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1、.,第五章 搅拌聚合釜内流体的流动与混合 第六章 搅拌聚合釜的传热与传质,.,第五章 第一节 概述,工业上聚合反应器种类很多，釜式反应器(简称搅拌釜)应用最普遍，约占聚合反应器的80。 在聚合物生产过程中，除聚合釜外，还有许多带有搅拌装置的容器，如原料配制槽、加料槽、凝聚槽、浆料沉析槽和贮槽等。 化工生产过程中，经常有液-液、气-液、液-固以及气-液-固多相体系的混合问题。 机械搅拌是解决混合问题的重要装置。 搅拌兼有混合、搅动、悬浮、分散等多种功能。,.,.,搅拌器的功能,混合：使两种或多种互溶或不互溶液体按工艺要求混合均匀的操作，如溶液、悬浮液、乳液等的配制。 搅拌：使物料强烈地流动，以提
2、高传热、传质速率的操作。 悬浮：使小固体颗粒在液体中均匀悬浮、以达到加速溶解、强化浸取、促进液-固相反应、防止沉降等目的的操作。 分散：使气体、液体在流体中充分分散成细小的气泡或液滴，增加相接触表面，以促进传质或化学反应，并满足聚合物对粒度要求的操作。,.,为满足上述要求，搅拌器应具有下述作用 (1)推动液体流动，混匀物料。 (2)产生剪切力，分散物料并使之悬浮。 (3)增加流体的湍动，以提高传热速率。 (4)加速物料的分散和合并，增大物质的传递速率。 (5)在高粘体系，更新表面，促使低分子物(如水、单体、溶剂等)逸出。 搅拌器通常兼有以上多种功能和作用。 例如，在苯乙烯悬浮聚合过程中，搅拌兼
3、有混合(引发剂与单体)、剪切分散（单体液滴分散在水相中)、悬浮及提高传热系数等作用。,.,为满足各种生产过程对搅拌的不同要求，搅拌器应具有一定的几何形状和技术特性，如搅拌桨叶的 型式 尺寸 转速 并配以适当的挡板形式与尺寸。 掌握这些技术特性及其放大规律，对完善设计非常重要。,.,第二节 搅拌釜内流体的流动状况,搅拌的各种作用均需依靠流体的流动来实现。 流体的流动与许多因素有关，包括： 釜体与搅拌器等釜内构件(挡板、导流筒)设置、结构（几何型式、尺寸） 安装位置 操作条件(转速) 所处理物料的物性等。,.,流体的流动状况（简称流况）的定义为“在整个搅拌容器中流体速度向量的方向”。 在搅拌釜中流
4、体的流况可以分为两个层次： 宏观状况 宏观流动 微观状况 微观流动 这两种流况反映了搅拌的效果。,.,一、循环流动与剪切流动,宏观流动是指流体以大尺寸(凝集流体、气泡、液滴)在大范围(整个釜内空间)流动状况，也称循环流动。 循环流动存在三种典型的流况： 径向流动 轴向流动 切向流动,.,径向流动,流体的流动方向垂直搅拌轴，沿径向流动碰到釜壁转向上、下两股再回到桨叶端，不穿过桨叶片，而形成上、下两个循环流动。,图5-1 径向流动,.,轴向流动,流体的流动方向平行搅拌轴，流体由桨叶推动，使流体向下流动，碰到釜底再翻上，形成上下循环流动。,图5-2 轴向流动,.,切线流动,流体绕轴作旋转运动，也称旋
5、转流动，当搅拌转速较高时，液体表面会形成漩涡。,图5-3 切线流动,.,轴向流动及径向流动对混合有利，能起混合搅动及悬浮作用。 而切线流动则对混合不利！需设法消除。,.,微观流动,微观流动是指流体以小尺寸(小气泡、液滴分散成更小的微滴)在小范围(气泡、液滴大小的空间)中的湍动状况。 微观流动是由于搅拌桨的剪切作用而引起的局部混合作用；可促使气泡、液滴细微化，最后经分子扩散达到微观混合。 当搅拌具有一定粘度的流体时，随液体流速增加，产生速度梯度使液体变形，同时产生流速的涨落，因而形成湍动。 这种湍动在结构上可视为许多小涡旋，它对其中或周围的液体微元产生剪切作用，使其被撕成微滴。,.,微观流动的作
6、用促使局部混合及异相表面更新，对促进传热、传质、分散微粒也有利。 在搅拌桨叶叶端附近及挡板处微观流动作用最强烈。 虽然搅拌桨叶型式千差万别，在搅拌釜中都存在循环流动与剪切流动，只是二者的比重有所不同。 对以循环流动为主的桨叶，称为循环型桨叶； 若以剪切流动为主的桨叶，称为剪切型桨叶。,.,二、搅拌雷诺数与流态,为定量地分析搅拌桨叶的特性，经常用无因次准数进行研究。 主要有以下代表釜内流体特性的准数： 粘性力的搅拌雷诺数： NRe=Dv/DDN/ND2/ (5-1) 动力特性的功率准数： NpP/(N3D5) (5-2) 循环特性的排出流量数：Nqdqd/(ND3) (5-3) 混合特性的混合时
7、间数：NM=NM (5-4) 传热特性的努塞尔准数等 式中，P为功率消耗，qd为桨叶的排出流量，M为混合时间。,.,搅拌雷诺数NRe,在搅拌釜内，常以桨叶的端速ND作为定性速度，所以搅拌雷诺数定义为： NRe=Dv/DDN/ND2/ (5-1) 式中，D为桨叶直径，N为搅拌器转速，为流体的密度，为流体的粘度。 搅拌雷诺数不仅决定搅拌釜内流体流动的流态(层流、过渡流、湍流)，而且对搅拌器的特性和行为也有决定性作用。,.,图5-4为搅拌釜内流体的流态、动力循环和混合特性。 依雷诺数不同，釜内流体流动有不同的流态。,图5-4 搅拌釜内液流的流态、动力循环和混合特性曲线,.,A区间(NRe10) 液体
8、仅在桨叶附近呈滞流旋转流动，桨叶无液体吐出，釜内的其余部分为液体停滞区(即死角)。 B区间(NRe 10) 当雷诺数达数十时，自桨叶端开始有吐出流产生，并引起整个釜内流体的上下循环流动(可能尚存在四周死角)，此时处于层流。,.,C区间(NRe 1001000) 此时处于过渡流态，即在桨叶周围液体为湍流状态，上下循环流仍为滞流，随雷诺数增大，其湍动程度增大。 D区间(NRe 1000) 整个釜内的上下循环流动都处于湍流状态。 无挡板时会引起漩涡。 当桨叶直径D与釜径T之比D/T0.1时，釜内流体虽为湍流状态，但上下循环流不会遍及整个釜内，易出现死角。,.,由于搅拌桨叶特性与釜内流体的流态有密切关
9、系，在设计搅拌桨叶、釜型及釜内部构件时： 首先应使釜内没有死角，在釜内任何地方都有流体流动 很难做到！ 其次依操作目的，使釜内液体形成有效的流况和适当的流态 相对容易做到。,.,三、挡板与导流筒,1挡板 1.1打漩现象 当流体粘度不大，搅拌转速较高，且桨叶在釜的中心线时，液体将随桨叶漩转的方向循釜壁滑动，釜内液体在离心力作用下涌向釜壁，使液面沿釜壁上升，中心部分的液面下降，形成一个漩涡的现象。,图5-5打漩现象 俯视图 (b)侧视图,.,打漩时；液体只随桨叶旋转而不产生横向或垂直的上下运动，没有发生混合的机会。 随搅拌转速加大，漩涡中心下凹到与桨叶接触。此时，外面的空气可进入桨叶而被吸到液体中
10、，桨叶所接触的是密度较小的气液混合物，从而降低了搅拌效果。 搅拌轴偏心安装时，能减弱漩涡，提高轴向循环速率；但如果安装位置选择不当，会造成更大的打漩和反常漩涡，对搅拌轴造成危险的应力。,.,消除漩涡的方法,有效的方法之一是在釜内安装挡板。 通常安装四块挡板 挡板的宽度为釜径的1/10-1/12。 若搅拌浆料时，挡板与釜壁之间应留一定的空隙，以防止固体物料的沉积。,图5-6 安装挡板后的流况,.,挡板的主要作用,一、使流况从主要是生成涡流或漩涡的旋转流，改变为对混合有利的垂直流动，也即将切线流动转变为轴向流动或径向流动，这对于增强釜内液体的对流扩散、轴向流动和径向流动都有效； 二、增大被搅拌液体
11、的湍动程度，从而改善搅拌效果。如有必要，挡板可以制成空心状(内冷挡板)，内部能通传热介质，这样既可改善搅拌效果又能增加传热而积。,.,挡板的其它形式： 如在釜中垂直安装的换热管、温度计套管也能起挡板的作用，但不及通常的挡板有效。 螺旋形蛇管也能产生有限的挡板效应，这种效应因装设蛇管的垂直支撑构件而略有增加，但往往还需要另装挡板。,.,2导流筒,另一种消除漩涡的方法是使用导流筒。 图5-7表示导流筒的安装方式及流动情况。,图5-7 导流筒安装方式 (a)螺旋桨导流筒 (b)透平桨导流筒,.,导流筒的安装,对于推进式搅拌器，导流筒套在桨叶的外面。 对于涡轮式搅拌器，导流筒置于桨叶的上方。 如搅拌釜
12、内有紧密卷绕的蛇管也可起导流筒的作用。 一般导流筒须将搅拌釜截面分成面积相等的两部分。 即：导流筒的直径约为釜径的70。,.,设置导流筒的作用,1.可提高釜内流体的搅拌强度，加强桨叶对流体的直接剪切作用。 2.造成一定的循环流型，使釜内所有物料均可通过导流筒内的强烈混合区，提高混合效率。 3. 限定循环路径，减少短路机会。,.,第三节 搅拌器的构形及选择,一、搅拌器的构形（分类） 搅拌器是实现搅拌操作的设备总称，从不同角度可有不同的分类方法。 按桨叶构形可分为 桨式 涡轮式(透平) 推进式(螺旋桨) 螺杆(螺轴) 螺带式等形式。,.,按物料流动的流况可分为 径向流动型 轴向流动型 按搅拌功能又
13、可分为 液体混合或乳化型 固体颗粒悬浮型 气-液接触型 化学反应型 传热型等形式。 在化工操作中，一般按桨叶的构形加以分类。,.,主要搅拌器桨叶构形（一）,.,.,主要搅拌器桨叶构形（二）,图5-9 三叶后掠式及布鲁马金式桨叶构形,.,2桨式搅拌器,凡桨叶的构形为平桨、斜桨、锚形桨或框形桨者均属桨式搅拌器。 其特点是结构简单、转速低、桨叶面积大。 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，主要形成水平液流，搅动不激烈。 为增加轴向流动，可将平桨倾斜一定角度而成斜桨，此时桨叶面与轴不平行，旋转时液流除形成切向流动外，还形成向上或向下的垂直液流，搅拌较激烈。,.,桨式搅拌器的特点,平
14、桨或斜桨的剪切作用较强，桨叶的转速通常为20200转/分。 适用于粘度为0.1102Pas的液体搅拌。 在无挡板条件下，转速高时会形成漩涡。 对于高粘度液体的搅拌，可按照釜底部的形状把桨式搅拌器做成锚式或框式。 这种桨叶与釜壁的间隙小，一般桨径与釜径之比为0.95。,.,桨式搅拌器的特点,高粘液体的搅拌，需要转速低、剪切作用小，但要求搅动范围很大，不易产生死区。 对必须通过釜壁传热的情况，可利用桨叶的刮扫作用来防止搅拌器与釜壁之间产生滞流层，从而促进传热 宜采用锚式或框式搅拌器。 当粘度高于103Pas时，由于功率消耗太大，一般就不宜采用锚式或框式搅拌器。,.,2推进式搅拌器,标准的推进式搅拌
15、桨有三瓣叶片，其螺距S与桨径D相等。 搅拌时，流体的流况复杂：液体由桨叶上方吸入，从下方以圆筒状螺旋形排出，即驱使流体向下流动，轴向分速度使液体沿轴向流动，待流至釜底再沿壁折回返至螺旋桨上方，形成轴向循环流动，同时，也存在部分径向液流。 推进式桨叶造成流动的湍流程度不高，但循环量大，无挡板时，也会形成漩涡。,.,2推进式搅拌器,推进式桨叶直径较小，通常采用较小的D/T比，直径一般不大于0.4m。 推进式搅拌器的优点是结构简单，制造方便。 适用于液体粘度低，液量大的液体搅拌，利用较小的搅拌功率通过高速转动的桨叶获得较好的搅拌效果。 推进式搅拌器的剪切作用不大，循环性能好，属于循环型搅拌器。,.,
16、3.涡轮式搅拌器,又称透平搅拌器，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液体，桨叶形式很多，有开式和闭式两大类。 根据桨叶叶片的形状和位置，又有 平直叶片 弯曲叶片 倾斜叶片 圆盘平直叶片 圆盘弯叶 圆盘斜叶等。,.,涡轮式搅拌器的特点,从流动情况看，涡轮式搅拌器像一只无泵壳的离心泵。 物料被抽吸后，在离心力作用下，液体作切向和径向流动，并以很高的绝对速度从出口冲出。 出口液体的径向分速度使液体流向壁面，然后分成上、下两路回流入搅拌桨叶，形成径向流况的循环流动，径向流动与釜壁和转轴垂直，并在釜壁附近折转为向上、下垂直流动。 既有垂直液流，又有径向液流，使液体有良好的从顶到底的翻转运动，有利于混合。,.,涡轮式搅拌器的特点,涡轮式搅拌器的剪切力较大，可使液体微团分散得很细，适用于 低粘到中粘液体的混合 液-液分散 液-固悬浮及促进良好的传热、传质或化学反应。 弯叶（指叶片朝着流动方向弯曲）可降低功率消耗，适用于含有易碎固体颗粒的液体搅拌。,.,涡轮式搅拌器的特点,斜桨涡轮的排液能力较小，但由于旋转时产生的轴向流动分量，有助于固体
