化工原理第三章 液体的搅拌

第三章 液体的搅拌

一、搅拌目的和方法

1、搅拌目的

均相混合： 互溶液体的混合

非均相混合：不互溶液体的分散、接触 液、液

气、液的分散、接触

固体颗粒在液体中悬浮接触（cat ） 传热

2、方法

机械搅拌 （图3-1）

气流搅拌、射流搅拌、静态混合、管道混合

二、搅拌器的类型与选用（表3-1）

根据工作原理分类：

旋浆式：（工作原理类似轴流泵叶轮

轴向、切向运动）

大流量、低压头

涡轮式：（工作原理类似离心泵叶轮，

径向、切向运动）

小流量、高压头

三、混合效果的度量

（传热：传热系数；反应：转化率）

1、调匀度：使B A V V ,完全均匀混合后，平均浓度 B A A Ao V V V C +=

在搅拌器内任意地取样分析浓度，则定义调匀度：

Ao

A C C I = （当Ao A C C <时） Ao

A C C I --=11 （当Ao A C C >时）

显然，I<1，完全均匀时，I=1

调匀度只能反映某局部的混合均匀效果，且其值与取样量的多少有关，整体混合效果用平均调匀度： m

I I I I m +++= 21

2、混合尺度（分隔尺度） 图3-2

分散物质微团尺寸（分隔尺度）的大小与调匀度应同时作为搅拌效果的描述指标，对不同的物系，其可能达到的尺度：

互溶液体： 分子尺度

不互溶液体：只能达到微团尺度，搅拌越激烈，

微团尺度越小

液固系统： 只能大尺度

四、混合机理

1、 大尺度的混合机理：（混合均匀）

对微团尺度无要求，只要求微团均匀分布在容器内各处，要求搅拌器能产生强大的循环流量（总体流动），并且无流动死角。

（总体流动：图3-3、3-4）

2、小尺度混合机理

A .微团的形成：由于流体内部的剪切力使液滴

变形，碎成小液滴，湍动越激烈，

剪切力越大，微团尺度越小。

高压头——大小尺度

大流量——混合均匀

B .互溶液体的混合机理:

分子尺度的混合，只能靠分子扩散完成。搅拌

只是将大液滴-->小液滴，即微团分散成小尺

度，缩短达到分子尺度的时间，加快混合速

度。

C. 不互溶液体的混合机理:

总体流动只能获得较大的液滴和较好的均匀性，要得到小尺度的混合，须增加液滴与连续相的相对速度（剪切力）和表面压力，使液滴破

碎。

所以，大尺度混合只须大的总体流量，而对湍动要求不高。为达到小尺度混合均匀，除产生强大的总体流动，还须产生强大湍动。总体流动的湍流程度越高，液滴尺寸越小。

3 、液滴尺度的分布

表面张力----小液滴合并

剪切力-----大液滴破碎（抗衡）

当容器内湍动不均匀时，则液滴分布不均匀，为使液滴分布均匀，采取的措施：

A. 设法使容器内湍动分布均匀

B. 加表面活性剂，改变液滴的表面张力

（如高分子单体聚合）

五、搅拌器的两大功能

1．产生强大的总体流动（循环流动）

2．产生高度的湍流（强剪切力）

几种常用搅拌器的性能：

（1）旋浆式搅拌器

（循环量大，湍动弱，圆周运动）

悬桨产生轴向流动，大尺寸调匀

（2）涡轮式搅拌器

（两路循环，湍动强，圆周运动）

桨叶外缘造成激烈的旋涡运动和很大的剪切力，液体微团分散细，适合于小尺度均匀的混合过

程。

（3）大叶片低速搅拌器（适合高粘度）

（包括浆式，锚式，框式，螺带式等）浆式：径向范围大，轴向流动范围不大

螺带式：径向范围大，轴向流动范围大

六、强化湍动的措施

湍动程度以搅拌器产生的压头反映，

湍动——阻力损失

1．提高搅拌器的转速H∝n2

2．阻止容器内液体的圆周运动

按装挡板（图3-5）

偏心安装（破坏对称性）（图3-6）

3．装导流筒（图3-7）

七、搅拌功率

1. 搅拌功率：搅拌器消耗的能量用于向液体提供

能量。

gVH N ρ=

H gq P V ρ=

大尺度：q v 大 小尺度：H 大 P 大 对搅拌器,要求能消耗更多的功率（如设置挡板）,以获得较好的搅拌效果。（与泵不同） 搅拌器设计：不是设法提高效率η

而是设法增加功率P

能量利用

2 .功率曲线

影响功率的因素有：

搅拌器直径d ，叶片数，容器直径D ， 液体高度h ，搅拌器离底距离，档板数。

d

h

d D d n f P ===2121,,)

,,,,,(ααααμρ 因次分析法：⎪⎪⎭⎫

⎝⎛=212

53,,ααμρϕρnd d n P

对几何相似的搅拌装置：

()M d n P

Re 53ϕρ=

功率准数K ： ()M K Re ϕ=

53d n K P ρ=

搅拌雷诺数 ：μρ

n d M 2

Re = ，

nd u = 图3-9：

层流区：

3212,,10Re d n C P ud C K M μμρ=⎪⎪⎭

⎫ ⎝

⎛=<- 湍流区: 410Re >M ,K 常数,53d n P ∝

3 .搅拌功率的分配

流量取决于面积（2d ）与速度（nd u ∝） 3

nd q V ∝

22d n H ∝(压头正比于速度的平方) H gq P V ρ= n

d H q V ∝ 结论：若希望达到大尺度混合时，应选择旋浆式 的搅拌器和大直径低速度的搅拌器，反之，则应 选择涡轮式和小直径高转速的搅拌器。

八、搅拌器的放大

1.搅拌器的研究及设计要解决的问题

A .搅拌器的类型，几何形状与尺寸

B. 搅拌器的操作转速、输入功率

2.放大原则

A.保持放大前后雷诺数相等

即 22

2211d n d n =

B.保证放大前后单位容积流体的功率相等

即 22322131d n d n =