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1、自强不息 知行合一自强不息 知行合一第四章第四章搅搅 拌拌（STIRRING）4.1 概述4.2 搅拌设备 搅拌设备结构（组成） 搅拌的基本流型与型态 搅拌的基本搅拌浆型 搅拌器的结构变化 搅拌模式的变化4.3 搅拌功率4.4 搅拌应用实例自强不息 知行合一(1) (1) 搅拌的定义：搅拌的定义： 使两种或多种物料进行混合的操作。使两种或多种物料进行混合的操作。 以液体为主体的搅拌操作，常常将被搅拌物料分为液以液体为主体的搅拌操作，常常将被搅拌物料分为液- -液、气液、气- -液、固液、固- -液、气液、气- -液液- -固等四种情况。搅拌既可以是一种独立的流体力学范畴的单元固等四种情况。搅拌
2、既可以是一种独立的流体力学范畴的单元操作，以促进混合为主要目的，如进行液操作，以促进混合为主要目的，如进行液- -液混合、固液混合、固- -液悬浮、气液悬浮、气- -液分散、液分散、液液- -液分散和液液分散和液- -液乳化等；又往往是完成其他单元操作的必要手段，以促液乳化等；又往往是完成其他单元操作的必要手段，以促进传热、传质、化学反应为主要目的，如在搅拌设备内进行流体的加热与进传热、传质、化学反应为主要目的，如在搅拌设备内进行流体的加热与冷却、萃取、吸收、溶解、结晶、聚合等操作。冷却、萃取、吸收、溶解、结晶、聚合等操作。4.14.14.14.1概述概述概述概述(2) (2) 搅拌分类：搅拌
3、分类：l使两种或多种互溶的液体分散使两种或多种互溶的液体分散l液液-液体系的分散与混合（萃取、金渣）液体系的分散与混合（萃取、金渣）l气气-液体系的分散与混合液体系的分散与混合(气泡微细化、吸收、精炼气泡微细化、吸收、精炼)l固固-液体系的分散与混合液体系的分散与混合(悬浮液、种分、悬浮液、种分、KR脱硫等脱硫等)l气气-液液-固系的分散与混合（碳化过程）固系的分散与混合（碳化过程）l加速化学反应、传热、传质等过程的进行。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，例如用氧化铝种分过程中，搅拌使氢氧化搅拌可以同时达到几个目的，例如用氧化铝种分过程中，搅拌使氢氧化铝精种颗粒
4、和生成的氢氧化铝晶体悬浮于液体之中，同时又加速了化学反铝精种颗粒和生成的氢氧化铝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。应、传热、传质过程的进行。自强不息 知行合一l使物料混合均匀使物料混合均匀l强化传热、传质强化传热、传质使气体在液相中很好地分散使气体在液相中很好地分散使固体粒子（如催化剂）在液相中均匀地悬浮使固体粒子（如催化剂）在液相中均匀地悬浮使不相溶的另一液相均匀悬浮使不相溶的另一液相均匀悬浮强化相间的传质（如吸收等）强化相间的传质（如吸收等）强化传热强化传热(3)(3)搅拌方式：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。机械搅拌、气流搅拌
5、、射流搅拌、静态混合、管道混合等。(4)(4)搅拌的作用：搅拌的作用：自强不息 知行合一槽槽 体体- 通常为圆筒形，底有平的、椭圆的，通常为圆筒形，底有平的、椭圆的， 锥形底和方槽因不利于流动不大采用。锥形底和方槽因不利于流动不大采用。搅搅 拌拌 桨桨- 核心部件核心部件驱动装置驱动装置-通常由交流电机、齿轮减速机或通常由交流电机、齿轮减速机或 皮带轮减速装置构成，使搅拌桨皮带轮减速装置构成，使搅拌桨 达到规定的转速。达到规定的转速。内部构件内部构件-挡板或导流筒挡板或导流筒图4.1搅拌设备结构图4.2 4.2 搅拌设备搅拌设备4.2.1 4.2.1 搅拌设备结构搅拌设备结构自强不息 知行合一
6、轴向流 (Axial-flow)液体在搅拌槽内形成的总体流动为轴向和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。槽内的传热等。螺旋桨式：直径小、转速高、流量大、压头低。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，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。适于高粘度液体的搅拌。 4.2.2 4.2.2 搅拌的基本流型与型态搅拌的基本流型与型态4.2 轴向流自强
7、不息 知行合一径向流 (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、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沉积现象。4.3 径向流切向流 (Tangentialflow)液体在离心力作用下涌向器壁，中心部分液面液
8、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，形成的旋涡越下降，形成一个大旋涡。转速越高，形成的旋涡越深。深。 有效容积降低，且几乎不产生轴向混合，搅拌有效容积降低，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，使效果下降。严重时出现负压，从表面吸入空气，使搅拌器不能正常操作。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。的混合性能。4.4 切向流搅拌槽内流体流动型态搅拌槽内流体流动型态流动
9、型态判定参数：搅拌雷诺数流动型态判定参数：搅拌雷诺数D-搅叶轮直径，搅叶轮直径，m； 、 -物料密度物料密度kg/m3、黏度、黏度kg/m s；n-搅拌桨转速，搅拌桨转速，1/s。式中：式中：nD-桨叶的叶端速度桨叶的叶端速度例如：标准六直叶涡轮桨例如：标准六直叶涡轮桨 Re10 层流层流 Re104 湍流湍流 10Re104 过渡流过渡流-层流、湍流层流、湍流4.2.3 搅拌的基本搅拌浆型搅拌的基本搅拌浆型自强不息 知行合一挡板：挡板：为了防止打旋现象的出现和加强湍流程度，在槽内安装档板档板。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。4.2.4 4.2.4 档板
10、、导流筒档板、导流筒档板、导流筒档板、导流筒导流筒导流筒：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。自强不息 知行合一4.2.4 4.2.4 基本搅拌模式的变化基本搅拌模式的变化基本搅拌模式的变化基本搅拌模式的变化 在无挡板槽中，搅拌桨偏心安装可以有在无挡板槽中，搅拌桨偏心安装可以有效地进行搅拌。效地进行搅拌。自强不息 知行合一泵出流量泵出流量 QQ：叶轮直接排出的液体体积流量，(m3/s或m3/h)。循环量循环量 QQ：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，QQ，有时大出几倍。在湍流区域
11、(Re103)：4.3.14.3.1搅拌槽内叶轮的泵出流量、压头及功率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 的平方成正比，而u nd，故4.3 4.3 搅拌功率搅拌功率自强不息 知行合一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
12、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。 自强不息 知行合一4.3.2 4.3.2 功率关联式及功率曲线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”构型搅拌装置自强不息 知行合一功率函数功率函数若将形状因子 S1, S2,Sn 考
13、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 = 自强不息 知行合一将将 或或 P0 与与 Re 标绘在双对数坐标上，就可得到功率曲线。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。对一具体几何构型只有一条功率曲线，与搅拌槽大小无关。Betas的的Np-Re关系曲线关系曲线四叶折叶涡轮的四叶折叶涡轮的Np-Re关系曲线关系曲线N自强不息 知行合一层流区：Re104过渡区：10Re300，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
14、册。自强不息 知行合一4.4 4.4 搅拌装置的放大搅拌装置的放大 (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。4.4.14.4.1搅拌装置的放大搅拌装置的放大 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 Re：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。自强不息
15、 知行合一问题：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：自强不息 知行合一4.4.24.4.2放大准则放大准则 (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。
16、适用于需要较高(H/Q)的操作。(3)保持雷诺数Re不变自强不息 知行合一(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。 某生物碱提取生产过程中需要用到的搅拌器，已在符合典型结构（有挡板）的模型试验中取得满意的结果；搅拌槽直径T0.225m，而生产规模T=2.7m。为进行逐级放大试验，分别又建造了两个较上一级模型为大的典型构型搅拌槽，用同样的料液进行实验，其尺寸及达到同样工艺效果时的转速见表。求生产装置设定的转速。搅拌槽号槽径/T叶轮直径/m转速/r.min-11230.2250.4
17、50.900.0750.150.301275632320例题例题4-14-解：为了找出在放大中保持数值恒定的放大判据，对提出的五个判据用实验 数据进行分析，因有挡板，故可不考虑Fr准数，对余下的四个判据的分析如下搅拌槽号D2nDn2DnD2n31237.214.228.812.21045.991043.0710495.694.896.011.71065.681062.95106可见，Dn不变，即应保持叶轮末端的切线速度不变，故在生产中直径为2.7m时，对符合标准构型的搅拌器，其直径 d=2.7/3=0.9(m)这时，叶轮转速应为： n=nD/D =12750.0750.9=106(r/min)
18、自强不息 知行合一操作目的搅拌物系搅拌效果表示法均匀混合调和均相互溶液系混合时间M或NM=N*M非均相分散液-液相系均匀分散（乳化）时间M；分散相液滴的比界面积a，或滴径分布，或平均滴径d32气-液相系均匀分散时间M；气泡的比界面积a，或气泡的平均直径dB和气泡直径分布固-液相系悬浮状态，悬浮临界转速Nc；悬浮固-液浓度或比表面积a非均相传质溶解（固-液相系）溶解速度或平均溶解速度以固体粒表面积为基准的液膜传质系数kc，总传质系数K萃取（液-液相系）萃取速度，萃取效率，液滴比表面积a；总容积传质系数Kv或液滴内（外）表面为基准的液膜传质系数kCd吸收（气-液相系）吸收速度，气泡比表面积a总容积
19、吸收系数Kv，膜传质系数kg，k1传热固-液相系传热速度Q（kJ/h）,单位容积传热速率Qv(kJ/m3.h)液膜传热系数L，总传热系数K4.5 4.5 搅拌应用实例搅拌应用实例4.5.14.5.1操作目的和搅拌效果表示法操作目的和搅拌效果表示法自强不息 知行合一4.5.2 不互溶的液-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
20、的保护胶和表面活性剂，可使液滴难于凝聚，液滴趋于均匀。自强不息 知行合一 不同转速对液体示踪剂分散效果的影响图不同转速对液体示踪剂分散效果的影响图液体示踪剂，我们用的是植物油，密度0.93g/cm3。1.转速越高分散效果越好，并且油滴的尺寸越小，分散区域也越广；2.液态示踪剂聚集于槽内上半部 5070100120150170液体示踪剂实验液体示踪剂实验自强不息 知行合一 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，易溢出液体表面；气-液搅拌器一般应选择产生强剪切作
21、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。 4.5.3 4.5.3 气气- -液系统液系统自强不息 知行合一 图4.22 脱硫率随气泡直径的变化曲线（S=20ppm）随着气泡尺寸的减小脱硫率显著提高铁水包数值模拟预测流场迹线，寻找气泡微细化的根源气气- -液机械搅拌实例液机械搅拌实例脱硫背景下的气泡微细脱硫背景下的气泡微细化研究化研究图 4.23 物理模拟实验装置简图 物理模拟实验水模型实验用搅拌桨水模型实验用搅拌桨自强不息 知行合一中心搅拌中心搅拌偏心搅拌偏心搅拌 中心搅拌与偏心搅拌气泡细化
22、与分散的静态图（100rpm）图 4.25 不同搅拌模式下的熔池内部的气泡分散状态图不同搅拌模式下熔池内部的气泡分散状态不同搅拌模式下熔池内部的气泡分散状态实验条件：四桨叶搅拌桨 ，搅拌桨直径22cm，转速100rpm，气体流量2.5m3/h，搅拌桨浸入深度28cm中心单向搅拌中心间歇搅拌转 3s， 停0.5s 中心双向搅拌正转3s， 反转3s 偏心单向搅拌自强不息 知行合一 脱硫率随气泡直径的变化曲线（S=20ppm）随着气泡尺寸的减小脱硫率显著提高铁水包数值模拟预测流场迹线，寻找气泡微细化的根源脱硫背景下的气泡微细化脱硫背景下的气泡微细化研究研究水模型实验用搅拌桨水模型实验用搅拌桨水模型实
23、验自强不息 知行合一 图4.26 中心搅拌与偏心搅拌的模拟流场迹线图（100rpm）熔池内流场迹线图熔池内流场迹线图中心搅拌偏心搅拌自强不息 知行合一 300t铁水包内中心搅拌与偏心搅拌的模拟流场迹线图（100rpm）脱硫背景下的气泡微细化研究脱硫背景下的气泡微细化研究自强不息 知行合一研究属湍流（低粘流体）研究，故代表性的选取DT-6桨（径向桨）和CBY桨（轴向桨）两种桨型 （a）DT-6桨 （b）CBY桨图4.27 两种桨型外观图无导流桶，CBY在上无导流桶，CBY在下气气- -液体系双层桨搅拌研究液体系双层桨搅拌研究 火法炼铜中的氧气底吹熔炼是一种熔池熔炼技术，原料从底吹炉顶部加入，高压
24、富氧空气以近音速从底部氧枪口射流射流喷出，与熔池作用形成细小的气泡，推动高温熔体向上和两侧循环翻滚，并使熔体与气泡之间充分接触混合。该方法具有更为优越的传质、传热功能，喷入氧气得到极高的利用率。图4.28 底吹射流熔池内部流场迹线图 气气- -液体系气体搅拌液体系气体搅拌( (射流射流) )研究研究图4.29 氧气底吹熔炼炉水模型及所用到的喷嘴 图4.30 底吹炉水模型不同直径喷嘴的射流喷吹不同直径喷嘴的射流喷吹不同直径喷嘴的射流喷吹直径2.5mm直径3.0mm直径3.5mm直径4.0mm直径 1倍声速 1.3倍声速 1.6倍声速图4.31 底吹炉水模型不同速度的射流喷吹不同速度的射流喷吹不同
25、速度的射流喷吹底吹炉水模型双喷嘴14夹角对称喷吹射流实例自强不息 知行合一4.5.4 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，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。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悬浮临界转速：所有固体颗粒全部悬浮起来 ( (流化流化) ) 时的搅拌速度。它叶轮的大时的搅拌速度。它叶轮的大小和设计关系极大。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。实际操作中，搅拌转速必
26、须大于临界转速，保证固液两相的接触界面。 自强不息 知行合一种分槽的机械搅种分槽的机械搅拌拌物理水模型实验装置图数值模拟几何模型示意图晶种分解过程是精制的过饱和铝酸钠溶液在添加氢氧化铝晶种、降低分解度和不断搅拌的条件下分解析出Al(OH)3的过程，简称种分过程。它是拜耳法生产氧化铝的关键工序之一，它不仅影响产品氧化铝的数量和质量，而且直接影循环效率及其它工序。它的目的是为了得到质量良好的氢氧化铝和分子比值较高的种分母液，以提高拜耳法的循环效率。 标准Intermig桨 改进Intermig桨 图 标准和改进Intermig桨结构Intermig桨由主桨叶和副桨叶组成，副桨叶为双层。其特点是当搅
27、拌器旋转时，桨叶的根部和端部分别把流体向相反方向推进，促进流体形成轴向循环轴向循环。 属于混混流式搅拌器流式搅拌器。改进后Intermig桨主桨叶向下倾斜一定角度，同时下层副桨叶也有所加长，改进后混合效果大大提高自强不息 知行合一搅拌槽内固-液悬浮状态主要考虑两种状态：临界离底悬浮状态临界离底悬浮状态：通常指槽底部固体颗粒都处于运动状态,颗粒在槽底的停留时间不超过12秒。达到这一固体颗粒临界离底悬浮状态的转速为Njs。均匀悬浮状态均匀悬浮状态:由于搅拌槽内的流场在湍流状态下,随机性地充满着大小不等的漩涡,在槽内各点处若达到固体颗粒浓度完全相同是不可能的,通常是以平均固相浓度为基准,用各点的相对
28、浓度差表示,相对浓度差越小,越接近均匀悬浮状态。标准Intermig桨改进Intermig桨标准Intermig桨 改进Intermig桨搅拌槽底部氢氧化铝颗粒浓度数值模拟分布云图标准Intermig桨搅拌作用下，大量颗粒会在搅拌槽底部中心聚集；而改进后Intermig桨搅拌效果得到改善，底部颗粒分布十分均匀，这就避免了沉槽和底部结疤的发生。自强不息 知行合一b-50b-70b-100b-120b-150 不同转速对示踪粒子分散的影响（不同转速对示踪粒子分散的影响（a型桨）型桨）由图片分析得：由图片分析得：1.转速对示踪粒子分散效果的转速对示踪粒子分散效果的影响很大；影响很大；2.转速越大，粒
29、子分散越好；转速越大，粒子分散越好；3.速度也不宜过大速度也不宜过大固体示踪剂实验固体示踪剂实验自强不息 知行合一搅拌的反例搅拌的反例澄清室分离效果实拍图（a）不加搅拌（b）加搅拌 由上图可以看出，不加搅拌前澄清室一片浑浊，无法分辨有机相与水相。而增加搅拌以后澄清效果有了明显加强，可明显分辨出有机相和水相及两相混合带 。目前我国稀土生产企业使用的混合澄清槽中单级的澄清室与混合室体积比多在2.5：1以上，这是由于水相与有机相澄清分离过程中的推动力（仅依靠两相的密度差）不足导致两相分离时间过长而造成的。 针对以上问题，东北大学提出了“双搅拌新型高效澄清分离萃取槽”，即通过在澄清室中加入搅拌装置，利用搅拌过程的离心作用以及搅拌对水油相间包裹的破碎作用提高萃取过程水相与有机相的分离速率，从而提高单体设备的生产能力。三级双搅拌混合澄清槽（小）三级双搅拌混合澄清槽（放大）单级双搅拌混合澄清槽a 静置分离 b 搅拌分离
