第五章 搅拌聚合釜内流体的流动分析

三、挡板与导流筒 1. 挡板
• 当流体粘度不大，搅拌转速较高，桨叶放 在釜的中心线时，液体将随着桨叶旋转的 方向形成一个漩涡，通常称为打漩现象。 • 打漩时，液体只是随着桨叶旋转而不产生 横向的或垂直的上下运动，没有发生混合 的机会。
• 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
• 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。 • 桨式搅拌器的转速一般为20-80r/min。 • 桨式搅拌器桨叶不宜过长，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，物料层很深时可在轴上 装置数排桨叶。
一、循环流动与剪切流动
• 宏观流动是指流体以大尺寸（大气泡、大液滴） 在大范围中的流动状况，也称循环流动。 • 循环流动有三种典型的流动状况：径向流动、轴 向流动、切线流动。
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。
• 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。
导流筒
第三节 搅拌器的构形及选择
一、搅拌器的分类
• 搅拌器是实现搅拌操作的设备总称，从不 同角度，可有不同的分类方法。
• 按桨叶构形可分为桨式、涡轮式、推进式、 螺杆(螺轴)和螺带式等；
• 按物料流动的流况，可分为径向流动和轴 向流动；
• 选用搅拌器时一般考虑方法为：
• 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。 • 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。
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
按搅拌用途
低粘流体用搅拌器
高粘流体用搅拌器
• 工业上聚合反应器种类很多，如釜式、管 式、塔式等，但带有搅拌器的釜式反应器 用的最多，约占聚合反应器的80%。
• 除聚合釜外，还有许多带有搅拌装置的容 器，如原料配制槽、加料罐和储槽等。 • 许多化工生产过程经常有多相体系的混合 问题，机械搅拌是解决混合问题的重要装 置。
第五章 搅拌聚合釜内流体的流动与混合
第一节 概述
机械搅拌式 反应器
机 械 搅 拌 反 应 器
筒体 搅拌容器换热元件 内构件 搅拌轴 总体结构 搅拌器 搅拌机 密封装置 传动装置 其它结构 （支座、人孔、手孔、 接管等）
径向流
切向流
• 径向流动：流体的流动方向垂直搅拌轴；
• 轴向流动：流体的流动方向平行搅拌轴； • 切线流动：流体绕轴作旋转运动，也称为旋转流 动，当搅拌转速高时，液体表面会形成漩涡。 • 径向流动和轴向流动对混合有利，能起混合搅动 及悬浮作用，而切线流动对混合不利，需设法消 除。
• 微观流动是指流体以小尺寸（小气泡、微 滴）在小范围中的湍动状况。
锚式搅拌器
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。
二、搅拌器的选用
• 搅拌过程涉及流体的流动、传热和传质， 问题比较复杂。搅拌器选用应满足下列要 求：
• 保证物料的混合；
• 消耗最少的功率； • 所需费用最低； • 操作方便，易于制造和维修。
二、搅拌雷诺数与流态
• 为定量的研究搅拌桨叶的特征，经常用无因次准 数加以关联，其中以搅拌雷诺数最为重要。
• 依雷诺数不同，搅拌釜内流体有不同的流动 状态: • A区间(NRe＜10) 此时处于层流区，液体仅 在桨叶附近呈滞流旋转流动，桨叶无液体吐 出，釜内的其余部分为液体停滞区(即死角)。 • B区间(NRe l00～1000)此时处于过渡区，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。
螺带式搅拌器
螺杆式搅拌器
5.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。
• 另外，搅拌还兼有混合、搅动、悬浮、分 散等多种功能。 • 混合是使两种或多种互溶或不互溶液体按 工艺要求混合均匀，如溶液、悬浮液、乳 液的配制。
• 搅拌是使物料强烈的流动，以提高传热和 传质速率。
• 悬浮是使小固体颗粒在液体中均匀悬浮， 以达到加速溶解、强化液固相反应、防止 沉降的目的。
• 分散是使气体、液体在液体中充分分散成 细小的气泡或液滴，增加相接触表面，以 促进传质或化学反应。
• 螺带式搅拌器适用于粘度极高的场合(103) • 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。
• 螺带的高度通常取罐底至液面的高度。
• 通常螺带式搅拌器其螺带叶宽与釜径之比 为0.1，搅拌器直径与釜径之比为0.95。
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”
第二节 搅拌釜内流体的流动状况
• 流体的流动状况，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动状况可以分为两个 层次：宏观流动状况与微观流动状况，它 们对搅拌效果起着不同的作用。
• 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的1/41/3，300-600r/min，搅拌器的材料常用铸 铁和铸钢。
推进式搅拌器
推进式搅拌器的特点
• 有效的消除漩涡可在釜内安装挡板，通常安装四 块挡板，挡板的宽度为釜经的1/10-1/12。 • 若在搅拌浆料时，挡板与釜壁之间应留1/6板宽的 空隙，以防止固体物料的沉积。 • 挡板的主要作用：一是使流动状况从旋转流改变 为对混合有利的垂直流动，即将切线流动转变为 轴向流动或径向流动； • 二是增大被搅拌液体的湍动程度，从而改善搅拌 效果。
• 高粘度体系:
• 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。
a-锚式
b, c-框式
d-螺带式
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
• 微观流动是由于搅拌桨剪切作用而引起的 局部混合作用，它使气泡、液滴细微化， 达到微观混合。 • 微观流动会促使局部混合，对促进传热、 传质、分散微粒也有利。
• 在搅拌桨叶末端及挡板处微观流动作用最 强。 • 不管搅拌桨叶为哪种型式，搅拌釜中都存 在循环流动与剪切流动，如果某一桨叶以 循环流动为主，称为循环型桨叶；若以剪 切流动为主，则称为剪切型桨叶。
• 实验室中时常采用此种搅拌桨。
桨式搅拌器
1、平直叶式搅拌器主要用于 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。
2.涡轮式搅拌器
•又称透平式搅拌器，是应用较广的一种搅拌 器，能有效的完成几乎所有的搅拌操作，并能 处理粘度范围很广的液体。
• 按搅拌任务，又可分为液体混合或乳化、 固体颗粒悬浮、气-液接触、化学反应、传 热等。
1. 桨式搅拌器
•凡桨叶的构形为平桨、斜桨、锚形桨或框 型桨均属于桨式搅拌器。 •其特点是结构简单，转速低，桨叶面积大。 •桨径与釜径之比为0.5-0.7，适用于粘度为 0.1-100Pa.s的液体搅拌，在无挡板情况下， 转速高时会形成漩涡。
• 为了满足以上要求，搅拌反应器应具有 以下作用：
• 推动液体流动，混匀物料； • 产生剪切力，分散物料，并使之悬浮；
• 增加流体的湍动，提高传热速率；
• 加速物料的分散和合并，增大物质的传递 速率；
• 在高粘体系中，可以更新表面，促使低分 子物蒸出。
• 事实上，搅拌器经常兼有多种功能和作用， 例如，在苯乙烯乳液聚合中，搅拌兼有混 合（引发剂和单体）、分散（单体液滴分 散在水相中）、及提高传热系数的作用等。 • 为满足各种生产过程对搅拌不同的要求， 搅拌器应具有一定的几何和技术特性，如 搅拌桨叶的型式、尺寸、转速、功率消耗 以及挡板等。
• C区间(NRe＞1000)此时处于湍流区，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，搅拌釜内流体有不同的流动状态。
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
4.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。
• 当搅拌粘度大于10Pa.s的液体时，此时搅 拌功率消耗明显增大，可以采用螺杆和螺 带式搅拌器。
涡轮式搅拌器
3.推进式搅拌器
• 标准的推进式搅拌器桨叶有三瓣叶片。 • 推进式桨叶直径较小，通常直径不大于0.4m。
• 推进式搅拌器其优点是结构简单，制造方 便，适用于液体粘度低，液量大的液体搅 拌，利用较小的搅拌功率通过高速转动的 桨叶获得较好的搅拌效果。
• 氯乙烯悬浮聚合时常采用此种搅拌桨。
• 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。
搅拌反应器的挡板结构
•可有效地防止粘滞液体在挡板处形成 死角，以防止固体颗粒的堆积。
•在高粘度物料中使用桨式搅拌器时，可安 装横挡板以增加掺合作用，挡板宽度可与搅 拌叶同宽。
•叶径与叶宽之比为5-8，叶径与釜径之比通常 为0.5-0.7，常用的叶片数为4-8。
• 涡轮式搅拌器分为圆盘涡轮搅拌器和开启 涡轮搅拌器；按照叶轮又可分为平直叶和 弯曲叶,涡轮搅拌器速度较大，300600r/min。 • 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。
• 涡轮式搅拌器有较大的剪切力，可使 液体微团分散得很细， • 适用于低粘到中等粘度液体的混合、 分散、悬浮及促进传质、传热或化学 反应。
• 涡轮式搅拌器的应用场合：
• 适用物料粘度范围广。
• 剪切力较大，分散流体的效果好。 • 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。
2. 导流筒
• 在搅拌釜内，液体可沿各个方向流向桨叶， 所以不同的液体行程长短不一，在需要控 制回流的速度和方向时，可使用导流筒。
• 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。