聚合第五章)

搅拌雷诺数与流态
❖ 搅拌桨叶的动力特性、循环特性、混合特性， 分别用无因次准数表示。
5.4 搅拌功率的计算
P f (N, D, , , g)
P KN a Db c d g e
千克 秒2
米
米
秒
秒－1
米
千克 米3
千克 米/秒2 米2
秒
千克 米秒
ML2 t3
NRe( p)
dp
ut
N Re( p) 0.3
NRe( p) 1000
呈层流状态； 为湍流状态。
8.计算搅拌轴功率消耗。
第六节搅拌器的混合特性
一、混合机理及混合特性 在搅拌釜中，通过桨叶的旋转把机械能传递给釜内物
料，造成液体强制对流，混合过程正是在强制对流作用下 的强制扩散过程。
强制扩散有两种方式，即主体对流扩散和涡流扩散。
流体的流动状况，简称流况，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况可以分为两 个层次：宏观状况与微观状况，它 们对搅拌效果起着不同的作用。
搅拌雷诺数与流态
在搅拌釜内，常以桨叶的端速ND作为定性速 度，所以搅拌雷诺数定义为：
搅拌雷诺数不仅决定搅拌釜内流体流动的 流 态(层流、过渡流、湍流)，而且对搅拌器的 特性和行为也有决定性作用。
ud fw ut (表5－8)
（表5－10）
4.选定搅拌桨叶形式及桨叶直径，即确定桨叶直径与
釜径之比值D/T；
5.根据表5-7选定搅拌等级；
6.计算搅拌桨叶转速，可运用图5-20由选定的搅拌级
别、D/T值及ud读取Φ值，计算转速N:
1
N
ud
9.28103
D2.81
3.75
7.校正颗粒雷诺数NRe(p)
[1 d
1.5d c d
]
m L[1 2.5 7.54 2 ]
有挡板
聚合反应工程
➢ 搅拌器的泵送准数 NQ 和叶轮雷诺数 NRe
➢ 搅拌器的泵送能力和转速
计算依据:
对于要求达到混合和搅拌这一 类过程效果的搅拌器，转速的 计算主要借助于NQ和NRe的函 数关系(NQ ——Nre算图)。
聚合反应工程
根据要求达到的搅拌强烈程度选定泵送量Q，即可从NQ求 出搅拌器的转速N；然后进行第二次试算.
用算得的值计算雷诺数NRe ，再读出NQ并计算N. 这样试算下去，直到由NQ算出的N值，由N值算出的NRe值
和读图时所用的NRe值一致，N值即告求定.
❖ 颗粒悬浮类型搅拌转速的确定法
大多数混合过程，主体对流扩散、涡流扩散、分子扩 散这三种机理同时存在。
搅拌釜的混合效果评价
❖ 无因次数C1(混合时间数)： 达到规定混合程度时搅拌器所需回转总数。
C1 M N
混合时间 （C1越小，说明混合速率越大）
湍流域：涡轮式、桨式、推进式搅拌器：C1＝常数。 层流域：D/T接近于1的轴向循环能力较强的螺带式以及螺杆导流筒搅拌器：C1＝常数
搅拌聚合釜设计的一般步骤： ❖ 分析和理解搅拌器的作用. ❖ 针对具体聚合过程正确选择搅拌器的型式. ❖ 搅拌过程是一个流体动力过程，理论基础是流体
动力学. ❖ 在此基础上进一步着重讨论不同聚合方法对搅拌
过程提出的要求，使在设计搅拌聚合釜时具有一 定的理论分析基础.
第二节 搅拌釜内流体的流动状况
D/T的值一般在0.2至0.6之间； 5. 运用NRe--NQ 函数关系，求搅拌器转速N； 6. 对搅拌器进行粘度校正（Dc =D/CF），表5-6。 7. 利用Dc计算搅拌器所需要的功率。
聚合反应工程
➢ 用尝试误差法由NQ – Nre 算图求搅拌器转速 N
首先确定叶轮的直径D和釜径T， 然后假设搅拌达到湍流状态， 则从图5-12即可读出相应的NQ .
]
无挡板，水相体积比>40%
m
0 x0
[1 1.5xww ] w 0
无挡板，水相体积比<40%
当固体粒子为“能自由流动”时：
m L (1 0.5s ) /(1 s )4
当固体粒子为“不能自由流动”时：
L s m L
0.460 0.00158 L R
0.469
0.79s
料浆粘度计算：
m
c 1 d
聚合反应工程
➢ “混合和搅动”类型搅拌器设计计算的具体步骤
(Design and Calculation Steps)
1. 根据设计任务的尺度确定釜的有效容积，确定釜的直径T 和液层深度Z,即Z/T；
2. 根据要求的搅拌程度，确定搅拌级别及总体流速； 3. 计算搅拌器的泵送量Q； 4. 选定浆叶直径与釜径的比值D/T，初步求出浆叶直径D。
总体流速m/min 1.8
3.7
5.5 7.3 9.2 11.0
搅拌效果
1～2级搅拌适用于混合密度及粘度差很小的 液体 2级搅拌可以把能够相互混合的密度差别小于 0.1，粘度差别小于一百倍的液体混合均匀， 液面平坦。
3至6级搅拌是多数间歇反应所需要的搅拌程 度 6级搅拌可以将能够相互混合的密度差别小于 0.6，粘度差别小于一万倍的液体混合均匀。 可使沉降速度小于1.2m/min的微量固体（ <1%）保持悬浮。液体粘度小时，液面呈波 浪形。
1 t
a
(L)b
M L3
c
M Lt
d
L t2
e
cd 1 b - 3c - d e 2 - 3 -a - d - 2e
P
KN
3 D5
ND 2
d
DN g
2
e
P
N 3D5
K
ND 2
p
DN 2 g
q
搅拌功率准数：
NP
P
N 3D5
搅拌雷诺数：
N Re
ND2
搅拌弗鲁德准数：
3.计算搅拌桨叶的排出流量qd; qd u(T2 / 4)
4.选定桨叶直径与釜径比值D/T，初步求出桨叶直径D 5.运用雷诺准数NRe和排出流量数Nqd关系图（图5-17）， 求算搅拌桨叶转速N； 6.对搅拌桨叶直径进行粘度校正，校正因数CF见表5-6。 De=D/CF.
百度文库
搅拌级别 1
2
3 4 5 6 7 8 9 10
N
q Fr
1.2 1.02
-0.0976 1.2
P NP N3D5 1.99kW
三、非均相体系搅拌功率计算 ❖ 气－液体系
通气流率
lg Pg P0
192(D
/
T
)4.38
ND2
0.115
DN g
2
1.96( D
/T)
q ND3
不通气条件下 的搅拌功率
通气系数G=q/ND3：
具体设计计算步骤如下： 1.先假设颗粒雷诺数值处于层流或湍流域，分别计算密度 差（ρp-ρ）/μ或（ρp-ρ）/ρ 2.根据颗粒直径dp及密度差由p166图5-19查取极限沉降速 率ut; 3.当悬浮体系的稠度较高时，颗粒之间容易发生粘合，此 时将大于单个颗粒的沉降速率。经验表明，稠度愈高，搅 拌愈困难，因此须校正以求出设计沉降速度ud；
60 1310-3
8104
查图5－13中的曲线2得： 0.32
NP
N
q Fr
0.32
NP
P
N 3D5
P NP N3D5
0.
321300
300
3
0.
45
60
533W 0.53KW
（2）根据图5－13曲线6查得
6.3
P NP N3D5
6.31300 300 3 0.45 60
12.8
7级至10级搅拌为要求甚高的聚合釜等反应器
14.6
所需要的搅拌级别。10级搅拌可将密度差别 小于1.0，粘度差别小于10万倍的液体混合均
16.5
匀。可使沉降速度小于1.8m/min，含量小于 2%的固体保持悬浮。液体粘度较小时，液面
18.3
产生大浪涛。
➢ 桨叶直径的粘度校正因素
聚合反应工程
单体体积混合能
➢ 搅拌器设计步骤及最佳化
聚合反应工程
在满足工艺过程要求的前提下,主要是一个经济问题.
聚合反应过程对搅拌 过程的要求
掌握必要的物性数据
任务的尺度 （搅拌体系的体积）
搅拌体系的尺寸 （釜径T，液位Z）
确定搅拌器叶轮的直径D 无
适
根据搅拌任务的难度计算
当
搅拌器的转速N
系
列
计算搅拌器的轴功率P
10480W 10.5KW
（3）q 0
NRe>300
q lg NRe D /T 0.4 /1.2 0.333
查表得： 1.0, 40.0
q lg NRe 1.0 - lg80000 -0.0976
40
N Fr
DN 2 g
0.4
300
2
60
9.81
1.02
NP
N qd
N qd
N Re 20 NRe
N qc
N qc
N Re 65 NRe
❖ 二、搅拌转速的确定
本体聚合 及溶液聚合：
混合和搅动
混合搅动型
悬浮聚合：
分散和悬浮
悬浮型
❖ 混合和搅动类型的搅拌转速的确定法
设计混合及搅拌类型搅拌装置的步骤为： 1.根据生产任务确定搅拌釜容积和釜径T； 2.根据所需搅拌程度确定搅拌等级和总体流速; u
❖ 无因次数C2： 达到规定的混合程度时，流体所受的剪切量。
C2 M
PV
单位体积功率
❖ 无因次数C3： 搅拌器回转一次，流体所受的剪切量。
C3 PV / N
❖ 无因次数C4（混合效率数）： 一定的流体粘度μ和混合时间θM下，搅拌器所需的单
位体积混合能。
C4 C22 M PV M / WvM /
qc qd qi
循环流
排出流 同伴流
qd Nqd ND3
qc Nqc ND3
Nqc qc / ND3
循环流量数
在湍流域，它们的关系是：
Nqc Nqd 1 0.16[(T / D)2 1]
影响Nqd及Nqc的主要因素是雷诺数及桨叶特性：
当NRe<103, D/T=0.25～0.508时：
N Fr
DN 2 g
聚合反应工程
➢ 搅拌器的功率准数NP和雷诺准数NRe的关系曲线
例：在一直径为1.2m，液深为1.2m，内装有4块挡板 (BW/T=0.10)的反应釜内，反应液的密度为1300kg/m3，粘 度为13×10－3Pa•s，今用一三叶推进式搅拌器 (D=0.4m,S/D=1)以300转／分的转速进行搅拌，计算：
❖ C区间(NRe l00～1000) 此时处于过渡流态， 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。
❖ D区间(NRe＞1000) 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，釜内流体虽为 湍流状态，但上下循环流不会遍及整个釜内， 易出现死角。
P 0.32N 3D5 533W
若改用同样直径的六叶平直圆盘涡轮，转速不变，
查P155表5-1可知：K1=6.3
P
K1N 3D5
6.3 1300
300 3
60
0.45
10480W
另一种方法：
NP
/
N
q Fr
NP
N
q Fr
q0
q0
N Re
N Re
ND2
1300 300 0.42
搅拌雷诺数与流态
❖ A区间(NRe＜10) 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(NRe10～l00) 当雷诺数达数十时，自桨 叶端开始有吐出流产生，并引起整个釜内流体 的上下循环流动(可能尚存在四周死角)，此时 处于层流。
搅拌雷诺数与流态
Pg / P0 11.26G G<3.6×10-2
Pg / P0 0.62 1.85G 3.6×10-2<G<11×10-2
也可通过查图p158图5-14。
❖ 液－液、液－固体系
密度 粘度
液－液体系
，
液－固体系
m x1 y2
m x1 y2
敞口槽 封闭槽
m
1x
y 2
m
w xw
[1
6.0 x0 0 w 0
(1) 搅拌轴功率消耗
(2) 若改用同样直径的六叶平直圆盘涡轮，转速不变，搅拌功 率是多少？
(3) 若釜内不设挡板，仍采用六叶平直圆盘涡轮时，其搅拌功 率是多少？
解：
❖ 解：
N Re
ND2
1300 300 0.42
60
1310-3
8104
P K1N 3D5
查P155表5-1可知：K1=0.32
聚合反应工程
本章主要内容 (Chapter Outline)
❖ 搅拌聚合釜内流体的流动状况，搅拌桨叶的动 力特性、循环特性、混合特性等基本概念。
❖ 搅拌器的设计步骤，方法： 均相聚合——“混合和搅动”类型聚合釜搅拌器 的设计 非均相聚合——“分散和悬浮”类型聚合釜搅拌 器的设计
聚合反应工程
本章重点及难点 (Focus and emphasis)
产
品
选定减速装置及电机的规格
可
选