互溶液体混合时：分子分率液-固体系（1）密度与液-液体系相同（2）粘度固体粒子能自由流动：固体粒子体积分率液-固体系（1）密度与液-液体系相同（2）粘度固体粒子能自由固体粒子不能自由流动：浆料粘度计算：R=ρL/ρS浆料沉降率ml/g浆料质量浓度g/ml固体粒子不能自由流动：浆料粘度计算：R=ρL/ρS浆料沉降液-固悬浮体系常用公式：固-液相体积比沉降后沉积层的固-液体积比液-固悬浮体系常用公式：固-液相体积比沉降后沉积层的固-液体液－液、液－固体系当固体粒子为“能自由流动”时：，当固体粒子为“不能自由流动”时：无挡板，水相体积比>40%无挡板，水相体积比<40%有挡板料浆粘度计算：液－液、液－固体系当固体粒子为“能自由流动”时：，当固体粒子釜内流体粘度难确定：非牛顿流体的表观粘度随剪切速率变化而变化；搅拌釜内的剪切速率随桨叶和釜的几何形状和搅拌转速等参数而变化；釜内各点的剪切速率往往不同。5.5.4

非牛顿流体的搅拌

Non-NewtonianFluid釜内流体粘度难确定：5.5.4非牛顿流体的搅拌

Non-N

表观粘度法（Metzner）：用非牛顿流体的表观粘度代替牛顿流体的粘度计算搅拌雷诺数。Metzner等人大量实验,针对不同构型的搅拌器在多种非牛顿流体中的搅拌功率进行了测量；采用表观粘度后非牛顿流体与牛顿流体的功率曲线在层流和湍流区域几乎重合；非牛顿流体的功率曲线在过渡流区域则低于牛顿流体。有挡板NRe大于103或无挡板NRe大于105时，功率曲线可近似看作水平线。表观粘度法（Metzner）：用非牛顿流体的表观粘度代替所以表观粘度：为了方便计算搅拌釜内流体的表观粘度，假设搅拌釜内存在一个平均剪切速率：相应的表观雷诺数：所以表观粘度：为了方便计算搅拌釜内流体的表观粘度，假设搅拌釜其中，β为常数，由经验确定。为了更加接近实际情况，考虑了更多的因素，Calderbank对表观雷诺数进行了修正：浆型、叶片数、挡板数、T/D、流型指数等其中，β为常数，由经验确定。为了更加接近实际情况，考虑了系数β的确定：1）一般桨型（除锚式），n<1时：系数β的确定：1）一般桨型（除锚式），n<1时：2）锚式，n<1，T/D<1.4时：3）n>1，T/D<3.0，全挡板时：2）锚式，n<1，T/D<1.4时：3）n>1，T/D<3.再定义修正功率准数：锚式NS=2，其它桨叶NS=1，ΔW为桨叶与釜壁接近系数。锚式，T/D≤1.3时：一般桨叶，T/D≥1.3时：再定义修正功率准数：锚式NS=2，其它桨叶NS=1，ΔW为根据功率曲线，可计算非牛顿流体搅拌功率。由图5-15，5-16可知，当（锚式）或（其它桨叶）时，功率曲线为直线，处于层流区域：根据功率曲线，可计算非牛顿流体搅非牛顿流体搅拌器选型：釜壁流体的流动情况；最低雷诺数；双层桨叶比单层桨叶搅拌效果好；同一类型桨叶，增大桨叶直径可增强搅拌效果；斜叶桨叶比平直浆页效果好；推进器式搅拌效果较差。非牛顿流体搅拌器选型：

循环特性：在搅拌作用下，流体在釜内按一定的流况作循环流动，这种作用称为搅拌器的流动特性。5.6搅拌器的流动特性及转速5.6.1搅拌的循环特性循环特性：在搅拌作用下，流体在釜内按一定的流况作循环流动桨叶旋转流体循环过程：液体从中心吸入从叶端排出桨叶排出流量（qd)：单位时间内从桨叶排出

的流量。是搅拌剧烈程度的反映！是搅拌雷诺数的函数。排出流量数或泵送准数桨叶旋转流体循环过程：液体从中心吸入从叶端排出桨叶排出流量（qiqcqd排出流同伴流循环流注意：层流时：qc=qd;湍流时：qc>qd.湍流产生其中，qc和qd可由实验测定qiqcqd排出流同伴流循环流注意：层流时：qc=qd;湍循环流量数：湍流时：循环流量数：湍流时：全挡板釜，当NRe<103,D/T=0.25~0.508时：影响Nqd和Nqc的主要因素：

1.雷诺数Nqd∞和Nqc∞分别表示NRe很高时（充分湍流）的排除流量数和循环流量数全挡板釜，当NRe<103,D/T=0.25~0.508时：全挡板，湍流时：2.桨叶特性挡板系数增大时，排出流量数增大：np为桨叶片数，b为桨叶宽度NqdF，Nqd，NqdN分别为全挡板，部分挡板，无挡板是的排出流量数；KBF，KB，KBN分别为全挡板，部分挡板，无挡板时的挡板系数全挡板，湍流时：2.桨叶特性挡板系数增大时，排出流量数增大：循环特性的另外表征参数：单位时间循环次数循环时间qc-循环流V-搅拌釜内流体的体积循环特性的另外表征参数：单位时间循环次数循环时间qc-循环流循环次数可以判别搅拌程度：普通搅拌：强烈搅拌：循环次数可以判别搅拌程度：普通搅拌：强烈搅拌：习惯上：用功率准数Np与排出流量数Nqd的比值判断桨叶的流动特性:循环型桨叶：剪切型桨叶：输出效率习惯上：用功率准数Np与排出流量数Nqd的比值判断桨叶的混合型搅拌：本体聚合、溶液聚合悬浮型操作：悬浮聚合搅拌任务尺度：搅拌体系中物料量的大小搅拌任务难度：达到搅拌效果所需要克服的“阻力”，如两种物料的密度差和粘度差、悬浮粒子的沉降等5.6.2搅拌转速混合型搅拌：本体聚合、溶液聚合5.6.2搅拌转速搅拌强烈程度度分级依据：密度差、粘度差。一）混合搅动型搅拌转速的确定搅拌强烈程度度分级依据：密度差、粘度差。一）混合搅动型搅拌转混合及搅动型搅拌装置设计：1）根据生产任务确定搅拌釜容积和釜径T；2）选定桨叶直径与釜径比值D/T，初步求出桨叶直径D；D/T的比值一般在0.2~0.8之间，实际使用时常用的D/T比值范围如下：平桨：0.5~0.83涡轮：0.33~0.40推进器：0.1~0.33混合及搅动型搅拌装置设计：1）根据生产任务确定搅拌釜容积和釜3）根据所需搅拌程度确定搅拌等级和总体流速u；4）计算桨叶的排出流量qd；5)运用雷诺准数NRe和排出流量数Nqd关系图，计算搅拌桨叶转速N；6）对桨叶直径进行粘度校正,校正因数CF列于表5-6；7)计算搅拌桨叶的轴功率消耗。P164例5-23）根据所需搅拌程度确定搅拌等级和总体流速u；5)运用雷诺准极限沉降速率（ut）：任何粒子在流体中沉降，均受到拉拽力（摩擦力）作用，当拉拽力与重力平衡时，粒子在流体中沉降时的加速度为零，此时的沉降速率称为极限沉降速率。二）颗粒悬浮型搅拌转速的确定难以确定准确的计算公式，可通过查找经验图获得。极限沉降速率（ut）：任何粒子在流体中沉降，均受到拉拽力（摩不同搅拌级别的搅拌效果（颗粒悬浮）不同搅拌级别的搅拌效果（颗粒悬浮）桨叶转速越高，直径越大，沉降速率越小，获得的悬浮程度越高；搅拌级别与D、N、ud关系图5-20。搅拌级别与颗粒沉降速度、桨叶直径、转速关系：桨叶转速越高，直径越大，沉降速率越小，获得的悬浮程度越高；搅1）先假设颗粒雷诺数值处于层流或湍流，分别计算密度差（ρp-ρ)/μ或（ρp-ρ)/ρ；2）根据颗粒直径dp及密度差由图查取极限沉降速率ut；悬浮型搅拌装置设计：1）先假设颗粒雷诺数值处于层流或湍流，分别计算密度差（ρp-3）当悬浮体系的粘度较高时，颗粒间容易发生粘合，此时，其沉降速率将大于单个颗粒的沉降速率。校正设计沉降速率：fW，颗粒沉降校正因素，可查表。3）当悬浮体系的粘度较高时，颗粒间容易发生粘合，此时，其沉降4）选定搅拌桨叶形式及桨叶直径，确定D/T;5）选定搅拌等级；6）计算搅拌桨叶转速：4）选定搅拌桨叶形式及桨叶直径，确定D/T;7）校正颗粒雷诺数NRe（p）;8）计算搅拌轴功率消耗。高聚物生产中设计搅拌装置的参考标准，表5-9，P168例5-37）校正颗粒雷诺数NRe（p）;8）计算搅拌轴功率消耗。高聚5.7.1混合机理及混合特性5.7搅拌器的混合特性在搅拌釜中，通过桨叶的旋转把机械能传递给釜内物料，造成液体强制对流，混合过程是在强制对流作用下的强制扩散过程。

对流扩散：桨叶将动能传递给周围液体，产生高速湍动液流，液流推动周围液体，使全部液体在釜内循环流动，由此产生的全釜范围内的扩散称主体对流扩散。5.7.1混合机理及混合特性5.7搅拌器的混合特性

涡流扩散：高速流体与低速或静止流体界面存在速度梯度，形成剪切力，产生漩涡，形成局部范围内物料快速而紊乱的对流运动，由漩涡运动造成的局部范围内的对流扩散称为涡流扩散。

分子扩散：简称扩散，在浓度差或其他推动力的作用下，由于分子、原子等的热运动所引起的物质在空间的迁移现象，是质量传递的一种基本方式。涡流扩散：高速流体与低速或静止流体界面存在速度梯度，形成大多数混合过程，主体对流扩散、涡流扩散、分子扩散是同时存在的；高粘液体层流，主要为分子扩散和对流扩散的综合作用；涡流搅拌操作中涡流扩散占重要地位：一般流体分子扩散系数约为10-9~10-10m2/s，而涡流扩散系数则为10-3~10-4m2/s。大多数混合过程，主体对流扩散、涡流扩散、分子扩散是同时存在的全面评价搅拌器的混合性能的四个无因次参数：C1：混合时间数；C2：达到规定混合程度时，流体所受的剪切量；C3：搅拌器旋转一次，流体所受的剪切量；C4：在一定的流体粘度和混合时间下，搅拌器所需要的单位体积混合能，称为混合效率数。

混合时间（θM）：评定搅拌器的混合能力的参数，指经过搅拌使物料达到规定均匀程度所需要的时间。全面评价搅拌器的混合性能的四个无因次参数：混合时间（θM湍流时，涡轮、桨式、推进器式搅拌器的C1为常数；层流时，D/T接近1的螺带式及螺杆导流筒搅拌器的C1为常数；层流时，桨式、D/T=0.3~0.5的涡轮式搅拌器，釜内有很大的停滞区，θM不定，C1不定；过渡流区，所有搅拌器的C1值随雷诺数的增加而降低，C1越小，说明混合速率越大。（1）无因次数C1湍流时，涡轮、桨式、推进器式搅拌器的C1为常数；（1）无因次单位体积功；达到规定混合程度时，流体所受的剪切量；（2）无因次数C2剪切速率量纲单位体积功；（2）无因次数C2剪切速率量纲搅拌器旋转一次，流体所受的剪切量。（3）无因次数C3搅拌器旋转一次，流体所受的剪切量。（3）无因次数C3WV单位体积混合能；在一定的流体粘度和混合时间下，搅拌器所需要的单位体积混合能；比较混合效率的指标：称为混合效率数。（4）无因次数C4WV单位体积混合能；（4）无因次数C4方法一：实验测定1.在搅拌釜内瞬间加入一定量的微量示踪液体，测量其浓度变化；2.利用两个被混液体在性质上的变化（温度、电导率、折光率、pH值、氧化还原电势等）的差异测定混合时间。5.7.2混合时间计算方法一：实验测定5.7.2混合时间计算方法二：经验公式1）Norwood经验式：适用条件：低粘度流体；有挡板；涡轮搅拌器。方法二：经验公式1）Norwood经验式：适用条件：2）山本一夫经验式：K=0.1~0.15适用条件：D/T=0.06~0.8;b/D=0.125~0.33;Np=2~6;NRe>1052）山本一夫经验式：K=0.1~0.153）ГЛУЗ经验式：适用条件：牛顿流体、幂率流体；n=0.5~1.0。3）ГЛУЗ经验式：适用条件：实际生产中所涉及到的分散及合并过程：乳液聚合、悬浮聚合、界面缩聚等分散、合并对聚合过程、产品质量、特别是聚合物的颗粒特性有重要影响。5.8搅拌釜中的分散过程实际生产中所涉及到的分散及合并过程：5.8搅拌釜中的分散过一些实验现象：1）在溶有少量分散剂的水中，加入单体并搅拌，使之分散成液滴，再投入少量染色单体，继续搅拌可以观察到染色分散液滴数目增加。5.8.1搅拌釜内的液-液分散与合并一些实验现象：5.8.1搅拌釜内的液-液分散与合并2）悬浮聚合：在开始在聚合体系中加入不含引发剂的单体使之分散均匀，然后加入溶有引发剂的单体少量，当悬浮聚合结束时，发现所有的单体液滴都聚合固化。2）悬浮聚合：单体搅拌破裂合并表面张力聚集分散平衡分散剂的稳定作用…………扩大分散剂生成的分子层保护胶体单体搅拌破裂合并表面张力聚集分散平衡分散剂的稳定作用…………大的液滴在剪切下作用下被拉成条形，然后被击散成小珠滴。随着聚合程度增加，液滴内的粘度逐渐增长。当聚合转化率达20-70%时，软而呈胶状的液滴变得具有很大的粘性，加上自加速效应出现，会使液滴凝聚成大块，甚至粘附在搅拌器上使聚合过程失败。这是一种不稳定的状态处理方法：必须对搅拌速度、悬浮剂用量、水油比等加以控制。这一阶段称为悬浮聚合的危险期。大的液滴在剪切下作用下被拉成条形，然后被击散成小珠滴。随着聚结论：搅拌釜内水相中的单体液滴不是独立存在的，而是反复地进行着两个以上液滴合并成大液滴（合并），继而一个液滴再分散成两个以上的液滴（分散）的过程。结论：一）分散分散：较大液滴分裂成两个以上的液滴的过程叫分散。引起分散的作用力：液滴的剪切应力；