第三章液体的搅拌

强化湍动的措施：
湍动强弱可通过搅拌器产生的压头 H 大小反映。压头必定全部 消耗于循环回路的阻力损失中，阻力损失越大，说明旋涡运动 越剧烈，内部剪应力越大，湍动程度越高。提高液流的湍动程 度与增加循环回路的阻力损失是相同的作用。
① 提高搅拌器的转速：压头 H 与 u2 成正比。 ② 阻止液体的圆周运动： ◆ 内装挡板（图3-5）：生成漩涡，防止液面凹陷。 ◆ 破坏循环回路的对称性（偏心、倾斜安装） （图3-6）：增
旋桨式 为代表
特点：流量大、压头低；液体作轴向和切向运动 搅拌器：旋桨式、折叶桨式、螺带式
涡轮式 为代表
工作原理：去壳离心泵 特点：流量小、压头高；液体作径向和切向运动 搅拌器：平直叶桨式
其它： 气流搅拌、静态混合 管路机械混合、射流混合
轴流泵工作原理： 轴流泵的工作是以空气动力学中机翼的升力理论为基础的。 其叶片截面与机翼的形状相似，称之为翼型。根据流体力 学知识，我们知道当流体流过流线型翼型时，会在翼型的首 段处分成两股流，它们分别经过翼型的上表面（即轴流泵叶 片工作面）和下表面（轴流泵叶片背面），由于沿翼型下表 面的流程要比上表面流程长一些，会造成翼型下面流速大、 压力小，上面流速小、压力大，因此流体将对翼型有一个由 上向下的作用力，同样，翼型对于流体也将产生一个反作用。
加旋转运动阻力，增强湍动，消除液面凹陷。 ◆ 安装导流筒（图3-7）：控制流向，消除短路现象和死区。
2、功率曲线P107
（几1何）因 搅特拌素征功尺率寸 的d 影；响Dd1因；；素2dh；；dl3；；dB4 无；b因次对比变量

物理因素 （ n 转速）
P f 、、n、d、b、1、2
五、搅拌功率
1、搅拌器的混合效果与功率消耗
足够大的流量qV形成强大的总体流动
P


gqV
H

— — 大尺度均匀
足够大的压头H 产生高度湍动

— — 较小微团分散
设计思想：设法增加搅拌器的功率，而不是提高效率
能量的有效利用：根据工艺要求选用合适的搅拌器
快速均布 高度破碎
— —
搅拌能量用于增大输送量qv即加大总体流动 搅拌输入能量主要用于增大湍动
对多相分散物系通过搅拌单凭调匀度尚不能反映混合物的状态， 它还与分隔尺度(如气泡、液滴和固体颗粒的大小和直径分布）有 关。
a
b
如取样体积远大于微团尺寸，两者平均调匀度均接近1 （宏观均匀）；若样品体积小至与微团尺寸接近（微观而 言），两者有不同的的调匀度。因此引入分隔尺度，作为多 相分散体系搅拌操作的重要指标。
第三章 液体的搅拌(2课时）
主要内容： 一、液体搅拌的目的 二、搅拌器的类型 三、混合效果的度量 四、混合机理* 五、功率及能量分配* 六、搅拌器的放大* 七、其他混合设备
一、 液体搅拌的目的
1、互溶液体的混合
2、不互溶液体的分散和接触 3、使气体以气泡的形式分 散于液体中 4、固体颗粒在液体中的悬浮
5、强化液体与器壁的传热
均相混合 非均相混合
搅拌既使物料混合，又大大加快了传质和反应； 同时起到强化传热的作用。
二、搅拌器的类型
1、按结构型式分类 P100-101
旋桨式 旋桨 桨式 平直叶、折叶 涡轮式 开启平直叶、开启弯叶、圆盘平直叶、圆盘弯叶 锚式 框式 螺带式
2、按工作原理分类
工作原理：去壳轴流泵
qV
8
d3
H
↑d， ↓ n
qV
功率更多地用于总体流动 — 大尺度调匀
由
知
qV
8
n 5
H
↓ d ，↑n
H
功率更多地用于湍动 — 微观混合
结论：
加大直径或降低转速，流量qV变大，实现大尺度调匀 加大转速或减小直径，压头H 变大，湍动加剧，促进微观混合
六、搅拌器的放大
理论研究不够深入，只能用经验方法逐级放大 1、用不同型式的小搅拌釜进行试验确定类型 2、按一定准则以几何相似放大 3、四个放大准则（四个不变） 4、放大试验步骤
● 宏观混合与微观混合
混合效果的度量与混合尺度有关 设备尺度（大尺度）
混合尺度的三个层次 流体微团（视分散情况） 分子尺度 （依赖于分子扩散）
1、液固物系 — 只能达到某种宏观上的均匀； 2、不互溶液体 — 剧烈搅拌分散程度提高，小尺度宏观均
匀，不能达到分子尺度上的均匀；
3、互溶液体 — 可达到分子尺度上的均匀。真正的微观混 合只有通过分子扩散才能达到分子尺度上的均匀性。
● 放大准则：
（1）保持搅拌雷诺数ReM不变，
n1 d12

n2
d
2 2
n1d12


n2d22
（2）保持叶片端部切向速度u不变，即 nd不变
n1d1 n2d2
（3）保持单位体积能耗 P 不变，P

n3d 5

n3d 2
常数
V0
V0 d 3
n13d12

n23d
2 2
（4）保持搅拌器流量与压头比值 qV
轴流泵就是将翼型叶片倾斜固定在叶轮的轮 毂上，翼型叶片随着轮毂旋转而在流体中绕 轴做旋转运动，流体相对于翼型叶片就产生 了绕流，如上所述，翼型叶片将对流体产生 一个由下向上的力，这样在不断高速旋转运 动的翼型叶片的作用下，流体因获得能量而 被提升。
三、混合效果的度量
● 根据工艺过程目的评价 强化传热、传质 — 传热系数、传质系数的大小 促进反应过程 — 反应转化率
在5个有因次的物理量中选定3个、n、d为
初始变量利用因次分析法转化为无因次形式
(d、D、h、l、B，b）分别表示：搅拌器直径、容器直径、
容器中液体的高度、搅拌叶片的长度、搅拌叶片的宽度、 挡板的宽度）
P
n3d 5


nd
2
，1，2

功率特征数
K P
n3d 5
搅拌雷诺数
充分湍流区（ ReM＞104） P Kn3d 5
步骤：① 求
ReM

nd 2
② 查 K值 教材P109.图3-9功率曲线
③ 算 P 直接用公式代入计算
（3）搅拌功率的分配
通过调节流量和压头的相对大小，以获取一定的搅拌效果 对不同的搅拌目的，可作不同的选择，功率可作不同的分配
∝
∝
讨论：功率P 相同条件下
四、混合机理
1、搅拌器的两个功能 （1）总体流动 ——— 促进宏观均匀，
大尺度的均匀混合。
（2）强烈湍动 ——— 促进微观均匀， 小尺度的均匀混合。
2、均相液体的混合机理 (1)、低粘度液体的混合
总体流动 —釜中液相形成一个循环流动，将液体破碎成 较大液团并被夹带至容器各处，造成宏观上的均匀。 高度湍动 —总体流动中高度湍动液流中的漩涡生成尺寸很小 的液团，漩涡尺寸越小，破碎作用越大，形成液团也越小， 而不是桨叶打碎的结果。
搅拌的效果：
不可能完全均匀，因为
过程中液团破碎与合并 各部分的湍动也不一样
P小
P大
P大
绕流引起驻点压差，使液滴拉
长压扁，并被破碎 P104
湍动漩涡使液滴扯开
液滴微团
(2)、高粘度及非牛顿流体的混合 主要依赖充分的总体流动
原因：高粘度流体在经济的操作范围内不可能 获得高度湍动，只能处于层流流动。
常采用大直径搅拌器，如框式、锚式和螺带式， 上下往复运动的旋转搅拌器，使釜中的剪切力场 尽可能均匀，效果更佳。
调匀度 — 均相物系 ● 搅拌效果的评价准则
分隔尺度 — 非均相物系
1、调匀度 I 均相体系：表示样品与均匀状态的 偏离程度
液体A 液体B
取VA 取VB
VA


CA0
=
VA VA VB
取样 分析
（CA0为A的平均体积浓度）
样品CA
结果一致，搅拌均匀 不一致，未均匀，偏离CA0大，差
引入调匀度I：样品与均匀态的偏离程度
或
I I
CA CA0
1CA 1 CA0
(CA

CA0 )


(CA

CA0 )

I 1
I I1 I2 Im 平均调匀度 m
I用以度量整个液体的混合效果 — 均匀程度
（混合均匀时I 1）
2、分隔尺度——非均相体系
不变，qV n 常数
H
Hd
d1 d2 n1 n2
● 放大试验步骤：
制作几何相似的大小不同装置 调节转速n，试验达到同样混合效果
分别计算 nd 2、n3d 2、nd、d 并列表 n
比较实验结果（数据相近原则）确定放大准则 根据几何相似外推直径和转速
参看教材P111例3-2
ReM

nd 2
u r 2nr nd u nd
对几何相似的搅拌装置，对比变量1、2 常数
P Kn3d 5 K ReM
由实验测定K～ReM的关系，绘制特征数K — 功率曲线 教材P109.图3-9用以查K值
（2）搅拌功率的计算
层流区（ReM＜10）P108 P Cn2d 3 （C = 71）