五章液体搅拌与气液混合
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制取稳定的乳液的重要因素
HLB疏水 亲基 水 亲 重 基 水 量 重 基量 1重 500量
✓ HLB值一般在1-20之间，以10为亲水、 亲油的分界线
✓ HLB＞10，亲水性 ✓ HLB＜10，亲油性
乳化液的稳定性及影响 其稳定性的主要因素
❖液滴的大小 ❖两相密度差 ❖粘度 ❖粒子的电荷
乳化剂及其作用
❖搅拌器插入方式
常见的是在釜中心轴处垂直插入
❖搅拌器层数
对于高径比较大的搅拌釜，或是液体粘度比较 大的搅拌操作
常用的机械搅拌装置
❖ 由搅拌器、叶轮和若 干辅助部件组成
❖ 搅拌系统的主件是叶 轮
❖ 搅拌装置的性能和消 耗的功率取决于搅拌 液体的物性及搅拌槽 的形状、大小、槽壁 上有无挡板等因素
搅拌器的液体循环量和压头
发育和繁殖所需的溶解氧
气液混合搅拌器的通 气速度和搅拌器转速
❖ 涡轮式搅拌器
最大通气速度与转速之间等的关系
NA
Qg nd3
0.194Fr0.75
搅拌器最低转速n0由下式计算
n0d
g 0.25
1.55
DHy0.5
d
D
c
❖ 自吸式搅拌器
最低搅拌转速n0由下式计算
(ng0Hd)2
c D
n3d 5
d 2n
R
em
Fr dn 2 g
得
R EuK a Frb em
或
R EuK a
Frb
em
ф称为功率因数
❖上述主要无因次数群的意义
功率准数Eu — 也称欧拉准数，含有功率 N，输入的功率代表施加于受搅拌液体的 力
雷诺堆数Rem — 含有粘度μ，代表施加力 与粘性曳力之比
佛鲁德淮数Fr — 含有重力加速度g，代表 施加力与重力之比
✓ 叶轮直径d ✓ 叶片数目、形状及叶片长度和宽度 ✓ 容器直径D ✓ 容器中液体高度H ✓ 叶轮距容器底部距离y ✓ 挡板数目及宽度h
❖物理因素
✓液体的密度ρ、粘度μ、叶轮转速n等
❖ 实验时可借助于因次分析，将功率消 耗和其它参数联系起来
用因次分析法，可得
NHale Waihona Puke Baidu
n3d5
Kd2nadgn2b
由
Eu N
功率曲线
曲线形状与管内摩擦系数的关系曲线相似，在低
。 雷诺数下，所有曲线汇合在一起，为层流区域
搅拌功率准数与雷诺准数的关系
❖ 校正系数 f 计算
当 D ＝ 2.5～4
d
H ＝ 0.6～1.1 d
h ＝ 1/5～1/3
d
✓桨式
f
D1.1H0.64h0.3
3d d d
✓锚式
f D1.1H0.615 h0.3 1.1d 1 d d
确定搅拌釜内液体的流型
R d 2n
em
混合的原理
❖ 对流混合机理
互不相溶组分的混合
❖ 扩散混合机理
互溶组分的混合
❖ 剪力混合机理
高粘度液体的混合
混合速率
❖ 混合过程中物料实际状态与其中组分 达到完全随机分配状态之间的差异消 失的速率
❖ 可用混合质量指标(如σ2、S2、σ等) 中的一种对时间的变化率来表示
福田秀雄关联式
0.39
Ng
6.35
N02nd3 Q 0.08
g
5-6 气液混合方法和设备
碳酸化方法和设备
❖ 薄膜式碳酸化器 ❖ 喷雾式碳酸化器 ❖ 喷射式碳酸化器
薄 膜 式 碳 酸 化 器
1.支架 2. CO2入口 3.吸收圆盘 4.容器 5.冷水入口 6.压力表 7.排气管 8.液位计 9.碳酸水出口
❖ 降低两相的界面张力， 使两相接触面积可能大 幅度增加，促进乳化液 微粒化的效用
❖ 利用离子性乳化剂在两 相界面上配位，提高分 散液滴的电荷，加强其 相互排斥力，阻止液滴 的并合
❖ 在分散相的外围形成亲水性(O／W)或亲油性 (W／O)型的吸附层，防止液滴的并合
乳化液形成的方法 ❖凝聚法
❖分散法
✓旋桨式和涡轮式
f D0.93H0.6 3d d
非牛顿液体的搅拌功率
❖ 宾哈姆液体的搅拌功率
R Eu N K
d5n3
em
R Rem
1
em
p i
a i
❖ 指数律流体的搅拌功率
d 2n
Rem
a
n'1
a k' dduy
a k'c'n .n'1
❖计算步骤
✓ 首先求表现粘度 ✓ 求C'值 ✓ 最后求功率N
✓ 以dσ2／d t表示混合速率
d2
dt
k
2
2
5-2 搅拌器的性能
搅拌器的分类 ❖ 桨叶式
❖ 旋桨式
❖ 涡轮式
开式平叶片段
带叶片圆盘
弯曲叶片
❖ 锚式和框式
❖ 螺带式
搅拌设备的其他结构问题
❖挡板
阻挡液体因搅拌器的转动而随之旋转
❖夹套和蛇管
夹套可增加传热面积，蛇管部分地起到挡板的 作用
✓ 佛鲁德准数 n d 2 不变，要求 n2d＝n'2d'
g
✓ 韦伯准数 n 2 d 3 不变，要求 n 2d3＝n′2d′3
✓ 叶轮末梢速度πnd不变，要求 nd＝n′d′
✓ 单位体积流体的功率 N
要求n3d2＝n'3d'2
V
不变，因 N
V
n3d 5 d3
，
5-3 搅拌器的功率
功率关联式
影响搅拌功率的因素 ❖几何因素
选型时应考虑到过程对流动条件的要求， 按过程的控制因素选择
❖搅拌器的选型
液体的粘度 搅拌器的特性
按粘度选型图
搅拌器的放大
❖几何相似原理
两个大小不同的系统，搅拌釜的形状和搅拌桨 的型式是完全相同的，并且相应各部分几何尺 寸之比等于常数
❖搅拌器的放大
按功率数据的放大
按工艺过程结果的放大
✓ 雷诺准数 n d 2 不变，要求 nd2＝n'd'2
自吸式搅拌器
泵型
倒伞型
翼盘型
表面曝气式的结构型式
本章总结 本章作业
请进入第六章内容
✓机械强制分散法 ✓同时乳化法 ✓转相法 ✓浆体法 ✓自然乳化法
乳化设备简介
❖搅拌乳化器 ❖胶体磨 ❖均质机 ❖超声波乳化器
胶体磨工作流程
立
式
胶 体 磨
卧 式 胶
体
磨
5-5 气液混合原理
❖目的
✓分离混合气体以获得一定的组分 ✓除去有害成分以净化气体 ✓制备某种气体的溶液 ✓向液体通入空气，保证微生物等生长
5-4 乳化
将两种通常不 互溶的液体进行 密切混合的一种 特殊的液体混合 操作。
✓混合
✓均质化
乳化机理
❖ 乳化剂降低界面能，防止油或水回复原状 ❖ 乳化剂分子膜将液滴包住，可防止碰撞的液滴
彼此又合并
❖ 形成表面双电层，当两 个液滴相互接近时，因 电的相斥作用防止凝聚
乳化机理
❖ 亲水亲油平衡值(HLB)
❖ 体积流量、压头、功率间的关系
NQHg
u2
✓ 压头H通常可以写成速度头2 g 的倍数 ✓ 叶n2轮d2末成梢正速比度ut∝nd，叶轮产生的液体速度头与 ✓ 体积流量与(nd)×(d2)＝nd3成正比
✓ 代入上式，得
Nn3d5
❖ 功率消耗为一定值的条件下，关系 Q
8
d3
成立
H
搅拌器的选型 ❖选型原则
喷 雾 式 碳 酸 化 器
喷 射 雾 化 原 理
喷 射 管
气液混合搅拌器
❖ 通气式气液搅拌器 ❖ 自吸式搅拌器 ❖ 表面曝气式的结构型式
(a) 六直叶圆盘涡轮式 (b) 六弯叶圆盘涡轮式
(c) 六箭叶圆盘涡轮式 (d) 十二叶翼盘涡轮式
通气式气液搅拌器
(a)十字形
(b)三角形 (c)四弯叶形 (d)三棱形
0.11
0.21
❖ 表面嚗气式搅拌器
最低搅拌转速n0由下式计算
n0d
g 0.25
1.55
DHy0.5
d
D
c
容器通气搅拌功率的计算
❖ 容器不通气时的搅拌功率N0
Eud5 N n0 3Kd2naKReam
❖ 容器通气时的搅拌功率
迈凯尔关联式
Ng
C'
N02nd3 Q 0.56
g
0.45
五章液体搅拌与气液混合
本章学习目的与要求
通过学习本章内容，学生可以掌握非牛顿流体 间和气液混合体间的各种混合原理，为改善混 合均匀度奠定基础。
要求学生掌握评价物料混合度的各种方法，熟 悉影响液体搅拌功率的因素，并且能够计算搅 拌功率和混合速率等参数。
掌握乳化操作原理。 了解气液混合方法。
❖ 搅拌雷诺数（Rem）
HLB疏水 亲基 水 亲 重 基 水 量 重 基量 1重 500量
✓ HLB值一般在1-20之间，以10为亲水、 亲油的分界线
✓ HLB＞10，亲水性 ✓ HLB＜10，亲油性
乳化液的稳定性及影响 其稳定性的主要因素
❖液滴的大小 ❖两相密度差 ❖粘度 ❖粒子的电荷
乳化剂及其作用
❖搅拌器插入方式
常见的是在釜中心轴处垂直插入
❖搅拌器层数
对于高径比较大的搅拌釜，或是液体粘度比较 大的搅拌操作
常用的机械搅拌装置
❖ 由搅拌器、叶轮和若 干辅助部件组成
❖ 搅拌系统的主件是叶 轮
❖ 搅拌装置的性能和消 耗的功率取决于搅拌 液体的物性及搅拌槽 的形状、大小、槽壁 上有无挡板等因素
搅拌器的液体循环量和压头
发育和繁殖所需的溶解氧
气液混合搅拌器的通 气速度和搅拌器转速
❖ 涡轮式搅拌器
最大通气速度与转速之间等的关系
NA
Qg nd3
0.194Fr0.75
搅拌器最低转速n0由下式计算
n0d
g 0.25
1.55
DHy0.5
d
D
c
❖ 自吸式搅拌器
最低搅拌转速n0由下式计算
(ng0Hd)2
c D
n3d 5
d 2n
R
em
Fr dn 2 g
得
R EuK a Frb em
或
R EuK a
Frb
em
ф称为功率因数
❖上述主要无因次数群的意义
功率准数Eu — 也称欧拉准数，含有功率 N，输入的功率代表施加于受搅拌液体的 力
雷诺堆数Rem — 含有粘度μ，代表施加力 与粘性曳力之比
佛鲁德淮数Fr — 含有重力加速度g，代表 施加力与重力之比
✓ 叶轮直径d ✓ 叶片数目、形状及叶片长度和宽度 ✓ 容器直径D ✓ 容器中液体高度H ✓ 叶轮距容器底部距离y ✓ 挡板数目及宽度h
❖物理因素
✓液体的密度ρ、粘度μ、叶轮转速n等
❖ 实验时可借助于因次分析，将功率消 耗和其它参数联系起来
用因次分析法，可得
NHale Waihona Puke Baidu
n3d5
Kd2nadgn2b
由
Eu N
功率曲线
曲线形状与管内摩擦系数的关系曲线相似，在低
。 雷诺数下，所有曲线汇合在一起，为层流区域
搅拌功率准数与雷诺准数的关系
❖ 校正系数 f 计算
当 D ＝ 2.5～4
d
H ＝ 0.6～1.1 d
h ＝ 1/5～1/3
d
✓桨式
f
D1.1H0.64h0.3
3d d d
✓锚式
f D1.1H0.615 h0.3 1.1d 1 d d
确定搅拌釜内液体的流型
R d 2n
em
混合的原理
❖ 对流混合机理
互不相溶组分的混合
❖ 扩散混合机理
互溶组分的混合
❖ 剪力混合机理
高粘度液体的混合
混合速率
❖ 混合过程中物料实际状态与其中组分 达到完全随机分配状态之间的差异消 失的速率
❖ 可用混合质量指标(如σ2、S2、σ等) 中的一种对时间的变化率来表示
福田秀雄关联式
0.39
Ng
6.35
N02nd3 Q 0.08
g
5-6 气液混合方法和设备
碳酸化方法和设备
❖ 薄膜式碳酸化器 ❖ 喷雾式碳酸化器 ❖ 喷射式碳酸化器
薄 膜 式 碳 酸 化 器
1.支架 2. CO2入口 3.吸收圆盘 4.容器 5.冷水入口 6.压力表 7.排气管 8.液位计 9.碳酸水出口
❖ 降低两相的界面张力， 使两相接触面积可能大 幅度增加，促进乳化液 微粒化的效用
❖ 利用离子性乳化剂在两 相界面上配位，提高分 散液滴的电荷，加强其 相互排斥力，阻止液滴 的并合
❖ 在分散相的外围形成亲水性(O／W)或亲油性 (W／O)型的吸附层，防止液滴的并合
乳化液形成的方法 ❖凝聚法
❖分散法
✓旋桨式和涡轮式
f D0.93H0.6 3d d
非牛顿液体的搅拌功率
❖ 宾哈姆液体的搅拌功率
R Eu N K
d5n3
em
R Rem
1
em
p i
a i
❖ 指数律流体的搅拌功率
d 2n
Rem
a
n'1
a k' dduy
a k'c'n .n'1
❖计算步骤
✓ 首先求表现粘度 ✓ 求C'值 ✓ 最后求功率N
✓ 以dσ2／d t表示混合速率
d2
dt
k
2
2
5-2 搅拌器的性能
搅拌器的分类 ❖ 桨叶式
❖ 旋桨式
❖ 涡轮式
开式平叶片段
带叶片圆盘
弯曲叶片
❖ 锚式和框式
❖ 螺带式
搅拌设备的其他结构问题
❖挡板
阻挡液体因搅拌器的转动而随之旋转
❖夹套和蛇管
夹套可增加传热面积，蛇管部分地起到挡板的 作用
✓ 佛鲁德准数 n d 2 不变，要求 n2d＝n'2d'
g
✓ 韦伯准数 n 2 d 3 不变，要求 n 2d3＝n′2d′3
✓ 叶轮末梢速度πnd不变，要求 nd＝n′d′
✓ 单位体积流体的功率 N
要求n3d2＝n'3d'2
V
不变，因 N
V
n3d 5 d3
，
5-3 搅拌器的功率
功率关联式
影响搅拌功率的因素 ❖几何因素
选型时应考虑到过程对流动条件的要求， 按过程的控制因素选择
❖搅拌器的选型
液体的粘度 搅拌器的特性
按粘度选型图
搅拌器的放大
❖几何相似原理
两个大小不同的系统，搅拌釜的形状和搅拌桨 的型式是完全相同的，并且相应各部分几何尺 寸之比等于常数
❖搅拌器的放大
按功率数据的放大
按工艺过程结果的放大
✓ 雷诺准数 n d 2 不变，要求 nd2＝n'd'2
自吸式搅拌器
泵型
倒伞型
翼盘型
表面曝气式的结构型式
本章总结 本章作业
请进入第六章内容
✓机械强制分散法 ✓同时乳化法 ✓转相法 ✓浆体法 ✓自然乳化法
乳化设备简介
❖搅拌乳化器 ❖胶体磨 ❖均质机 ❖超声波乳化器
胶体磨工作流程
立
式
胶 体 磨
卧 式 胶
体
磨
5-5 气液混合原理
❖目的
✓分离混合气体以获得一定的组分 ✓除去有害成分以净化气体 ✓制备某种气体的溶液 ✓向液体通入空气，保证微生物等生长
5-4 乳化
将两种通常不 互溶的液体进行 密切混合的一种 特殊的液体混合 操作。
✓混合
✓均质化
乳化机理
❖ 乳化剂降低界面能，防止油或水回复原状 ❖ 乳化剂分子膜将液滴包住，可防止碰撞的液滴
彼此又合并
❖ 形成表面双电层，当两 个液滴相互接近时，因 电的相斥作用防止凝聚
乳化机理
❖ 亲水亲油平衡值(HLB)
❖ 体积流量、压头、功率间的关系
NQHg
u2
✓ 压头H通常可以写成速度头2 g 的倍数 ✓ 叶n2轮d2末成梢正速比度ut∝nd，叶轮产生的液体速度头与 ✓ 体积流量与(nd)×(d2)＝nd3成正比
✓ 代入上式，得
Nn3d5
❖ 功率消耗为一定值的条件下，关系 Q
8
d3
成立
H
搅拌器的选型 ❖选型原则
喷 雾 式 碳 酸 化 器
喷 射 雾 化 原 理
喷 射 管
气液混合搅拌器
❖ 通气式气液搅拌器 ❖ 自吸式搅拌器 ❖ 表面曝气式的结构型式
(a) 六直叶圆盘涡轮式 (b) 六弯叶圆盘涡轮式
(c) 六箭叶圆盘涡轮式 (d) 十二叶翼盘涡轮式
通气式气液搅拌器
(a)十字形
(b)三角形 (c)四弯叶形 (d)三棱形
0.11
0.21
❖ 表面嚗气式搅拌器
最低搅拌转速n0由下式计算
n0d
g 0.25
1.55
DHy0.5
d
D
c
容器通气搅拌功率的计算
❖ 容器不通气时的搅拌功率N0
Eud5 N n0 3Kd2naKReam
❖ 容器通气时的搅拌功率
迈凯尔关联式
Ng
C'
N02nd3 Q 0.56
g
0.45
五章液体搅拌与气液混合
本章学习目的与要求
通过学习本章内容，学生可以掌握非牛顿流体 间和气液混合体间的各种混合原理，为改善混 合均匀度奠定基础。
要求学生掌握评价物料混合度的各种方法，熟 悉影响液体搅拌功率的因素，并且能够计算搅 拌功率和混合速率等参数。
掌握乳化操作原理。 了解气液混合方法。
❖ 搅拌雷诺数（Rem）