液体搅拌与气体混合

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1、1,第 5 章,液体搅拌与气体混合,2,本章的学习目的与要求 1、掌握非牛顿流体间和气液混合体间的各种混合原理。 2、熟悉影响液体搅拌功率因素。 3、掌握乳化操作原理。 4、了解气液混合方法。,3,应用领域简介 食品生产过程和工艺中，涉及到不同物料的混合和搅拌，应用各种搅拌器和搅拌操作。 常见的搅拌操作目的可分5类： 互溶液体搅拌 指均相液体混合物的混合调配。搅拌可加速互溶液体扩散和化学反应的进行，如调酒。 互不相溶液体的接触混合 互不相溶液体相互接触，使一种液体在另一种液体中充分分散，增加接触面积，提高传质系数。如乳化。,4,气液接触 将气体溶于液体中，通过搅拌不均相气液混合。如碳酸饮料。

2、利用搅拌加强传热 通过搅拌提高容器内液体传热系数，使温度均匀。 有悬浮颗粒状固体的 液体搅拌 利用搅拌 使颗粒状固体不致沉 底。 搅拌釜是搅拌操 作的关键设备容器，,5,6,1、液体搅拌混合的基本原理,搅拌：就是使各种物料造成混合的操作。 混合：可理解为分散物料的混合。 搅拌与混合的关系：搅拌效果与混合效果有密切的关系，成正相关。 1.1 混合物的混合程度 1.1.1 调匀度 是指一种或几种组分的浓度或其他物理量和温度等在搅拌体系内的均匀性。,7,计算：设A和B两种样品，体积分别为VA和VB，置于容器中，则容器中样品A的平均体积分数为：,CVAO =,VA,VA+VB,式中： CvAo为一的平

3、均 体积分数，m3/m3。 物料A体积分数CVA。,调匀度（S）：各处取样，A的体积分数cVA都 等于cVAO，表明搅拌已达到完全均匀，当高于或 低于cVAO时，表示有偏差， S表示偏离度。,CVA,CVAO,S =,1- CVA,1- CVAO,S =,（ cVA cVAO）,（ cVA cVAO）,（ S1）,8,搅拌釜内样品平均调匀度： 调匀度是“宏观”的： 调匀度的计算是有局 限性的。取样范围大小 可能显示出很大差别， 还需其它指标。举例 样品量越大S越接近 1， 样品量越小S越接近 0， 1.1.2 混合物的分隔尺度 和分隔强度 分隔尺度和分隔强度也是反映混合度的尺度。,S =,S

4、1+ S 2 + S n,n,A,A,混合液样品,搅拌釜,B,B,9,分隔尺度：就是各种物料分散物的集中度， 是指混合物各个局部小区域体积的平均值。 就是分隔尺度，愈大表示物料分散情况愈差。 如：下图（a）（b）（c）。 分隔强度：是指混合物各个局部小区域的浓度与整个混合物的平均浓度的偏差的平均值。如果各种分散物可以互溶，或可部分互溶，则在被分散物料之间会产生扩散，此时，分散物料已不在是各种纯的物料，而是混合物，这些混合物与平均组成的差别就是分隔强度。愈大表示物料混合愈不充分。 如：下图（d）（L）。,10,11,“微观”的均匀，或称分子尺度的均匀是达到混合理想状态，是极限值。即分隔强度为零。

5、 计算：均方差或均方根差、标准差,=,n,1,（Ci-Cm）,2,S =,n-1,（Ci-C0）,2,1,式中；2、 S 2为均方差； Ci,Cm ,C0分别为混合物的取 样浓度、平均浓度真实值、 取样的平均浓度,2,2,均方差,标准差,均方根差,=,12,某一混合器对990kg食盐和10kg碳酸镁进行混合操作。经一定时间后，取10个样品进行分析，每个样品200g。分析结果，各试样碳酸镁含量为：2.30，1.72，1.63，1.73，2.10，1.82，2.32，2.20，2.10，2.13。求混合物的均方差、标准差。 解：各试样的百分组成 Ci 2.30/200=0.0115；0.0086；

6、0.00815；0.00865；0.0105；0.0091；0.0116；0.0105；0.0107 各试样的平均组成Cm=10g/990g+10g=0.01 均方差,例题5-1（371）,=,n,1,（Ci-Cm）,2,2,10,i=1,1,10,=,2,（0.0115 0.01） +,（0.0115 0.01 ）+,2,= 1.4810-6,作业：407P习题1,13,1.2 过程对混合程度的要求 物料搅拌的混合程度是人为决定的，可以要求物料混合程度按人们需要进行。不是越充分越好。 过程控制物料搅拌混合程度的影响因素 （1） 互溶液体的调和问题：生产上只要求调和“宏观”均匀。对分隔尺度无要

7、求。 （2） 两种互溶液体的快速反应：两种互溶液体的互溶，所以不存在相界面，但是存在着浓度差异，这种差异肉眼看不见，然而化学反应进行的速度与分隔尺度成反比，愈小反应愈快，所以搅拌可以提高反应速度。,14,（3）过程控制：由于A和B互溶，搅拌分散达到一定的调匀度和分隔尺度，此时不存在相界面，但存在浓度差，但化学反应只能在被分散到一定程度时，分子扩散速率达到一定时，才能完成。所以过程速率控制不是控制化学反应本身，而是取决于A和B分子扩散的快慢。所以图a反应速度小于b。,B,A,均相反应示意图,a,b,15,1.3 搅拌釜内液体的流动 1.3.1 总体流动和湍动 流体在管内流动方式有两种情况，一是流

8、 体质点沿管轴方向向前运动形成总体流动；另一种是做作着随即的脉动形成湍动。,湍动,16,总体流动和湍动的流动特点 总体流动特点：是流体以较大的尺寸运动，具有一定的方向性，流动范围较大。 湍流特点：是流体以很小的流体团尺度运动，运动不规律，运动距离很短。 在搅拌器内液体流动特点 搅拌器内液体流动主要是湍流状态，总体流动很小，是圆周方向的旋转流。离心作用使液平面呈中心 凹陷的碗形。使 部分浆叶搅拌气 体湍动效果差,应. 加以改进。,搅拌釜,搅拌流型,17,1.3.2 总体流动和湍动的混合机理 总体流动主要造成宏观上一定程度范围的调匀度。 湍动主要造成进一步降低分隔尺度， 分子扩散发生在互溶物料混合

9、过程中，可达到微观混合。 这三者同时交叉发生，共同达到混合目的。 1.4 混合的原理 多种物质的混合过程可以认为有 3种原理， （1）对流混合机理：对不相溶组分混合，由于混合器运动部件与物料做相对运动，分隔尺度逐渐下降，但物料内部不存在分子扩散现象。分隔强度不下降。,18,（2）扩散混合机理：对互溶组分混合，除对流混合机理外，随着混合过程进行，当混合物分隔尺度小至某值后，组分之间的接触面巨增，此时，混合过程变成以扩散为主。 （3）剪力混合机理：对高粘度液体混合，因流动性差，湍流形成不良，分子扩散过程不明显，此时混合主要作用是剪切，剪切使组分形成越来越小的料块，剪切的动力来自机械力量。 1.5

10、混合物的稳定性 混合物的稳定性：是指混合各组分分散后重新聚集的程度。,19,情况分析： 稳定: 分散后不发生重新聚集，或经过很长 时间才发生重新聚集。 较稳定: 分散后经较长的时间发生重新聚集。 不稳定: 分散后短时间或随即发生重新聚集。 通常，相溶液体混合物最稳定，固体与固体 混合物次之，不溶固体与液体，及互不相溶液 体之间稳定性较差。 1.6 混合速率 混合速率：是指混合过程中物料实际状态与其中组分达到完全随机分配状态之间的差异消失的速率。,20,将上式从混合开始的 值 积分至某时刻的 值，可得 用混合法对饲料强化维生素A，要求维生素A分布要十分均匀，达到2g/kg，混合2min后，取10

11、个样分析VA含量如下表，混合10min后，均方差值为0.03，假定混合终末均方差值很小可忽略，问达到均方差0.01，需多长时间？ 样品序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 VA含量/（g/kg）2.30 1.72 1.63 1.73 2.10 1.82 2.32 2.20 2.10 2.13,例题5-2（376）,d2,dt,= -k（ - ）,2,2,混合速率,式中： 2 为均方差； （- ）表示推动 力。K为混合速率系数， 与物料性质和混合器性 能有关。,2,2,0,2,2,-,=（ - ）e-kt,2,2,2,0,2,21,解：已知 =0，Cm=2.00（表中数据计），t=2m

12、in时的均方差 ： 计算和k 值：已知t=2min，2=0.059=20e-2k 代入t=10min时，2=0.03同样可得2 0.03=20e-10k 两式联立，20=0.0699；k=0.0848 计算后得22.9min。,2,=1/n（c-cm）=1/10 （ci-2.00） =0.059,2,2,2,0,2,2,-,=（ - ）e-kt,2,2,22,解：已知， t= 5 min时，2=0.0823； t= ？min时， 2=0.02。 Cm=40/60+40=0.4（份数），2=0 计算k 值： 已知t=5min，2=0.0823=20e-5k 代入t=x min时，2=0.02=2

13、0e-xk 两式联立： 0.02exk = 0.0823e5k,作业：407P习题2,0,2,2,-,=（ - ）e-kt,2,2,23,2、搅拌器的性能,24,2.1 搅拌器的分类 2.1.1 桨叶式 一种结构简单，桨叶数较 少的，为扁钢锻造成型。桨 叶有平直叶和折叶两种。,1、桨式搅拌器主要用于流体的循 环，不能用于气液分散操作。 2、折叶式比平直叶式功耗少，操 作费用低，故折叶桨使用较多。,25,2.1.2 旋桨式 搅拌器形状类似于飞机和轮 船的螺旋桨，常由三叶组成。,推进式搅拌器的特点 轴向流搅拌器，循环量大、搅拌功率小， 常用于低粘流体的搅拌，结构简单、制 造方便。,26,2.1.3

14、 涡轮式（推进式） 通常由六叶构成，有开启式、带叶 片圆盘式和弯曲叶片。习惯上将四桨以 下称桨式，将四桨以上称 涡轮式。,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。,27,2.1.4 锚式和框式 锚式和框式搅拌器的直径 很大，其外缘形状根据釜内 壁形状而定。,5-5,框式搅拌器,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。,28,2.1.5 螺带式 这种搅拌器专用于高粘度液体的搅拌。形状由一定螺距的旋转形钢带

15、制成。这种搅拌器转数低，应用于容易粘附在壁上的场合。,29,30,2.2 搅拌设备的其他结构问题 增加搅拌力度，除了搅拌器外，还可有其它结构。 （1）挡板：在釜壁处装置四块垂直挡板，有利于搅拌，作用是阻挡液体因搅拌器的转动而随之旋转。 （2）夹套和蛇管：搅拌过程 如伴传热，在外可用夹套、 在内壁可用蛇管来增加传热。 蛇管也有挡板的作用。 （3）搅拌器插入方式：通常 是垂直插入，也可以水平或 倾斜一定角度插入。,5-9,31,（4）搅拌器层数：对于较大的搅拌釜，为了避免“死角”，可采用多层搅拌器。 2.3 常用的机械搅拌装置,5-9,32,2.5 搅拌器的液体循环量与压头 叶轮旋转时，产生离心力，使液体产生压头而消耗功率。体积流量、压头、功率间的关系为： N=QHg 另 H=,N功率；Q体积流量；H 压头； 液体密度；g 重力加速度。,2g,u2,u为液体线速度,33,2.5 搅拌器的选型 根据不同的需要选择不同的搅拌器。 2.5.1 选型原则 （1）互溶液体的调和：因互溶液体，其调匀度主要通过总体流动达到。 （2）两种互溶液体的快速反应：快速反应要求互溶液体的分隔尺度小，所以要加强湍流，湍流是过程的控制因素。 （3）传热过程：提高传热系数主要靠提高流过传热面的总体流动速度，所