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1、第四章 搅拌,Chapter 4 Agitation and mixing,主讲人：魏 安 建 班 级：化工一班,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
2、物料进行混合的操作。,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。,通用尺寸及叶片端部速度： S/d=1 Z=3 一般515m/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=1 B/d=0.1 Z=1-2(2指双螺带) 外缘尽可能与釜内壁接近,螺带式,通用尺寸及叶片端部速度： d/B=4-10 Z=2 1.53 m/s,常见搅拌器类型,桨式,通用尺寸及叶片端部速度： B/d=1/12 d/d=0.05-0.08 d=25-50 mm d为搅拌器外缘与釜内壁距
3、离 0.5-1.5 m/s,锚式和框式,(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,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。,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、
4、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。,档板、导流筒 (Baffle and draft tube),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，
5、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。,档板、导流筒 (Baffle and draft tube),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。,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
6、直叶涡轮有档板的标准搅拌槽： 1Re10，叶轮附近为滞流旋转流动，其余部分为停滞区； Re10，叶端有泵出流，引起槽内上下循环流，滞流； 100Re103，整个槽内都呈湍流。,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
7、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105107倍，湍流搅拌中，湍流混合占主导作用。,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。,非均相物系的混合机理,不
8、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。,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
9、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。,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。,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，
10、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,CACA0,CACA0,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：,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 (Re103) ：,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
11、成正比，而 u nd，故,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。,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
12、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,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,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。,功率关联式及功率曲线,层流区：
13、Re10,湍流区：Re104,过渡区：10Re104,对有档板搅拌装置,对无档板搅拌装置，Re300，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。,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 R
14、e：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。,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：,放大准则,(1) 保持单位体积功率消耗 (N/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功耗的叶轮扭矩相等。适用于需要较高 (H/Q) 的操作。,(3) 保持雷诺数Re不变,放大准则,(4) 保持弗鲁德准数Fr不变,(5) 保持韦伯准数We不变,搅拌装置的放大过程非常复杂，应根据具体工艺条件的要求，选定合适的放大准则，以便得到较为理想的放大效果。,
