第四章液体的搅拌

《第四章液体的搅拌》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第四章液体的搅拌（63页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第四章 液体的搅拌2008.9.5第一节 概述一、搅拌的用途使两种或多种互溶的液体分散 不互溶的液体之间的分散与混合气体与液体的混合使固体颗粒悬浮于液体之中加速化学反应、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。 实现搅拌操作的方式有很多，包括 静态混合以及管道混合机械搅拌气流搅拌射流搅拌二、机械搅拌装置辅助部件，如密封装置、支架、槽 壁上的挡板等常用的机械搅拌装置由一下几个部分组成盛装被搅拌液体的容器，即搅拌槽一根旋转中心轴及安装在轴上的推 动器，即搅拌器搅拌

2、操作的效果和消耗的功率，不仅取决于叶轮的形状、大小和转速，也取决于被搅拌液体的特性，搅拌槽的形状和大小以及槽壁上有无挡板等因素。搅拌槽是盛放搅拌器和被搅拌物料的 容器，一般为直立的圆形槽，槽底形状应 有利于流线型流动为宜，以减少功率消耗 。通常选择蝶型底，避免使用锥形底，否 则，易使液体停滞或使悬浮着的固体聚积 。方形槽和有棱角的槽，因在拐角出也易 使液体停滞，都应当避免。最小液体深 度/m0 0.30.3 1.51.5 33 4.54.5 6槽径与液体 深度的最大 比值值23457槽中所盛液体深度一般与槽径相等，对于浅槽推荐下列极限值：三、常见搅拌器的类型搅拌器是机械搅拌装置的主要组成部 分

3、，由电机直接带动或者通过减速装置传 动，在液体中做旋转运动，使液体在搅拌 槽内产生高度湍动。同时，产生的高速液 流又推动全部液体沿着一定途径在槽内做 循环流动。 针对不同的物料系统和不同的搅拌目 的，出现了许多结构形式的叶轮。轴向流式径向流式螺带式 螺旋桨式锚式和框式 涡轮式平直叶片桨式第二节 混合机理主体对流扩散：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。 分子扩散：在分子尺度的空间内进行湍流扩散：由旋涡分裂运动引起，在 涡旋尺度(微团)空间内进行。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

4、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105107倍， 湍流搅拌中，湍流混合占主导作用。1、均相物系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。1）低粘度液体的混合机理：2）高粘度液体的混合机理在湍流区域，叶轮效率差。在滞流

5、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。 2、非均相物系的混合机理一相为分散相(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。1）不互溶的液-液体系统液滴的分散、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。 2）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-

6、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。 3）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。

7、第三节 搅拌器的性能一、搅拌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。 这里讨论的是以混合指数I表示的搅拌效果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： 当CACA0 若取 n 个样品，则平均混合百分数为 2、搅拌器操作与搅拌的附件1）“打旋”现象2）“打旋”现象的后果液体只是随着叶轮团团转而不产生 横向或垂直的上下运动，没有产生混 合的机会。叶轮周围的液体下降，形成一个漩 涡，旋转速度越大，漩涡中心向下凹的 程度越深，最后可凹到与叶轮接触。导 致搅拌功率下降。打旋时功率的波动会引起异常的作用

8、力，易使转轴受损，加剧搅拌器的振动，甚至使它无法继续操作。对混合不利。3）打旋的解决办法安装垂直挡板搅拌器偏心倾斜安装使用导流筒3、标准搅拌装置构型搅拌器标准构型的说明叶轮是具有6个平片的涡轮式， 叶片安装在一个直径为r的中心圆盘 上；叶轮的叶片宽度W0.2d；叶轮直径d等于搅拌槽直径D的1/3叶轮距槽底的高度为Hi1.0d搅拌器标准构型的说明挡板宽度Wb0.1D 。叶轮叶片的长度L0.25d液体深度H1.0D挡板数目为4，垂直安装在槽壁上， 并从槽底延伸到液面之上注意上述标准构型在某些场合中并非最为 适用。例如，对于固体含量很高或粘度很 高的液体，可能就不适用。又如，若液体 的深度有改变，可

9、能要求叶轮接近槽底； 若液体深度大于槽径的1.25倍，则应使用多个叶轮。4、搅拌槽内的液体循环量和压头1）叶轮排液量和流体循环量搅拌槽内从叶轮直接排出的液体体积 流量，称为叶轮的排液量。参与循环流动的液体的体积流量，称 为循环量。对于几何相似的叶轮，其排液量Q1、 叶轮直接d和转速n之间存在如下关系：与排液量类似，循环量同样也有如下关系 2）叶轮的压头在搅拌槽的闭路循环中，叶轮提供 给单位重量流体的能量即为叶轮的压头 。与离心泵的压头类似，用动压头的倍 数来表示压头。液体离开叶轮的速度可 表示为，于是压头可表示为：H的数值可以量度槽内涡流运动的强度，而涡流产生于流体中的剪切作用。因 此，压头H

10、也是流体受到剪切作用程度的量度。3）Q/H对搅拌效果的影响与离心泵的功率计算类似，搅拌器叶轮所消耗的功率 。即叶轮的搅拌功率与槽内的剪切流动和循环流动有关系。在等功率情况下流量和压头的比，即 Q/H（不严格情况下，近似为Q1/H），对搅拌效果有重要意义。当N一定时，由上述两式知：功率消耗相等的条件 下，采用低转速、大直径叶轮，可以增大 流体的循环量和循环速度，同时减小流体 受到剪切作用，更多的功率消耗于总体流 动上。反之，采用高转速、小直径叶轮， 则更多的功率消耗在涡流运动上，增加了 流体受到剪切作用，减小了流体的循环量 。小结1、搅拌器的用途4、均相、非均相2、搅拌装置的结构以及各种叶 轮的

11、形式3、混合机理6、混合指数I、打旋现象及其解决办法、搅拌装置的标准构型、液体循环量与压头以及它们对搅拌效果的影响。 5、搅拌器的性能轴向流式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 径向流式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。 螺旋桨式通用尺寸及叶片端部 速度： S/d=1 ； Z=3 ； 一般515m/s，最大 25m/s S：螺距；d：搅拌器 直径； z：桨叶数直径

12、小、转速高、 流量大、压头低 螺带式通用尺寸及叶片 端部速度： S/d=1 ； B/d=0.1 z=12(z2指 双螺带)； 外缘尽可能与釜 内壁接近 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 平直叶片桨式通用尺寸及叶片 端部速度： d/B=410 ； Z=2；1.53 m/s d：搅拌桨直径 ； z：桨叶数； B：桨叶宽度叶片较长、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 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 与釜内壁距离； 0.5-1.5 m/s 旋转半径更

13、大 ，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 涡轮式开启平 直叶 d/B5 8； z6 ； 38m/s开启弯叶 d/B58； z6； 38m/s圆盘平直叶 D:L:B20:5:4；z6 ； 38m/s圆盘弯叶 D:L:B20:5:4；z6； 38m/s涡轮式的特点：转 速高，叶片宽，与 螺旋桨式比较流量 小、压头高 安装垂直挡板挡板数要适宜，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。实践证明，安装4块宽度为槽径的1/10的均布挡板，可以完全消除“打旋”现象。这种装有适宜数目挡板的槽子称为“完 全挡

14、板化”的槽。 这种达到“完全挡板化”的条件称为“标 准挡板条件”。 挡板除了可以消除“打旋”现象外，还 可增大被搅动液体的湍动程度，从而改善 搅拌效果。 安装挡板时，挡板顶端应露出液面， 下端应通到槽底。 搅拌器偏心倾斜安装对于小容器，可在偏心或偏心且与垂 直轴倾斜一定角度的位置上安装叶轮；对 于打容器，则可在容器下部偏心水平位置 上安装搅拌器，借以破坏循环回路的对称 性。如下图所示。螺旋桨式通常采用此法 。 使用导流筒导流筒的作用在于能提高对筒内液体 的搅拌程度，加强了叶轮对液体的直接机 械剪切作用，同时又确立了充分的循环流 型，使槽内所有物料均可通过导流筒内的 强烈混合区，提高了混合效率。另外由于 限制了循环路径，减少了短路的机会。螺旋桨式叶轮的导流筒套在叶轮外面 ；涡轮搅拌器的导流筒置于叶轮上方。导流筒的尺寸需根据具体化工过程的特 殊要求决定。一般，导流筒需将槽截面 分成面积相等的两部分，即导流筒的直 径约为搅拌槽直径的70。