《化工原理-4概要》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化工原理-4概要（44页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第四章 液体搅拌,搅拌: 使两种或多种不同的物料达到均匀混合的单元操作。,搅拌的目的： （1）使被搅拌物料各处达到均质混合状态； 调匀度或分割尺度 （2）强化传热过程； 传热系数 （3）强化传质过程； 传质系数 （4）促进化学反应。 转化率,搅拌设备,搅拌装置,轴封（填料函密封和机械密封）,搅拌槽（釜）,搅拌器,传动机构,叶轮,搅拌轴,槽体,附件（挡板、导流筒等）,4.1 搅拌器的性能和混合机理,一、搅拌设备的基本结构,4.1.1 搅拌设备,图4-1典型的搅拌设备,1搅拌槽； 2搅拌器； 3搅拌轴； 4加料管； 5电动机； 6减速机； 7联轴节； 8轴封； 9温度计套管； 10挡板； 11放料
2、阀,一、搅拌设备的基本结构,作用:是通过自身运动使搅拌容器中的物料按某种特定的方式运动，从而达到某种工艺要求。这种特定方式的流动（流型）是衡量搅拌装置性能最直观的重要指标。,轴向,径向,周向,二、机械搅拌器的类型,二、机械搅拌器的类型,平叶(如平叶桨式、平直叶涡轮式) 折叶（如折叶桨式） 螺旋面叶（如推进式、螺带式、螺杆式等）,叶片形状,适用于低、中粘度的有桨式、涡轮式、推进式（又称旋桨式）及三叶后掠式； 适用于高粘度的大叶片、低转速搅拌器，如锚式、框式、螺带式、螺杆式及平叶开启涡轮式等。,对液体黏度适应性,二、机械搅拌器的类型,一类以涡轮式为代表，具有流量小、压头较高的特点。（平桨式、锚式、
3、框式也属于这一类搅拌器，但其生产的压头较低。） 一类以推进式为代表，具有流量大、压头低的特点。（螺带式，折叶桨式等也属于此类。）,工作原理,二、机械搅拌器的类型,1. 径向流叶轮,涡轮式,4、在桨叶外缘造成激烈的漩涡运动和剪切力。,特点：,1、平浆由平板构成，垂直安装于轴上，在槽中央以低速或中速旋转,2、液体产生径向及切向流动,3、槽中产生两个回路，不适合易分层的物料。,1） 开启涡轮式,5、适用于简单的搅拌问题。,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,搅拌器与流型 (a)
4、径向流,2） 圆盘涡轮式,特点：,1、与开启涡轮式类似。,2、转速很大，产生径向流时特别有效。,3、也可以引起轴向液流，尤其安装档板之后。,4、化工生产中应用最广，造价比较低。,弯叶片消耗的功率较小,2. 轴向流叶轮,推进式,4、适合于大尺寸的调匀，尤其是要求容器上下均匀的场合，如互溶液体的混合，固体的悬浮，搅拌槽的传热等。,特点：,1、叶片与旋转平面夹角小于90o，形状复杂，成型加工比桨式、涡轮式困难。在槽中央高速旋转。,2、液体产生轴向流动。,3、形成大循环的总体流动，不适于黏性较高的物料。,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
5、环流。,(b)轴向流,搅拌器与流型 (b) 轴向流,3. 周向流叶轮,锚式,框式,1、大尺寸低转速的搅拌器。,特点：,1、其形状和旋转半径与容器内径基本相等，和器壁缝隙小，可以防止器壁沉积现象。,2、低转速、搅动范围很大。,3、适用于黏性非常大的液体。,4、不产生轴向运动。,2、适合于高黏度液体的搅拌。,3、旋转时产生轴向运动，混合效果相对较好。,特点：,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,搅拌器与流型 (c) 切向流,三、搅拌器的性能,几种常用搅拌器的典型尺寸比例、操作参数（主要指
6、转速或叶片端部周围速度）、对液体黏度的适用范围及搅拌槽中液体的流动状况见教材上表4-1中。,4.1.2 搅拌作用下流体的流动,搅拌槽内的流动： 1.在搅拌槽内形成一个循环流动，称为总体流动，达到大尺寸的宏观混合； 2.高速旋转的叶轮及其射流核心与周围流体产生强剪切（或高度湍动），以实现小尺寸的均匀混合。,一、搅拌设备内的基本流型,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,周向流应加以抑制,采用挡板可削弱周向流， 增强轴向流和径向流,二、流体的流动状态,搅拌雷诺数（Re）,确定搅拌釜内液体的流型,叶轮直径,搅拌器转速,液体黏度,液体密度,叶轮周围液体随叶轮旋转作周向流，远离叶轮的
7、液体基本是静止的，属于完全层流。,液体的运动达到槽壁，并沿槽壁有少量上下循环流发生，此现象为部分层流，仍为层流范围。,桨叶附近的液体已出现湍流，而其外周仍为层流，此为过渡流状态。,流体达湍流状态。若槽壁处无挡板时，由于离心力的作用，搅拌轴附近会形成旋涡。 搅拌器转速越大，形成的旋涡越深，这种现象称为“打旋”。,槽内加挡板，抑制“打旋”现象发生。,三、搅拌槽内液体的循环量和压头,1排液量和液体的循环量,指参与循环流动的所有液体的体积流量（包括排出流量和诱导流量）。,排液量,从叶轮直接排出的液体流量称为排液量。,循环量,排液量：,三、搅拌槽内液体的循环量和压头,2搅拌槽内液体的压头,搅拌器叶轮旋转
8、时既能使液体产生流动，又能产生用来克服流动阻力的压头。压头通常用动压头的倍数来表示。,液体离开叶轮的速度,因此压头,功率,P一定,大循环小剪切流动,如：传热，固体在液体中的悬浮或溶解，高体积流量高湍动,大剪切小循环流动,如：不互溶液液分散，气体分散至溶液中，高湍动高体积流量,一般情况，压头越大，越促进流体的均匀混合，湍动程度越高,3搅拌效果与q/H,四、增强搅拌槽内液体湍动的措施,1. 抑制“打旋”现象的发生,2. 导流筒,3. 提高搅拌器转速,(1) 搅拌槽内设置挡板,目的消除打漩和提高混合效果。,1. 抑制“打旋”现象的发生,搅拌器在容器内的安装方式,(b) 垂直偏心式,(a) 对称式,(
9、c) 侧插式,(d) 斜插式,(e) 卧式,(2) 破坏流体循环回路的对称性,2. 增加导流筒,控制流动方向，消除死区,3. 增加搅拌器的转速,小直径叶轮，高转速操作,4.1.3 混合机理,一、均相液体的混合机理,1总体对流扩散 排出流和诱导流造成槽内液体大范围宏观流动，并产生整个槽内液体流动循环，这种流动称为总体流动。 总体流动能使液体宏观上均匀混合（大尺度的混合）。,2涡流扩散 由于射流中心与周围液体交界处的速度梯度很大而产生强的剪切作用，对低黏度的液体形成大量旋涡。旋涡的分裂破碎及能量传递，使微团尺寸减小（最小尺寸可达微米级），从而达到小尺寸的微观均匀混合。,3分子扩散 均相液体在分子尺
10、度的均匀混合靠分子扩散。但是槽内液体强的湍动使微团尺寸的减小，大大加速了分子扩散。,4.1.3 混合机理,二、非均相液体的混合机理,为达到小尺度的混合，同样应强化湍动，使分散相尺寸尽可能减小。,4.1.4 其他类型混合器 4.1.5 搅拌器的选型和发展趋势,（自学）,4.2 搅拌功率,4.2.1 搅拌功率的量纲为一数群关联式,一、影响搅拌功率的因素,（1）搅拌器的因素 桨叶形状、叶轮直径及宽度、叶片数目、在槽内安装高度等。 （2）搅拌槽的因素 槽形、槽内径、挡板数目及宽度、导流筒的尺寸、液位高度等。 （3）物性因素 主要是被搅拌物料的密度和黏度。 （4）出现打旋现象时还需考虑重力加速度的影响。
11、,输入的功率代表施加 于受搅拌液体的力, 含有黏度，代表施加力与黏性 曳力之比，衡量 流体的流动状态, 含有重力加速度g，代表施加力与 重力之比，产生打旋时，需要考虑。,二、搅拌功率的量纲为一数群关联式,搅拌功率和各变量之间的一般函数关系式可表达为,通过量纲分析可得,功率数,搅拌雷诺数,弗鲁德数,对于全挡板条件的搅拌装置,得,令,称为功率因数,则,（无漩涡）,则,4.2.2 均相系统搅拌功率的计算（自学） 4.2.3 非均相物系搅拌功率的计算（自学） 4.2.4 非牛顿型流体的搅拌功率（自学）,4.3 搅拌设备的放大,一、搅拌设备放大基础,两个大小不同的系统，搅拌釜的形状和搅拌桨的型式是完全相
12、同的，并且相应各部分几何尺寸之比等于常数 ，各自在对应点上的速度比相等，动力比也相等。,几何相似、运动相似、动力相似,要完成可靠的放大工作，要满足两个必要条件： （1）所研究的体系必须是相当单纯的。对于搅拌过程来说，系统的抗拒力应是黏性力、重力、界面张力三个力中的一个力所决定，而不是这三个共同决定的。搅拌槽安装挡板即消除了重力的影响，再忽略界面张力的影响，于是变成单纯的黏性力（Re）作为相似条件。 （2）当设备尺寸由小放大时，上述的单纯条件同样保持不变。,二、搅拌设备的放大,1. 按搅拌功率放大 几何构型相同的搅拌设备，不论其尺寸大小，均可用同一条功率曲线。即只要Re相等，则值必相同。如果符合全挡板条件，相同的Re对应相等的PN值。 因此，通过测量实验设备的搅拌功率便可推算出生产设备的搅拌功率。,2. 按工艺过程结果放大,雷诺准数 不变，要求 n1d12n2d22 单位体积搅拌功率 不变，因 ，要求n13d12n23d22 搅拌器流量和压头的比值q/H不变，要求d1/n1=d2/n2 叶轮末端速度nd不变，要求 n1d1n2d2 弗鲁德准数 不变，要求 n12d1n22d2,
