第五章、搅拌聚合釜内流体的流动与混合课件
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第五章搅拌聚合釜内流体的流动与混合课件
2024年8月3日星期六
2024年8月3日星期六
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微观流动是指流体以小尺寸(小气泡、液滴分散 成更小的液滴)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，它促使气泡、液滴的细微化 最后由于分子扩散达到微观混合。 微观流动的作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是微观流动作用 最强烈处。微观流动也称剪切流动，它促使液 体细微化达到分散作用。
框式搅拌器直径较大，一般取反应器内径的2/3～9/10， 50～70r／min。框式搅拌器与釜壁间隙较小，有利于传 热过程的进行，快速旋转时，搅拌器叶片所带动的液体 把静止层从反应釜壁上带下来；慢速旋转时，有刮板的 搅拌器能产生良好的热传导。这类搅拌器常用于传热、 晶析操作和高粘度液体、高浓度淤浆和沉降性淤浆的搅 拌。
2024年8月3日星期六
搅拌器的分类
按流体流动形态
轴向流搅拌器 径向流搅拌器
按搅拌器叶片结构
平叶 折叶
混合流搅拌器
螺旋面叶
按搅拌用途
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低粘流体用搅拌器 高粘流体用搅拌器
搅拌器的主要用途： 混合：使两种或多种互溶或不互溶液体技工艺要求 混合均匀，如溶液、悬浮液、乳化等的配制。 搅拌：使物料强烈地流动，以提高传热、传质速率 悬浮：使小固体颗粒在液体中均匀悬浮、防止沉降等。 以达到加速溶解、 分散：则使气体、液体在流体中充分分散成细小的气 泡或液滴，增加接触面，促进传质或化学反应，并满 足聚合物对粒度的要求。
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搅拌器的流型
轴向流
——液体轴向流入，轴向流出 特点：搅拌器叶片与旋转平面夹角小于90° 如：折叶桨、推进式搅拌器
搅拌聚合釜内流体的流动与混合
3至6级搅拌多是间歇反应所需要的搅拌程度。6级搅拌可将密度差 别小于0.6，粘度差别小于一万倍的液体混合均匀。可使沉降速度 小于1.2m/min的微量固体(含固量<1%)保持悬浮。液体粘度小时， 液面呈波浪形。
7至10级搅拌为要求很高的聚合釜等反应器所需要的搅拌程度。 10级搅拌可将密度差别小于1.0，粘度差别小于10万倍的液体混合 均匀。可使沉降速度小于1.8m/min的固体(含固量<2%)保持悬浮。 液体粘度较小时，液面产生大浪涛。
二、 搅拌器的选用 1. 基本要求 2. 一般考虑方法 3. 搅拌器类别选择的基本原则
⑴均相液体的混合
⑵非均相液体的混合——分散操作
⑶固体悬浮
⑷气体吸收及气液相反应
⑸高粘体系
5
第四节 搅拌功率的计算
• 计算搅拌器功率的目的
⑴ 搅拌功率是衡量搅拌强度的主要物理量
⑵ 搅拌功率是搅拌器机械设计的基本数据
⑶ 根据搅拌功率选用电机
• 搅拌器功率的组成
⑴ 搅拌器推动液体流动所需的能量——轴功率
⑵ 搅拌轴封所消耗的能量
填料密封时，为轴功率的10～15%
端面密封时，为轴功率的2%
⑶ 机械传动所消耗的能量（摩擦损失）
传动效率：0.8～0.95
6
一、 搅拌过程的因次分析和搅拌功率
因次分析(P153) 变量：搅拌器转速N、搅拌器桨叶直径D、液体密度、液体粘度、
方法
17
四、非牛顿流体的搅拌功率
宾汉流体（较少,如牙膏） 幂律流体或假塑性流体(Kn)→粘度可变 问题：难于确定釜内流体的粘度和计算搅拌功率 解决：Metzner表观粘度法→表观粘度a代替粘度 对象：非牛顿流体的搅拌功率的研究绝大多数是以层流为研究对象
7至10级搅拌为要求很高的聚合釜等反应器所需要的搅拌程度。 10级搅拌可将密度差别小于1.0，粘度差别小于10万倍的液体混合 均匀。可使沉降速度小于1.8m/min的固体(含固量<2%)保持悬浮。 液体粘度较小时，液面产生大浪涛。
二、 搅拌器的选用 1. 基本要求 2. 一般考虑方法 3. 搅拌器类别选择的基本原则
⑴均相液体的混合
⑵非均相液体的混合——分散操作
⑶固体悬浮
⑷气体吸收及气液相反应
⑸高粘体系
5
第四节 搅拌功率的计算
• 计算搅拌器功率的目的
⑴ 搅拌功率是衡量搅拌强度的主要物理量
⑵ 搅拌功率是搅拌器机械设计的基本数据
⑶ 根据搅拌功率选用电机
• 搅拌器功率的组成
⑴ 搅拌器推动液体流动所需的能量——轴功率
⑵ 搅拌轴封所消耗的能量
填料密封时，为轴功率的10～15%
端面密封时，为轴功率的2%
⑶ 机械传动所消耗的能量（摩擦损失）
传动效率：0.8～0.95
6
一、 搅拌过程的因次分析和搅拌功率
因次分析(P153) 变量：搅拌器转速N、搅拌器桨叶直径D、液体密度、液体粘度、
方法
17
四、非牛顿流体的搅拌功率
宾汉流体（较少,如牙膏） 幂律流体或假塑性流体(Kn)→粘度可变 问题：难于确定釜内流体的粘度和计算搅拌功率 解决：Metzner表观粘度法→表观粘度a代替粘度 对象：非牛顿流体的搅拌功率的研究绝大多数是以层流为研究对象
搅拌聚合釜内流体的流动与混合
04
搅拌聚合釜的设计与优 化
设计原则与要素
01
02
03
流体力学原则
确保釜内流体流动均匀， 避免死区和湍流，减少流 动阻力。
化学反应要求
满足化学反应对温度、压 力、混合度和反应时间的 需求。
机械强度与稳定性
保证搅拌器的机械强度和 整个聚合釜的稳定性。
优化目标与方法
1 2
提高混合效率
通过优化搅拌器的形状、转速和位置，减少混合 时间。
流动特性参数
流量
流量是搅拌聚合釜内流体流动的 一个重要参数，表示单位时间内 流过某一截面的流体量。流量的 大小直接影响聚合反应的效率。
流速
流速是指在搅拌聚合釜内某一截 面处流体的平均速度。流速的分 布和大小对聚合反应的混合效果 和传热传质过程有重要影响。
压力
压力是搅拌聚合釜内流体流动的 另一个重要参数，表示流体对容 器壁的压强。压力的变化对聚合 反应的稳定性有较大影响。
03
搅拌聚合釜内混合过程 与机理
混合过程简介
混合过程
搅拌聚合釜内的混合过程涉及流体在釜内的流动和分散，通过搅拌器的旋转产生流动场，使物料在釜内均匀分散 和混合。
流动特性
搅拌聚合釜内流体的流动特性包括流动类型、流动方向、流速分布等，这些特性对混合效果和生产效率有重要影 响。
混合机理研究
混合机理
研究搅拌聚合釜内流体的混合机理有助于深入了解混合过程的内在规律，从而优化搅拌器的设计和操 作参数。
安装位置
确保搅拌器安装在釜的中心位 置或合适的偏心位置，以实现 均匀的流体流动。
材料选择
选择耐腐蚀、耐高温、高硬度 的材料，以确保搅拌器的长期
稳定运行。
05
第五章 搅拌聚合釜内流体的流动与混合
推进式
螺带式
涡轮式
搅拌器的选择原则： 搅拌器的选择原则： 1。均相液体的混合（充分混合）：
慢速混合→桨式；快速混合→推进式或涡轮式。
2。非均相液体的混合（分散操作） 为保证液滴在釜内均匀的分散，要求有较大的局 部剪切作用和容积循环速率。应选用开式平直叶涡轮。 3。固体悬浮物 保证固体颗粒均匀分散和不沉降的主要控制因素：容积循 环速率及湍流强度。
循环流动
为主
＋
剪切流动
为主
循环型桨叶
剪切式桨叶
框式、螺带式、锚 式、桨式、推进式
径向涡轮式、 锯齿圆盘式
二、搅拌雷诺数与流态
Re = Duρ
µ
ND
端速
N Re =
Dvρ
µ
=
D ⋅ DN ⋅ ρ
µ
ρND 2 = µ
ρND 2 N Re = µ
P 动力特性（功率准数）： N P = ρN 3 D 5
πT 2 3.14 × 3.52 = 1.8 × = 17.26m 3 /min q 则排出的流量为： d = u 4 4
若选用推进式桨叶，取D/T=0.25:
D = 0.25T = 0.25 × 3.5 = 0.875m
首先假设为湍流操作，利用图5－17：
P = K1ρN 3 D 5
q=0
−1 N P = φ = KN Re
p q N p = KN Re ⋅ N Fr
P = K µN 2 D 3
NRe>300
q=
α − lg N Re β
例：在一直径为1.2m，液深为1.2m，内装有4块挡板 (BW/T=0.10)的反应釜内，反应液的密度为1300kg/m3，粘 度为13×10－3Pa•s，今用一三叶推进式搅拌器 (D=0.4m,S/D=1)以300转／分的转速进行搅拌，计算： (1) 搅拌轴功率消耗 (2) 若改用同样直径的六叶平直圆盘涡轮，转速不变，搅拌功 率是多少？ (3) 若釜内不设挡板，仍采用六叶平直圆盘涡轮时，其搅拌功 率是多少？ 解：
搅拌聚合釜内流体的流动与混合
B区间(NRe～l0) 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。
2020年5月9日星期六
C区间(NRe l00～1000) 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 动为滞流，随雷诺数增大，其湍动程度增大。
a-锚式
bc-框式 d-螺带式
2020年5月9日星期六
搅拌器的功能
提供工艺过程需要的能量和适宜的流动状态
1、通过自身的旋转 把机械能传递给流体， 形成桨叶附近高湍流 充分混合区。
2、推动流体沿一定 的路径在釜内循环流动， 形成不同的“流型”
2020年5月9日星期六
2020年5月9日星期六
第二节 搅拌釜内流体的流动状况
第一节 概 述
机械搅拌式 反应器
2020年5月9日星期六
机 械 搅 拌 反 应 器
2020年5月9日星期六
2020年5月9日星期六
2020年5月9日星期六
2020年5月9日星期六
筒体
搅拌容结构搅拌机密 搅封 拌装 器置
传动装置
其它结构
（ 支座、人孔、手孔、接管等）
2020年5月9日星期六
搅拌反应器应具有的要求：
(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)在高粘体系，可以更新表面，促使低分子物排除。 (5)加速物料的分散和合并，增大物质的传递速率。
2020年5月9日星期六
高粘度体系 由于体系的粘度很大，搅拌转速低，物
料处于层流状态，不可能有明显的局部 剪切作用。控制因素是容积循环速率及 低转速。
由于体系的粘度大，靠单一的径向流 和轴向流动已不能适应混合的需要，此 时需要有较大的面积推动力。随着粘度 的增大可依次选用下列搅拌器。
2020年5月9日星期六
C区间(NRe l00～1000) 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 动为滞流，随雷诺数增大，其湍动程度增大。
a-锚式
bc-框式 d-螺带式
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搅拌器的功能
提供工艺过程需要的能量和适宜的流动状态
1、通过自身的旋转 把机械能传递给流体， 形成桨叶附近高湍流 充分混合区。
2、推动流体沿一定 的路径在釜内循环流动， 形成不同的“流型”
2020年5月9日星期六
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第二节 搅拌釜内流体的流动状况
第一节 概 述
机械搅拌式 反应器
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机 械 搅 拌 反 应 器
2020年5月9日星期六
2020年5月9日星期六
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2020年5月9日星期六
筒体
搅拌容结构搅拌机密 搅封 拌装 器置
传动装置
其它结构
（ 支座、人孔、手孔、接管等）
2020年5月9日星期六
搅拌反应器应具有的要求：
(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)在高粘体系，可以更新表面，促使低分子物排除。 (5)加速物料的分散和合并，增大物质的传递速率。
2020年5月9日星期六
高粘度体系 由于体系的粘度很大，搅拌转速低，物
料处于层流状态，不可能有明显的局部 剪切作用。控制因素是容积循环速率及 低转速。
由于体系的粘度大，靠单一的径向流 和轴向流动已不能适应混合的需要，此 时需要有较大的面积推动力。随着粘度 的增大可依次选用下列搅拌器。
第五章 搅拌聚合釜内流体的流动与混合
搅拌器选用的一般原则： (1) 保证物料的混合； (2) 消耗最少的功率； (3) 所需费用最低； (4) 操作方便，易于制造和维修。
选择搅拌器的重要因素： 物料粘度和釜体容积；
由于非均相体系混合主要 控制因素是液滴的大小和 分散度，因此搅拌器控制 的重要对象是其循环量和 剪切量的合理调配。
搅拌器选型指南
NP
N
q Fr
0.32
P NPN3D5 0.321300300 603 0.45 0.53kW
（2）由图5-13曲线6查得φ=6.3，
NP 6.3
P NPN3D5 6.31300300 603 0.45 10.5kW
(3) 无挡板，NRe>300，有漩涡，查表5-2得 1.0, 40.0
在搅拌釜内进行流动的流体都存在循环流动与剪切 流动，惟二者的比重有所不同。
以循环流动为主的桨叶 称为循环型桨叶；
推进式
三斜窄叶涡轮式
以剪切流动为主的桨叶 称为剪切型桨叶；
平桨
5.2.2 搅拌雷诺数与流态
搅拌雷诺数是判定搅拌釜内流动形式的无因次准数。
定义为：
N Re
Dv
D DN
ND2
D区间 NRe 1000 湍流
搅拌釜内液流流态与特性曲线
N Re 对搅拌釜内的特性行为（准数）的影响在层流和过度流区
有决定性作用，在湍流区则影响不大。
搅拌雷诺数与搅拌特性行为准数的关系：
动力特性：功率准数 循环特性：排出流量数 混合特性：混合时间数 重力特性：弗鲁德准数 传热特性：努塞尔准数
NP
扫过的面积的乘积来计算，即：
qd Nqd ND3
（5-38）
式中 N qd 称为排出流量数或泵送准数，它包含了流体的流速
选择搅拌器的重要因素： 物料粘度和釜体容积；
由于非均相体系混合主要 控制因素是液滴的大小和 分散度，因此搅拌器控制 的重要对象是其循环量和 剪切量的合理调配。
搅拌器选型指南
NP
N
q Fr
0.32
P NPN3D5 0.321300300 603 0.45 0.53kW
（2）由图5-13曲线6查得φ=6.3，
NP 6.3
P NPN3D5 6.31300300 603 0.45 10.5kW
(3) 无挡板，NRe>300，有漩涡，查表5-2得 1.0, 40.0
在搅拌釜内进行流动的流体都存在循环流动与剪切 流动，惟二者的比重有所不同。
以循环流动为主的桨叶 称为循环型桨叶；
推进式
三斜窄叶涡轮式
以剪切流动为主的桨叶 称为剪切型桨叶；
平桨
5.2.2 搅拌雷诺数与流态
搅拌雷诺数是判定搅拌釜内流动形式的无因次准数。
定义为：
N Re
Dv
D DN
ND2
D区间 NRe 1000 湍流
搅拌釜内液流流态与特性曲线
N Re 对搅拌釜内的特性行为（准数）的影响在层流和过度流区
有决定性作用，在湍流区则影响不大。
搅拌雷诺数与搅拌特性行为准数的关系：
动力特性：功率准数 循环特性：排出流量数 混合特性：混合时间数 重力特性：弗鲁德准数 传热特性：努塞尔准数
NP
扫过的面积的乘积来计算，即：
qd Nqd ND3
（5-38）
式中 N qd 称为排出流量数或泵送准数，它包含了流体的流速
高 聚物合成工艺搅拌聚合釜内流体的流动与混合共78页
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26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
▪
27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
▪
28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
▪
29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇在明眼的跛子肩上。——叔本华
高 聚物合成工艺搅拌聚合釜内流体的 流动与混合
11、不为五斗米折腰。 12、芳菊开林耀，青松冠岩列。怀此 贞秀姿 ，卓为 霜下杰 。
13、归去来兮，田蜀将芜胡不归。 14、酒能祛百虑，菊为制颓龄。 15、春蚕收长丝，秋熟靡王税。
▪
第五章 搅拌聚合釜内流体的PPT课件
K B 0.35 全挡板
K B 0无挡板
K B 0 ~ 0.35部分挡板
21
挡板程度对搅拌功率的影响
Np(KB KBF )0.48 NPF
N NP P F F N N P P12.9(B WT)1.2nB2
三、非均相体系搅拌功率计算 1.气—液体系
lg P P o g 1(9 D T 2 )4 .3(8N2)D 0 .11 (D 5 g2)1 N .9(D 6T )(N q3)D
经验法
（3）幂指数ρ、q的计算
q lg NRe
（4）功率函数Φ的计算
（5）永田经验式 无档板，二叶搅拌浆
N pN A R eB (1 13 3 0 0 1 3 ..2 2 N N R R 0 0 ..6 6e e )6 6 P (H T )0 .3 b 5T(s)i1 .2 n
A 1 ( b 4 T ) 6( D 7 T 0 .6 ) 2 185
（3）减少流体短路
导流筒
导流筒
7
第二节 搅拌器的构形及选择
一、搅拌器的构形
1.浆式搅拌器
剪切 粘度0. 1~100Pa s ,平浆、斜浆。浆、釜径比
D/T=0.5~0.7，20~200/r min，叶速1.2~m2 / s
粘度1~100Pa s,锚式、框式。浆、釜径比D/T=0.95
8
2.涡流式搅拌器
B10 1 .3 4(bT 0 .5)21 .1D 4T
p1 .14 (bT)2 .5 (D T0 .5 )27(bT)4 20
有档板，二叶平浆
二叶平浆 二叶斜浆NRec b2T5(T D0.4)20.1(1bTb)T0.0048
NRe 104(1s in)NRec
第5章 搅拌聚合釜内流体的流动与混合
Polymerization Reaction Engineering; Hangzhou Normal University 29
一、搅拌器分类
2. 推进式搅拌器
常用于低粘度流体中，标准推进式搅拌器有三瓣叶片，其螺距与桨 直径d相等。推进式搅拌器搅拌时流体的湍流程度不高，但循环量大 推进式搅拌器结构简单制造方便，适用用于粘度低、流量大的场合， 循环性能好剪切作用不大，属于循环型搅拌器。 推进式搅拌器的直径较小，d/D=1/4-1/3，叶端速度一般为710m/s，最高达15m/s。
36搅拌目的挡板条件推荐形式流动状态互溶液体的混合及在其中进行化学反无挡板三叶折叶涡轮六叶折叶开启涡轮桨式圆盘涡轮湍流低粘流体有导流筒三叶折叶涡轮六叶折叶开启涡轮推进式有或无导流筒桨式螺杆式框式螺带式锚层流高粘流体固液相分散及在其中溶解和进行化学反应有或无挡板桨式六叶折叶开启式涡轮湍流低粘流体有导流筒三叶折叶涡轮六叶折叶开启涡轮推进式有或无导流筒螺带式螺杆式锚式层流高粘流体液液相分散互溶的液体及在其中强化传质和进行化学反应有挡板三叶折叶涡轮六叶折叶开启涡轮桨式圆盘涡轮式推进式湍流低粘流体搅拌目的与推荐的搅拌器形式37液液相分散不互溶的液体及在其中强化传质和进行化学反应有挡板圆盘涡轮六叶折叶开启涡轮湍流低粘流体有反射物三叶折叶涡轮有导流筒三叶折叶涡轮六叶折叶开启涡轮推进式有或无导流筒螺带式螺杆式锚式层流高粘流体气液相分散及在其中强化传质和进行化学反应有挡板圆盘涡轮闭式涡轮湍流低粘流体有反射物三叶折叶涡轮有导流筒三叶折叶涡轮六叶折叶开启涡轮推进式有导流筒螺杆式层流高粘流体无导流筒搅拌目的与推荐的搅拌器形式续polymerizationreactionengineering
Polymerization Reaction Engineering; Hangzhou Normal University 30
一、搅拌器分类
2. 推进式搅拌器
常用于低粘度流体中，标准推进式搅拌器有三瓣叶片，其螺距与桨 直径d相等。推进式搅拌器搅拌时流体的湍流程度不高，但循环量大 推进式搅拌器结构简单制造方便，适用用于粘度低、流量大的场合， 循环性能好剪切作用不大，属于循环型搅拌器。 推进式搅拌器的直径较小，d/D=1/4-1/3，叶端速度一般为710m/s，最高达15m/s。
36搅拌目的挡板条件推荐形式流动状态互溶液体的混合及在其中进行化学反无挡板三叶折叶涡轮六叶折叶开启涡轮桨式圆盘涡轮湍流低粘流体有导流筒三叶折叶涡轮六叶折叶开启涡轮推进式有或无导流筒桨式螺杆式框式螺带式锚层流高粘流体固液相分散及在其中溶解和进行化学反应有或无挡板桨式六叶折叶开启式涡轮湍流低粘流体有导流筒三叶折叶涡轮六叶折叶开启涡轮推进式有或无导流筒螺带式螺杆式锚式层流高粘流体液液相分散互溶的液体及在其中强化传质和进行化学反应有挡板三叶折叶涡轮六叶折叶开启涡轮桨式圆盘涡轮式推进式湍流低粘流体搅拌目的与推荐的搅拌器形式37液液相分散不互溶的液体及在其中强化传质和进行化学反应有挡板圆盘涡轮六叶折叶开启涡轮湍流低粘流体有反射物三叶折叶涡轮有导流筒三叶折叶涡轮六叶折叶开启涡轮推进式有或无导流筒螺带式螺杆式锚式层流高粘流体气液相分散及在其中强化传质和进行化学反应有挡板圆盘涡轮闭式涡轮湍流低粘流体有反射物三叶折叶涡轮有导流筒三叶折叶涡轮六叶折叶开启涡轮推进式有导流筒螺杆式层流高粘流体无导流筒搅拌目的与推荐的搅拌器形式续polymerizationreactionengineering
Polymerization Reaction Engineering; Hangzhou Normal University 30
第五章、搅拌聚合釜内流体的流动与混合课件
2020/8/16
挡板与导流筒 1．挡板
当流体粘度不大，搅拌转速较高，而且桨叶 放在釜的中心线时，液体将随着桨叶旋转的 方向循着釜壁滑动，釜内液体在离心力作用 下涌向釜壁，使液面沿袭壁上升，中心部分 的液面下降，形成一个漩涡，通常称打漩现 象。
2020/8/16
2020/8/16
打漩现象消除措施： a.搅拌轴偏心安装时，能减弱游涡，提 高 轴向循环速率; b.在釜内安装挡板可有效的消除游涡
B区间(NRe～l0) 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。
2020/8/16
C区间(NRe l00～1000) 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 动为滞流，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。 无挡板时会引起旋涡, 有挡板时整釜会处于湍流状态。 当桨叶直径 D与釜径T之比D／T＜0.1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。
2020/8/16
搅拌桨叶的动力特性、循环特性、混合特性， 分别用无因次准数表示。
2020/8/16
2020/8/16
2020/8/16
微观流动是指流体以小尺寸(小气泡、液滴分散 成更小的液滴)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，它促使气泡、液滴的细微化最 后由于分子扩散达到微观混合。 微观流动的作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是微观流动作用最 强烈处。微观流动也称剪切流动，它促使液体 细微化达到分散作用。
挡板与导流筒 1．挡板
当流体粘度不大，搅拌转速较高，而且桨叶 放在釜的中心线时，液体将随着桨叶旋转的 方向循着釜壁滑动，釜内液体在离心力作用 下涌向釜壁，使液面沿袭壁上升，中心部分 的液面下降，形成一个漩涡，通常称打漩现 象。
2020/8/16
2020/8/16
打漩现象消除措施： a.搅拌轴偏心安装时，能减弱游涡，提 高 轴向循环速率; b.在釜内安装挡板可有效的消除游涡
B区间(NRe～l0) 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。
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C区间(NRe l00～1000) 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 动为滞流，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。 无挡板时会引起旋涡, 有挡板时整釜会处于湍流状态。 当桨叶直径 D与釜径T之比D／T＜0.1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。
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搅拌桨叶的动力特性、循环特性、混合特性， 分别用无因次准数表示。
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微观流动是指流体以小尺寸(小气泡、液滴分散 成更小的液滴)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，它促使气泡、液滴的细微化最 后由于分子扩散达到微观混合。 微观流动的作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是微观流动作用最 强烈处。微观流动也称剪切流动，它促使液体 细微化达到分散作用。
第五章 搅拌聚合釜内流体
前进式(AR)
EKATO同轴
多臂行星式
真空乳化釜
新型卧式搅拌
HVR SCR 砂磨机
(三菱重工)
LIAS-AP
瑞士LIST全相型
BIVOLAK
(住友重机全相型)
CONTERNA
(德国连续 捏和机)
桨式搅拌器 (Paddle Agitator)
结构最简单 叶片用扁钢制成，焊 接或用螺栓固定在轮 毂上，叶片数是2、3 或4 片，叶片形式可 分为平直叶式和折叶
三种典型的流况：
径向流动 (Radial Flowing)
轴向流动 (Axial Flowing)
切线流动 (Tangential Flowing)
(a)径向流 (a) 径向流 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。
第五章
搅拌聚合釜内流体的流动与混合
Chapter 5 Flowing and Mixing of the Fluid in the Stirring Polymerization Autoclave
学习目的与意义 (Purpose and Significance)
物料的运动、热量的交换、物质的 传递总是与化学反应同时进行。 反应速率由浓度、温度、时间等决定； 流动与混合决定物料浓度、温度、停留
搅拌釜式反应器
搅拌釜式反应器
二、搅拌容器(Stirring Container) ⒈ 容器(Container) 作用(Function): 为物料反应提供合适的空间。 结构(Structure):
筒体—圆筒 封头—椭封应用最广 搅拌容器 接管—进出料/排气/控制点接管/传感器 换热元件—夹管/内盘管 小型:悬挂式 支座—考虑容器大小和安装位置 大型:裙式支承式
胶黏剂-第五章
4．锚式搅拌器
结构简单。 适用于粘度在100Pa·s 以下的流体搅拌，当流 体粘度在10～100Pa·s
时，可在锚式桨中间加
一横桨叶，即为框式搅
拌器，以增加容器中部
的混合。
图21 锚式搅拌器
第四十六页，编辑于星期六：五点 四十一分。
应用
锚式或框式桨叶的混合效果并不理想，只适用于对混合 要求不太高的场合。
– 控制回流的速度和方向。
– 加强浆叶对流体的直接 剪切作用；
– 限定流体循环路径。
– 提高混合效率。
第二十二页，编辑于星期六：五点 四十一分。
(a) 涡轮式或桨 式搅拌器
导流筒置于
桨叶的上方
(b)推进式搅拌器
导流筒套在桨 叶外面，或略
高于桨叶
图6 导流筒
第二十三页，编辑于星期六：五点 四十一分。
结构
通常导流筒上端低于静液面，筒身上开孔或槽，当 液面降落后流体仍可从孔或槽进入导流筒。
导流筒将搅拌容器截面分成面积相等的两部分，导 流筒直径约为容器直径的70%。
当搅拌器置于导流筒之下，且容器直径又较大时， 导流筒的下端直径应缩小，使下部开口小于搅拌器 的直径。
第二十四页，编辑于星期六：五点 四十一分。
第五章 搅拌聚合釜内流体的流动与混合
1、 搅拌器与流动特征
定义 搅拌器又称搅拌桨或搅拌叶轮，是搅拌反应器的关键 部件。
功能 提供过程所需要的能量和适宜的流动状态。 原理 搅拌器旋转时把机械能传递给流体，在搅拌器附近形
成高湍动的充分混合区，并产生一股高速射流推动液 体在搅拌容器内循环流动。 流型 流体循环流动的途径。
除中心安装的搅拌机外，还有偏心式、底插式、侧插 式、斜插式、卧式等安装方式，见图4.
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2．非均相液体的混合(分散操作) 混合的目的主要是使互不相溶的浓体能 良好地分散。为保证液体能分散成细滴， 要求搅拌器有较大的剪切力；为保证液滴 在釜内均匀地分散，要求有较大的容积循 环速率；所以非均相液体混合的主要控制 因素是液滴的大小(分散度)及容积循环速率。
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C区间(NRe l00～1000) 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 动为滞流，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。 无挡板时会引起旋涡, 有挡板时整釜会处于湍流状态。 当桨叶直径 D与釜径T之比D／T＜0.1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。
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搅拌桨叶的动力特性、循环特性、混合特性， 分别用无因次准数表示。
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挡板与导流筒 1．挡板 当流体粘度不大，搅拌转速较高，而且桨叶 放在釜的中心线时，液体将随着桨叶旋转的 方向循着釜壁滑动，釜内液体在离心力作用 下涌向釜壁，使液面沿袭壁上升，中心部分 的液面下降，形成一个漩涡，通常称打漩现 象。
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第二节
搅拌釜内流体的流动状况
流体的流动状况，简称流况，可以 定义为“在整个搅拌容器中流体速 度向量的方向”。 在搅拌釜中流体的流况可以分为两 个层次：宏观状况与微观状况，它 们对搅拌效果起着不同的作用。
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宏观状况流动也称为宏观流动，而微观状 况流动则称为微观流动。 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， 所以也称循环流动。 循环流动存在三种典型的流况，径向流动、 轴向流动、切线流动
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选用搅拌器原则： 1．均相液体的混合 均相液体的混合，主要控制因素是容积 循环速率假如对达到完全混合的时间没有 严格要求，任何一般类型的搅拌器都可选 用，当然，桨式搅拌器因结构简单可优先 予以考虑，但其混合效率稍差，如果要求 快速混合，则可选用推进式或涡轮式。
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搅拌反应器应具有的要求：
(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)在高粘体系，可以更新表面，促使低分子物排除。 (5)加速物料的分散和合并，增大物质的传递速率。
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高粘度体系 由于体系的粘度很大，搅拌转速低，物 料处于层流状态，不可能有明显的局部 剪切作用。控制因素是容积循环速率及 低转速。 由于体系的粘度大，靠单一的径向流 和轴向流动已不能适应混合的需要，此 时需要有较大的面积推动力。随着粘度 的增大可依次选用下列搅拌器。 推进式、锚式、螺杆、螺带、特殊型 高粘度搅拌器。
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● 导流筒的作用 导流筒作用---提高混合效率
一方面提高了对液体的搅拌程度，加强了搅 拌器对液体的直接机械剪切作用；另一方面由于 限定了液体的循环路径，确立了充分循环的流型， 使器内所有物料均能通过导流筒内的强烈混合区， 减少了走短路的机会。
● 导流筒的组成 导流筒是一个圆筒，安装在搅拌器的 外面。常用于推进式和涡轮式搅拌器。
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a-锚式bc-框式d-螺源自式2014年8月7日星期四
搅拌器的功能
提供工艺过程需要的能量和适宜的流动状态
1、通过自身的旋转 把机械能传递给流体， 形成桨叶附近高湍流 充分混合区。
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2、推动流体沿一定 的路径在釜内循环流动， 形成不同的“流型”
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螺杆式搅拌器
螺带式搅拌器
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框式和锚式搅拌器
框式搅拌器可视为桨式搅拌器的变形，其结构比较坚 固，搅动物料量大。如果这类搅拌器底部形状和反应釜 下封头形状相似时，通常称为锚式搅拌器。 框式搅拌器直径较大，一般取反应器内径的2/3～9/10， 50～70r／min。框式搅拌器与釜壁间隙较小，有利于传 热过程的进行，快速旋转时，搅拌器叶片所带动的液体 把静止层从反应釜壁上带下来；慢速旋转时，有刮板的 搅拌器能产生良好的热传导。这类搅拌器常用于传热、 晶析操作和高粘度液体、高浓度淤浆和沉降性淤浆的搅 拌。
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搅拌器的流型
轴向流
——液体轴向流入，轴向流出 特点：搅拌器叶片与旋转平面夹角小于90° 如：折叶桨、推进式搅拌器 ——液体轴向流入，径向流出 特点：搅拌器叶片与旋转平面夹角等于90° 如：平桨搅拌器 ——物料粘度较低而搅拌器旋转速度较高时，液 体围绕搅拌轴 作旋转运动。 发生旋转运动的区域称为“圆柱状回转区” 为消除圆柱状回转区，通常在釜内设置挡板。
(2)消耗最少的功率，
(3)所需费用最低， (4)操作方便，易于制造和维修。
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选用搅拌器时一般考虑方法为： (1)假如生产上对搅拌没有特殊要求，则可参照生产 时所使用的类似搅拌器经验地—选定。 (2)当生产过程对搅拌有严格的要求，且又无类似过 程的搅拌型式可供参考，则应对设备，工艺过程的操 作类别，搅拌的要求及经济性作全面的分析评价，找 到操作的主要控制因素，然后选择相适应的搅拌器型 式。 (3)对于过程开发或生产规模很大的工程，比较精确 可靠的方法是在一定的试验基础上，研究出最佳的搅 拌器桨叶形式、尺寸及操作条件，再用相似模拟放大 方法进行设计计算。
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锚式搅拌器
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框式搅拌器
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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。
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二、搅拌器的选用 搅拌器选用应满足下列要求： (1)保证物料的混合，
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桨式搅拌器 由桨叶、键、轴环、竖轴所组成。桨叶一般用扁钢或不锈钢或有色金属 制造。桨式搅拌器的转速较低，一般为20～80r／min。桨式搅拌器直径取 反应釜内径Di/3～2/3，桨叶不宜过长，当反应釜直径很大时采用两个或多 个桨叶。 桨式搅拌器适用于 流动性大、粘度小的 液体物料，也适用于 纤维状和结晶状的溶 解液，物料层很深时
2014年8月7日星期四
推进式搅拌器
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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
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螺带式搅拌器和螺杆式搅拌 器 螺带式搅拌器，常用扁钢按螺 旋形绕成，直径较大，常做成 几条紧贴釜内壁，与釜壁的间 隙很小，所以搅拌时能不断地 将粘于釜壁的沉积物刮下来。 螺带的高度通常取罐底至液面 的高度。 螺带式搅拌器和螺杆式搅 拌器的转速都较低，通常不超 过50r/min，产生以上下循环 流为主的流动，主要用于高粘 度液体的搅拌。
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推进式搅拌器 推进式搅拌器，搅拌时能使物 料在反应釜内循环流动，所起 作用以容积循环为主，剪切作 用较小，上下翻腾效果良好。 当需要有更大的流速时，反应 釜内设有导流筒。 推进式搅拌器直径约取反应釜 内径Di的1/4～1/3，300～600r ／min，搅拌器的材料常用铸铁 和铸钢。
径向流
切向流
2014年8月7日星期四
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微观流动是指流体以小尺寸(小气泡、液滴分散 成更小的液滴)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，它促使气泡、液滴的细微化最 后由于分子扩散达到微观混合。 微观流动的作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是微观流动作用最 强烈处。微观流动也称剪切流动，它促使液体 细微化达到分散作用。
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搅拌器的分类
按流体流动形态
轴向流搅拌器 径向流搅拌器 混合流搅拌器
平叶
按搅拌器叶片结构
折叶 螺旋面叶 低粘流体用搅拌器
按搅拌用途
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高粘流体用搅拌器
搅拌器的主要用途： 混合：使两种或多种互溶或不互溶液体技工艺要求 混合均匀，如溶液、悬浮液、乳化等的配制。 搅拌：使物料强烈地流动，以提高传热、传质速率 悬浮：使小固体颗粒在液体中均匀悬浮、防止沉降等。 以达到加速溶解、 分散：则使气体、液体在流体中充分分散成细小的气 泡或液滴，增加接触面，促进传质或化学反应，并满 足聚合物对粒度的要求。
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打漩现象消除措施： a.搅拌轴偏心安装时，能减弱游涡，提 高 轴向循环速率; b.在釜内安装挡板可有效的消除游涡
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◆ 挡板 挡板的作用是避免旋 涡现象，增大被搅拌液体 的湍流程度，将切向流动 变为轴向和径向流动，强 化反应器内液体的对流和 扩散，改善搅拌效果。
涡轮搅拌器的主要优点是当 能量消耗不大时，搅拌效率 较高，搅拌产生很强的径向 流。因此它适用于乳浊液、 悬浮液等。
2014年8月7日星期四
涡轮式搅拌器
（透平式叶轮）
2014年8月7日星期四
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。
2014年8月7日星期四
搅拌雷诺数与流态 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：