化工原理 第4章 搅拌

4.4 切向流
搅拌槽内流体流动型态
----层流、湍流
流动型态判定参数：搅拌雷诺数
Re
D2n
nD--桨叶的叶端速度
式中：
D---搅叶轮直径，m； 、----物料密度kg/m3、黏度kg/ms；
n---搅拌桨转速，1/s。
例如：标准六直叶涡轮桨
Re＜10 层流 Re＞104 湍流 10＜Re＜104 过渡流
搅 拌 桨--- 核心部件 驱动装置---通常由交流电机、齿轮减速机或
皮带轮减速装置构成，使搅拌桨 达到规定的转速。 内部构件---挡板或导流筒
图4.1 搅拌设备结构图
4.2.2 搅拌的基本流型与型态
轴向流 (Axial-flow)
液体在搅拌槽内形成的总体流动为轴向和 切向的大循环，湍动程度不高，适用于低粘度 的互溶液体的混合、固体颗粒的悬浮以及强化 槽内的传热等。
4.2.4 基本搅拌模式的变化
在无挡板槽中，搅拌桨偏心安装可以有 效地进行搅拌。
4.3 搅拌功率
4.3.1搅拌槽内叶轮的泵出流量、压头及功率
泵出流量 Q：叶轮直接排出的液体体积流量，(m3/s或m3/h)。 循环量 Q’：所有参与循环的液体体积流量。 由于叶轮排出液流的夹带作用，Q’ > Q，有时大出几倍。
(1) 由工艺要求，确定搅拌器的类型及搅拌槽的几何形状； (2) 通过小规模实验，确定搅拌装置的具体几何构形，然后放大，确定具体尺寸、转速和功
率。
4.4.1搅拌装置的放大
几何相似：全部相应的尺寸有相同比例 (几何构形相同)； 运动相似：对应点有相同速度比，且有相同的运动方向； 动力相似：对应点上各种力(惯性力、流体粘滞力、表面张力和重力)的比例相等(Re、Fr、 We相同)。 雷诺数 Re：惯性力与粘滞力之比； 弗鲁德准数 Fr：惯性力与重力之比； 韦柏准数 We = n3d2 / ：惯性力与界面张力之比。
螺旋桨式：直径小、转速高、流量大、压头低。 螺带式：旋转半径大，搅动范围广、转速低、压头小， 适于高粘度液体的搅拌。
自强不息 知行合一
4.2 轴向流
径向流 (Radial-flow)
液体在槽内作切向和径向的涡旋运动，总体流动较 复杂。适用于搅拌中等和低粘度的液体，特别适用于不 互溶液体的分散、气体和固体的溶解、液相反应及传热 等操作，对于易分层的物系则不适用。
自强不息 知行合一
例题4-1
某生物碱提取生产过程中需要用到的搅拌器，已在符合典型结构（有挡 板）的模型试验中取得满意的结果；搅拌槽直径T＝0.225m，而生产规模 T’=2.7m。为进行逐级放大试验，分别又建造了两个较上一级模型为大的典 型构型搅拌槽，用同样的料液进行实验，其尺寸及达到同样工艺效果时的转 速见表。求生产装置设定的转速。
b
h
l
B
对几何相似的搅拌装置，各形状因子均为常数。
hi
d
D
N f n , d ,,, g
N
n3d5
fnd2,ng 2d
P0 —— 功率准数 Re —— 搅拌雷诺准数，表征液体流动类型
Fr —— 弗鲁德准数，表征打旋。
“标准”构型搅拌装置
P 0 fR ,F e r
自强不息 知行合一
P 0kRxeFyr
在湍流区域 (Re>103) ：
NQ'
NQ 10.16 D d 2
1
泵出流量准数 NQ=Q/nd3 循环流量准数 NQ’=Q’/nd3
湍流区：NQ 与 Re 无关，为一常数
叶轮对单位重量液体所作的功即压头 H。 H 与速度 u 的平方成正比，而 u nd，故
Qn d3 H n2d2
Ø 要功率消耗小，搅拌效果好，就应根据工艺要求正确地配置好搅拌装置，合 理地分配功率消耗。
Ø 功率相等条件下，大直径、低转速叶轮更多的功率消耗于总体流动。小直径、 高转速的叶轮更多功率消耗于湍动。
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4.3.2 功率关联式及功率曲线
由于搅拌槽内液体的运动状况很复杂，影响功率 的因素很多。不能由理论分析法，常利用因次分 析方法，通过实验关联。
自强不息 知行合一
4.5.2 不互溶的液-液体系统
一相为分散相(液滴) ，另一相为连续相。 叶轮附近，湍动程度高，剪切力大，液滴的破碎速率大于凝聚速率，液滴 尺寸小。在远离叶轮区域，液滴的凝聚速率大于破碎速率，因而液滴的尺 寸大。 液滴的分散、凝聚、再分散过程不仅增加了接触面积，更新了液滴的表面， 而且也使连续相中扩散阻力减少，强化了相际传质。 在混合液中加入少量的保护胶和表面活性剂，可使液滴难于凝聚，液滴趋 于均匀。
操作。
n1d1n2d2
(3) 保持雷诺数Re不变
ห้องสมุดไป่ตู้
n1d1 2n2d2 2
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(4) 保持弗鲁德准数Fr不变 (5) 保持韦伯准数We不变
n1 2d1 n2 2d2 n1 2d1 3n2 2d2 3
搅拌装置的放大过程非常复杂，应根据具体工艺条件的要求，选定合适的放 大准则，以便得到较为理想的放大效果。
将 或 P0 与 Re 标绘在双对数坐标上，就可得到功率曲线。 对一具体几何构型只有一条功率曲线，与搅拌槽大小无关。
Np
Betas的Np-Re关系曲线
自强不息 知行合一
四叶折叶涡轮的Np-Re关系曲线
层流区：Re<10 湍流区：Re>104
P 0kR e 1
N
n3d5
71d2n1
N71 n2d3
P0 k P 06.1
N6.1n3d5
过渡区：10＜Re<104
对有档板搅拌装置
P 0kRx e
对无档板搅拌装置，Re>300，由于打旋现象，Fr 不能忽略：
P0
Fr y
y ( lo R ) g /e
、 是与叶轮形式，直径及搅拌槽直径有关的常数，其值可查阅有关手册。
自强不息 知行合一
4.4 搅拌装置的放大
液体示踪剂实验
50
70
100
120
150
170
不同转速对液体示踪剂分散效果的影响图
液体示踪剂，我们用的是植物油，密 度0.93g/cm3 。
P0 Fry
kRex —— 功率函数
若搅拌器中没有发生打旋现象，则不考虑 Fr 的影响，
即y=0
P 0kRx e
若将形状因子 S1, S2,．．．Sn 考虑进去，则
P 0 k R x F e y S r 1 i1 S 2 i2 S n in
式中 k 为与流态区间有关，与几何构型有关的常数。
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4.1 概述
第四章
4.2 搅拌设备 搅拌设备结构（组成）
搅拌
搅拌的基本流型与型态 搅拌的基本搅拌浆型
搅拌器的结构变化
（STIRRING）
搅拌模式的变化 4.3 搅拌功率
4.4 搅拌应用实例
4.1概述
(1) 搅拌的定义：
使两种或多种物料进行混合的操作。 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。
4.2.3 搅拌的基本搅拌浆型
4.2.4 档板、导流筒
挡板：为了防止打旋现象的出现和加强
湍流程度，在槽内安装档板。过多的档 板将减少总体流动，并把混合局限在局 部区域内，导致不良的混合性能。
导流筒：引导液体流入和流出搅拌器的园
形导筒。可控制液体的流向和速度，减少 短路机会，提高混合效果。特别是含有固 体颗粒的液体可得到均匀的悬浮。
4.5 搅拌应用实例
4.5.1操作目的和搅拌效果表示法
操作目的 均匀混合 非均相分散
非均相传质
传热
搅拌物系 调和均相互溶液系
液-液相系
气-液相系 固-液相系 溶解（固-液相系）
萃取（液-液相系）
吸收（气-液相系）
固-液相系
搅拌效果表示法
混合时间θM或NΘM=N*θM
均匀分散（乳化）时间θM；分散相液滴的比界面积a，或滴径分布，或平均滴径 d32 均匀分散时间θM；气泡的比界面积a，或气泡的平均直径dB和气泡直径分布 悬浮状态，悬浮临界转速Nc；悬浮固-液浓度或比表面积a 溶解速度或平均溶解速度 以固体粒表面积为基准的液膜传质系数kc，总传质系数K 萃取速度，萃取效率，液滴比表面积a； 总容积传质系数Kv或液滴内（外）表面为基准的液膜传质系数kCd 吸收速度，气泡比表面积a 总容积吸收系数Kv，膜传质系数kg，k1 传热速度Q（kJ/h）,单位容积传热速率Qv(kJ/m3.h) 液膜传热系数αL，总传热系数K
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4.4.2放大准则
(1) 保持单位体积功率消耗 (N/V) 相等
用于流体物性不变，放大比不太大，搅拌效果主要依赖于流体的湍动强度的情况。
在充分湍流区
n1 3d1 2n2 3d2 2
(2) 保持叶端速度不变
对几何相似系统即保持单位体积功耗的叶轮扭矩相等。适用于需要较高 (H/Q) 的
(2) 搅拌分类：
l使两种或多种互溶的液体分散 l液-液体系的分散与混合（萃取、金渣） l气-液体系的分散与混合(气泡微细化、吸收、精炼) l固-液体系的分散与混合(悬浮液、种分、KR脱硫等) l气-液-固系的分散与混合（碳化过程） l加速化学反应、传热、传质等过程的进行。
搅拌可以同时达到几个目的，例如用氧化铝种分过程中，搅拌使氢氧化 铝精种颗粒和生成的氢氧化铝晶体悬浮于液体之中，同时又加速了化学反 应、传热、传质过程的进行。
自强不息 知行合一
搅拌器本质上是一个泵，任何叶轮提供的功率都会产生泵送流 量及压头，其功率可表示为：
NQ H
Ø N 相同时，既可产生大流量、低压头，也可产生高压头、小流量；
Ø 叶轮提供给液体的全部功率用于产生流量和压头；
Ø 不同工艺过程对 Q 及 H 要求不一样，例：低粘度均相液体的混合需要泵送流 量大而气-液混合需要强剪切作用。
涡轮式：转速高，叶片宽，与螺旋浆式比较流量小、压头高。 平叶片浆式：叶片较长、转速较慢，产生的压头较低。可用于较高 粘度液体的搅拌。 锚式和框式：旋转半径更大 (仅略小于反应槽的内径)，搅动范围很 大，转 速更低，产生的压头更小，适用于较高粘度液体的搅拌，也 常用来防止器壁产生沉积现象。
4.3 径向流
自强不息 知行合一
问题：如何保持几何相似的大小两搅拌槽中流体动力学状态相似(Re、Fr、We为 常数) ？
Re相等：
n1d1 2n2d2 2
Fr相等：
n1 2d1 n2 2d2
We相等：
n1 2d1 3n2 2d2 3
以上关系相互矛盾，即在几何相似条件下，不可能满足动力相似。实践中应根 据过程特性，设计好模型，在几何相似的前提下，分别以某一准数作为放大准则 来确定装置尺寸、转速和功率，再对过程效果及经济性进行综合评价、修正某些 几何条件。
搅拌槽号
槽径/T
叶轮直径/m
转速/r.min-1
1
0.225
0.075
2
0.45
0.15
3
0.90
0.30
1275 632 320
解：为了找出在放大中保持数值恒定的放大判据，对提出的五个判据用实验 数据进行分析，因有挡板，故可不考虑Fr准数，对余下的四个判据的分析如 下
搅拌槽号
D2n
Dn2
Dn
D2n3
1
7.2
12.2×104
95.6
11.7×106
2
14.2
5.99×104
94.8
5.68×106
3
28.8
3.07×104
96.0
2.95×106
可见，Dn不变，即应保持叶轮末端的切线速度不变，故在生产中直径为2.7m 时，对符合标准构型的搅拌器，其直径
d=2.7/3=0.9(m) 这时，叶轮转速应为： n’=nD/D’ =1275×0.075÷0.9=106(r/min)
(3)搅拌方式：
机械搅拌、气流搅拌、射流搅拌、静态混合、管道混合等。
(4)搅拌的作用：
使气体在液相中很好地分散
l使物料混合均匀
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
l强化传热、传质
强化相间的传质（如吸收等） 强化传热
4.2 搅拌设备
4.2.1 搅拌设备结构
槽 体--- 通常为圆筒形，底有平的、椭圆的， 锥形底和方槽因不利于流动不大采用。
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切向流 ( Tangential flow )
液体在离心力作用下涌向器壁，中心部分液面 下降，形成一个大旋涡。转速越高，形成的旋涡越 深。
有效容积降低，且几乎不产生轴向混合，搅拌 效果下降。严重时出现负压，从表面吸入空气，使 搅拌器不能正常操作。
解决方法：在槽内安装档板。过多的档板将减少 总体流动，并把混合局限在局部区域内，导致不良 的混合性能。