第二章-搅拌釜式反应器

4．对某些自由基聚合反应，聚合物生长期比 它在反应器内停留时间短，链的终止速率 受自由基浓度控制，而它又与单体浓度成 正比，此时采用连续搅拌釜使反应器能均 匀地保持低的单体浓度，使其具有相对恒 定的链终止速率，从而获得较窄的分子量 分布。
第一节 搅拌釜的构型
2.1.1 搅拌与混合
搅拌与混合是两个不同的概念，搅拌是指使釜 内物料形成某种特定形式的运动，如在釜内作循环 流动。搅拌的着眼点在于釜内物料的运动方式和激 烈程度，以及这种运动状态对给定过程的适应性。 某种单一相的物料只能是被搅拌而不是被混合。
图2-7 打漩现象
2．挡板
对于大多数搅拌操作，只有消除打漩现象才能得到满意的操作 结果。最常用的消除打漩的办法是在搅拌槽内装设挡板。挡板的作 用有二：第一，将切向流动转变为轴向和径向流动(图2-8)。对于 槽内液体的主体对流扩散、轴向流动和径向流动都是有效的。第二， 增大被搅拌液体的湍动程度，从而改善搅拌效果。
P H1 或 Q P HRQ (2-6)
结合式(2-4)～(2-6)可知：
PN3D 5 (2-7)
从式(2-6)可以看到，搅拌叶轮的功率消耗，一部分用于 产生釜内流体的循环流动，另一部分用于产生流体的剪切流 动， ，对流体混匀或传热，循环流量起重要作用。对液-液
分散则要求较高的流体剪切作用，压头H起着重要作用。
(7) 挡板数目= 4，垂直安装在釜壁上并从釜底延伸到液面上；
(8) 挡板宽度W b = 1/10DT。
图2-12 标准搅拌釜构型
第二节 搅拌釜内的液体流动特性
2.2.1 叶轮的排液量Q1、流体循环 量QR和压头H
旋转叶轮挤压流体流动，其直接排出的体积流量称
为叶轮的排液量Q1。这股排出液流如同射流作用，卷
同叶端速度(πDN)成正比，当排出流在周围处于停滞状态的
液体中穿过时，正是其初始速度值决定了最大剪切速率。因
此叶端速度（常以TS表示）是衡量搅拌釜中流体动力学状态
的一个重要指标，也是搅拌器的一个重要操作参数。
若按叶端速度的大小区分搅拌的强弱程度，
则
低度搅拌
TS＜3.3 m / s；
中度搅拌
TS＜4.1 m / s；
第三节 搅拌釜中的湍流特性
2.3.1 湍流强度 湍流是一种不规则的随机的流体运动状态，各种物理量都随时
间和空间坐标紊乱地变化，但却可从统计学识别其明确的平均值。
Ux Ux Ux
(2-15)
U x ——该点处在x方向上的瞬时分速度； U x ——该点处在x方向上的分速度在某一周期内的平均值，称时均速度；
2.1.3 搅拌装置
搅拌装置通常由搅拌器和搅拌轴组成。搅拌器的型式 很多，如桨式，框式、锚式、推进器式和涡轮式搅拌器。 使用搅拌器时，首要的工作是要确定搅拌器的型式，选型 主要根据物料性质、搅拌目的及各种搅拌器的性能特征来 进行。
1．按物料粘度选型 2．按搅拌目的选型
（1）对于低粘度均相液体混合，要求达到微观混合程度，已知 均相液体的分子扩散速率很快，控制因素是宏观混合速率，亦即 循环流量。
永田进治提出了下面的方程式，以决定充分挡板化条件：
(Wb /D)nB≈0.4
更为准确的方程式为：
(Wb/D)1.2nB =0.35 式中 Wb——挡板宽度；
nB——挡板数目。
图2-8 挡板对流型的影响
2.1.6 搅拌釜的几何特征
搅拌釜、叶轮、挡板及其他附件(如需要换热时的换热 管等)的相对位置及其尺寸比，构成搅拌釜装置的几何特征。
V
Y
2.2.2 流体剪切速率及其分布
任何叶轮转动时都会产生流体剪切作用。
如果在径向
流涡轮中心线
的上下两侧不
同位置处测量
离开叶片的流
体平均速度，
则典型的径向 流速分析如图 2-13。
V
图2-13 径向流叶轮典型的速度分布剪切速率=
Y
将某点处，或在选定的距离内的速度梯度 V Y
定义为该点处或在选定的距离增量内的“流体剪切速率”。在 特定过程中有关的液滴、气泡或固体颗粒的尺寸，决定了进行 流体剪切分析中所用的距离增量的大小。
主要的几何特性是叶轮直径(D)与搅拌釜直径(DT)的比值 (D/DT)、所需叶轮的个数和叶轮在釜内的位置 。
1．叶轮直径与搅拌釜直径的比值(D/DT)
2．叶轮在釜中的位置 3．叶轮的选择 4．叶轮的个数
叶轮个数
液体当量水深 釜径
叶轮之间的距离应为1.0～1.5倍叶轮直径。
叶轮的有效作用半径可按下式估算：
已经证明，叶轮区内的平均剪切速率只是叶轮转速的 函数，而叶轮区最大的剪切速率主要是叶轮叶端速度的函 数。同时，釜内平均剪切速率的数量级比叶轮区的剪切速 率小，釜内最小的速度梯度估计为全釜平均速度梯度的 1/4~1/3。
2.2.3 叶端速度
叶端速度是叶轮的叶片边缘的转动线速度。叶端速度决 定了叶轮区的最大剪切速率。离开叶轮边缘排出流的线速度
吸周围流体一起运动，使釜内流体作循环流动。参与
循环流动的所有液体的体积流量称为循环量QR。
叶轮的排液量为
Q 1 K 1ND 3
(2-3)
式中 K1——流量数，大致数值为0.4～0.5。
循环量为
Q RK2ND 3 (2-4)
式中 K2——循环流量数，K2 / K1数值，一般为1.70～1.95。
循环量决定了单位时间釜内液体的翻转次数I (称
图2-2 几种轴向流搅拌轮
2．径向流叶轮
使液体在叶轮 半径和切线方向上 流动的叶轮则称为 径向流叶轮。径向 流叶轮的叶片对液 体施以径向离心力， 液体在离心力作用 下沿叶轮的半径方 向流出并在槽内循 环。
图2-4 几种常用的径向流叶轮
图2-1 轴向流叶轮与径向流叶轮
3．平桨
平桨(图2-6)也 属于径向流叶轮， 其结构简单，叶片 数目少，一般是二 片或四片。由于叶 片数目少，故排送 液体的能力低，为 了产生更大的排液 量就必须加大叶片 的长度和宽度。
（6）对于结晶过程，往往需要控制晶体的形状和大小。对于 微粒结晶，要求有较强的剪切作用和较大的循环量。所以应选 择涡轮式搅拌器。对于粒度较大的结晶，可选择浆式搅拌器。
（7）对于以传热为主的搅拌操作，控制因素为总体循环流量 和换热面的高速流动，因此，可选用涡轮式搅拌器。
2.1.4 叶轮
1．轴向流叶轮
高度搅拌
TS＜5.6 m / s。
常用搅拌器一般的叶端速度范围如下：
平桨
1.7～5 m / s；
涡轮
3～8 m / s；
螺旋桨
4.5～17 m / s；
盘式搅拌器
6～30 m / s。
叶端速度具有随着釜体直径的增大而减小的趋势。大多数工
业搅拌釜中，叶端速度为2 m / s左右，超过10 m / s的不多。
（2）对于非均相液-液分散过程，要求被分散的微团愈小愈好， 以增大接触面积，还要求液体涡流湍动剧烈，以降低两相传质阻 力。
（3）对于气-液分散过程，要求得到高分散度的“气泡”，控 制因素为剪切作用，其次是循环量。所以可优先选择涡轮式搅拌 器。
（4）对于固体悬浮操作，必须让固体悬浮于液体之中，主要 控制因素是总体循环流量。 （5）对于固体溶解，除要有较大的循环流量外，还要有较强的 剪切作用，以促使固体溶解。因此，开启式涡轮搅拌最适宜。
D/DT)，可以增大流体循环量和循环速度，同时减少了流体的剪切
速度，减小叶轮直径的作用结果与此相反。
一些常用搅拌叶轮的QR/H比依下列次序减小(即对流体的剪切
作用依次增大)：平桨、涡轮桨、螺旋桨、锯齿状叶轮、有缺口无 叶片的圆盘。
应用搅拌的某些工艺过程，对QR/H比的要求次序减小(即对流
体的剪切作用要求依次增大)的顺序是：混匀、传热、固体悬浮、 固体溶解、气体分散、液-液(不互溶液体)分散、固体在高粘度液 体中的分散。
R 90 P
式中
P ——搅拌功率，kW； μ——液体粘度，cP (1cP = 10－3Pa·s)； R ——有效作用半径，m。
5．标准搅拌釜
“标准”搅拌釜的几何尺寸如下(图2-12)：
(1) 叶轮是具有六个平片的涡轮式，叶片安装在一个直径为S的
中心圆盘上；
(2) 叶轮直径D等于搅拌釜直径DT的1/3； (3) 叶轮离釜底的高度Hi = 1.0D； (4) 叶轮的叶片宽度W = 1/5D； (5) 叶轮的叶片长度l = 1/4D； (6) 液体深度HL = 1.0DT；
使液体在与叶轮轴平行方向上流动的叶轮称为轴向流叶 轮。凡叶轮叶片与叶轮的旋转平面之间的夹角小于90°者， 都是轴向流叶轮。其中最常用的是标准的船用螺旋桨(图22a)。螺旋桨搅拌器有一种独特的使用方式，即从槽的侧壁 插进槽内(2-2b)，使体积相当大的槽内的液体产生良好的 循环流动，这种方式常用于使沉降速度低而且没有腐蚀性 的纤维状固体物料保持悬浮，对于大到15000米3的汽油槽 搅拌就是这类典型搅拌操作之一。在轴流式叶轮中，还有 风扇形涡轮或有两个倾斜叶片的平桨(图2-2c和d) 。
图2-6 平桨式搅拌轮
2.1.5 搅拌槽中的打漩现象与挡板
1．打漩
无论是轴向流叶轮还是径向流叶轮，当 置于槽的中心位置上搅拌粘度不太高的液 体时，只要叶轮的旋转速度足够高，都会 产生切向流动，严重时可使全部液体沿着 围绕搅拌器轴的圆形轨道团团转。槽内液 体在离心力作用下涌向器壁，使周边部分 的液面沿槽壁上升，中心部分的液面自然 下降，于是形成一个大漩涡(图2-7)。 叶 轮的旋转速度愈大，漩涡的深度愈深。这 种流动形态叫做 “打漩”。
换句话说，不同工艺过程要求的QR /H的比值是各不相同的。
从式(2-4)和式(2-5)可知：
QR D
H
N
由式(2-7)得
(2-8)
1
N
P D5