搅拌教案

N2
3
1-molten iron，2-ladle，
3-impeller，4-induction
7
coil，5-bubble, 6-nozzle
2
，7-gas pipe，8-
immersion lance，9-MgO
8
4 5
Fig.1.7 schematic
6
5
diagram of in-situ
mechanical stirring
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
图2.6 不同转速对液体示踪剂分散效果的影响
25
• 东北大学针对目前鞍钢集团80万t钢焖渣生产线回水管 路实际运行过程中管路结疤严重的现状，对现场取来 的回水试样利用专利技术方法和装置进行喷吹CO2去除 回水溶液中钙、镁离子的试验。该技术核心是采用CO2 气体去除回水溶液中的钙、镁离子，调控循环水的pH 值，对钢焖渣生产线中回水管路防结疤和防腐蚀效果 极其显著。
界条件有关。——过渡区
雷诺数是一个无量纲的数群，故其值不会因采用的单位制
不同而改变，但应当注意，数群中的各个物理量必须采用
同一单位制。
例：20ºC的水在内径为50mm的管内流动，流速为2m/s，
试分别用SI制和物理制计算Re数的数值。
解：1）用SI制计算：从附录五查得20ºC时，
ρ=998.2kg/m3，μ=1.005mPa.s，
b-50
b-70
b-100
由图片分析得：
1.转速对示踪粒子分散 效果的影响很大；
2.转速越大，粒子分散
b-120
b-150
越好；
图 2.3 不同转速对示踪粒子分散的影响（a型桨）3.速度也不宜过大
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液体示踪剂结果分析
液体示踪剂实验结果分析
50
70
100
120
150
170
液体示踪剂，我们用的是植物油， 密度0.93g/cm3 。
2
一、作用
1、使物料 混合均匀
2、强化 传热、传 质
第一节 概述
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） 强化传热
3
4
5
6
混合机理
7
搅拌设备的结构
8
9
10
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13
流体在圆形直管内流动时：
当Re 2000时， 流体的流动类型属于滞流 ； 当Re 4000时， 流体的流动类型属于湍流； 2000＜Re ＜4000时可，能是滞流，也可能是湍流，与外
r g H
• 特征速度u可以由下式给出：
• •
u

4Q g d2
（1.2）
• 式中： Ｑ——气体体积流量；
•
ｄ——喷嘴直径。
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• 在水模型实验中我们用油层来模拟顶渣层，模型为油 水分层的流体，我们可以用油来模拟渣，用水来模拟 钢液，在模型底部喷入氮气，造成油层下水的循环流 动，用以来模拟铁水包喷吹Mg时气液区顶部钢渣界面 状态。渣钢界面流动状态，主要受到液体表面张力影 响，除了应满足几何相似和动力学相似中的Fr准数外， 还要保证动力学中的We准数相等，
Wem Wep
v水2 水

v2钢 钢
水油 g 水 油 1/ 2 钢渣 g 钢 渣 1/ 2
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1. Background and significance of subject
In-situ Mechanical Stirring Method for External desulfurization for molten iron
100
80
ds=1.0cm
ds=2.0cm
60
ds=3.0cm
ds=5.0cm
40
d =7.0cm s
d =10.0cm s
20
[ppmS]=20
HL=1.5m
0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
PMg(atm)
图 1.2 镁气泡对脱硫效率的影响（S=20ppm）
Fig.1.7 Effect of bubble on desulfurization efficiency of magnesium（S=20ppm）
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• 研究利用拜耳赤泥吸收低浓度二氧化硫的方法, 使得拜耳赤泥和低浓度二氧化硫在密闭反应釜 中发生反应，
• 用拜耳赤泥吸收低浓度二氧化硫气体使得两种 原本对环境污染严重的物质相互作用，从而同 时实现了低浓度二氧化硫废气综合治理以及氧 化铝生产过程中赤泥废渣的综合利用，能达到 以废治废以及降本增效的目的。
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• （2） 动力相似
• 对于吹气反应器体系来说，引起体系内流动的动力主 要是气泡浮力，而不是湍流的粘性力，因此保证模型 与原型的修正弗鲁德准数相等，就能基本上保证它们 的动力相似。根据这一原则，可以确定模型中吹气量 的范围，修正弗鲁德准数可以定义为：
• • 式中：
Fr‘ g u 2 （1.1）
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• 机械搅拌部分
• 因为实验主反应机理为酸碱中和，考 虑到各因素对实验过程的影响大小以 及实际工艺条件的限制，依次考察温 度、搅拌转速、液固比、气体流量、 二氧化硫混合气体浓度等五个因素对 单位质量赤泥固硫容量的影响，同时 选择最佳反应条件。
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种分槽机械搅拌
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。
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• （1）几何相似 • 几何相似考虑的是模型与原型主要尺寸的相似。
研究钢水精炼反应器内过程的物理模型是水模 型，即用有机玻璃制成模拟钢包，用自来水模 拟钢水，几何相似主要是指 Ｄ/H（钢包内径/ 熔池深度）相等。模型与原型相对应的尺寸可 以有一定的比例，成为倍尺或尺寸比。在选定 模型与原型的尺寸时，可以根据研究对象和实 验条件考虑，一般研究钢水炉外精炼过程的水 模型尺寸小于原型尺寸，即 Dm小于Dp • （下标ｍ和ｐ分别表示模型和实物）
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种分槽中铝酸钠溶液的晶种分解效果是 影响产品氧化铝的生产成本、质量和产 量的关键因素。有试验表明，高浓度条 件下,晶种分解速度取决于扩散速度,加强 搅拌可使晶体保持悬浮状态，与溶液形 成良好的接触，并能迅速更新液固界面， 使溶液成分始终均匀，晶体得以均匀快 速长大，从而提高溶液产出率和成品氢 氧化铝质量。
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搅拌的作用
• （1）对料浆混合均匀性的影响。搅拌效果的好坏直接 影响着料浆混合的均匀性，混合较好的料浆可以保证 铝酸钠溶液始终处于较高的过饱和度，有利于氢氧化 铝晶体的长大和分解率的提高。
• （2)对晶体生长的影响。搅拌强度的大小对氢氧化铝 颗粒之间以及氢氧化铝颗粒与槽壁之间的碰撞有着直 接的影响，进而影响晶体的附聚、破碎以及次生晶核 的生成。搅拌强度过小，不利于氢氧化铝晶体的附聚； 搅拌强度过大，则会加剧晶体的破碎与次生晶核的生 成，使得产品粒度过细。
g
/(cm

s)
u 2m / s 200cm / s d 5cm
Re

5 200 0.9982 1.005102
99320
15
搅拌器的放大
• 1、实验依据 • 所谓物理模拟就是通过物理模型和借助必要的测试手段，对所
研究体系的过程进行观察和显示。根据相似原理建立物理模型， 用有机玻璃代替耐火材料制作反应器，用水代替钢水。这样在物 理模型中可以对气泡的行为、循环流和熔池的混合等过程，甚至 对升温过程的传热规律进行观测，从而获得从现场无法获取的信 息。物理模拟中，由于可缩小装置的比例，使试验费用得以大大 降低物理模拟所具有的 • 作用可以概括如下： • ① 物理模型中定量测定的结果可按一定关系，用于真实体系的描 述，直接为优化工艺过程或为开发新流程提供依据。 • ② 帮助数学模拟研究人员正确了解所研究过程的物理特征，以正 确处理数学模拟中的简化及源项和边界等条件的设定。 • ③ 验证数学模拟的结果，使数学模型不断完善，使之尽可能逼 真地描述真实体系。 • 根据相似理论，如果现象满足相似第二定理，则由模型得到的规 律可以推广到原型中去。然而实际过程比较复杂，不可能完全做 到满足相似第二定理，一般考虑的是主要方面的相似。对于钢的 精炼反应器来说，考虑的是几何相似和动力相似。
• 赤泥成份中含有大量的碱性物质，与SO2有很 强的反应活性，由于氧化铝生产的特点，外排 赤泥的粒度很小，完全符合烟气脱硫过程的粒 度要求。因此拜耳赤泥与低浓度二氧化硫的反 应具有理论可行性。
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• （1）对人体健康的危害 • 低浓度二氧化硫对人的危害主要体现在对呼吸道的损
伤。 • （2）对植物的危害 • 对于植物来讲，低浓度SO2长期暴露对作物的生长、
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管径d=0.05m，流速u=2m/s，
Re du

0.05 2998.2 1.005 103
99320
2）用物理单位制计算：
998.2kg / m3 0.9982g / cm3


1.005 103
Pa.s
1.005 103 100
1000
P

1.005102
21
使气体在液相中很好地分散
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固体示踪剂结果分析
不同搅拌模式对示踪粒子分散的影响
a-单向
a-间
a-双
图 不同搅拌模式对示踪粒子分散的影响
上面三组图片，很明显： 1.单向搅拌的漩涡一旦形成就太过稳定，不利于粒子分散； 2.双向搅拌的效果明显好于另外两种；
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固体示踪剂结果分析
2. 不同搅拌速度对示踪剂分散的影响
第四章 搅 拌
教学重点： 搅拌设备 搅拌功率
1
搅拌目的
• 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、固-液、气-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 单元操作，以促进混合为主要目的，如进行液液混合、固-液悬浮、气-液分散、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。
• 在喷吹CO2去除回水溶液中钙、镁离子过程中，细化和 分散CO2气泡是提高除垢效率和提高 CO2利用率的关键。 同时，只有能够精确地测量CO2利用率才能更好地指导 实验并为生产实践提供详实可行的资料。
• 为此采用本课题组采用CO2气体溶液中钙、镁离子的 • 方法研究气液搅拌情况下气体的利用率。因此，为了
ηS,Mg/% ηS,Mg/%
100
80
ds=1.0cm
ds=2.0cm
60
ds=3.0cm
ds=5.0cm
40
ds=7.0cm
d =10.0cm s
20
[ppmS]=100 HL=1.5m
0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
PMg/atm
图 1.1 镁气泡对脱硫效率的影响（S=100ppm） Fig. 1.6 Effect of bubble on desulfurization efficiency of magnesium(S=100ppm)
实现该方案。必须开展两方面的研究。一是基于精炼 过程的气泡微细化和分散的方法；二是精确地测量CO2 利用率。
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• 许多工业生产过程都会产生含硫烟气，同时由 于大量燃用煤炭，我国每年排入大气中的二氧 化硫可达千万吨级。我国氧化铝大多数采用拜 耳法生产，每年都会产生大量赤泥，目前并没 有特别有效的处理方式，只是大量堆存于赤泥 坝内。含硫烟气与碱性赤泥都对环esulfurer
Bubble dispersed and disintegrated
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the problem on technology of desulfurization with singlyblowing magnesium grain
Effect of bubble on desulfurization efficiency of magnesium
发育和产量都会有一定程度的影响。 • （3）对金属的腐蚀 • 大气中的SO2对金属的腐蚀主要体现在对钢结构的腐
蚀。 • （4）对生态环境的影响 • 由于SO2在大气中的存在而形成的酸雨和酸雾会对湖
泊、地下水、建筑物、森林、古文物以及人的衣物构 成一定程度的腐蚀
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• （1）土地和农田的占用 • （2）空气污染 • （3）对建筑物表面、土壤的影响 • （4）地下水污染