第四章液体的搅拌

最小液体深 0～ 0.3～ 1.5 3～ 4.5～
度/m
0.3 1.5 ～3 4.5 6
槽径与液体 2 3
深度的最大 比值
457
三、常见搅拌器的类型
搅拌器是机械搅拌装置的主要组成部 分，由电机直接带动或者通过减速装置传 动，在液体中做旋转运动，使液体在搅拌 槽内产生高度湍动。同时，产生的高速液 流又推动全部液体沿着一定途径在槽内做 循环流动。
▪ 实现搅拌操作的方式有很多，包括
机械搅拌 气流搅拌 射流搅拌 静态混合以及管道混合
二、机械搅拌装置
常用的机械搅拌装置由一下几个部分组成 盛装被搅拌液体的容器，即搅拌槽
一根旋转中心轴及安装在轴上的推 动器，即搅拌器
辅助部件，如密封装置、支架、槽壁上 的挡板等
搅拌操作的效果和消耗的功率，不仅 取决于叶轮的形状、大小和转速，也取决 于被搅拌液体的特性，搅拌槽的形状和大 小以及槽壁上有无挡板等因素。
气液密度差大，大气泡受到的浮升 力大，易溢出液体表面；
气-液搅拌器一般应选择产生强剪切作 用的搅拌器，但对于发酵罐等生化反应器， 由于微生物细胞对剪切作用比较敏感，较 强的剪切作用会损害微生物细胞结构，因 此需采用产生较小剪切作用的搅拌器。
3）固-液体系
搅拌目的一是使固体颗粒在液体中均 匀悬浮，二是降低固体颗粒表面的液膜厚 度，减少扩散阻力，加速固体颗粒的溶解 以及化学反应。
搅拌槽是盛放搅拌器和被搅拌物料的 容器，一般为直立的圆形槽，槽底形状应 有利于流线型流动为宜，以减少功率消耗。 通常选择蝶型底，避免使用锥形底，否则， 易使液体停滞或使悬浮着的固体聚积。方 形槽和有棱角的槽，因在拐角出也易使液 体停滞，都应当避免。
槽中所盛液体深度一般与槽径相等，对于 浅槽推荐下列极限值：
设容器中有体积分别为 VA 和 VB两种
液体，则A的平均浓度为：CA0
VA VA VB
I CA CA0
当CA<CA0
I 1CA 1 CA0
当CA>CA0
若取 n 个样品，则平均混合百分数为
I I1 I2 L In n
2、搅拌器操作与搅拌的附件
1）“打旋”现象
2）“打旋”现象的后果
针对不同的物料系统和不同的搅拌目 的，出现了许多结构形式的叶轮。
轴向流式
螺旋桨式 螺带式
涡轮式 径向流式 平直叶片桨式
锚式和框式
第二节 混合机理
分子扩散：在分子尺度的空间内进行
湍流扩散：由旋涡分裂运动引起，在 涡旋尺度(微团)空间内进行。
主体对流扩散：包括一切不属于分子 运动或涡旋运动所引起的扩散过程。 在大液团空间内进行。
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。
2）气-液系统
气相为分散相，以气泡的形式分散 于液相之中，其分散原理与液滴相同；
气-液界面张力大于液-液界面张力， 分散更加困难，气泡的直径大于液滴直 径；
1、均相物系的混合机理
1）低粘度液体的混合机理：
由于强剪切作用，大涡旋的分裂使液团分 散成小尺度旋涡。
由于粘滞阻力，能量全部转化为热能而耗 散。
叶轮附近剪切力大，湍动最为激烈，液体 的混合作用主要发生在叶轮附近的混合区中。
对于低粘度的互溶液体的混合，提供足够 的循环量是主要的，剪切强度次之。
2）高粘度液体的混合机理
在湍流区域，叶轮效率差。在滞流区 域，混合作用依赖充分的总体流动。
应使用大直径搅拌器，如框式、锚式 和螺带式等。
2、非均相物系的混合机理
1）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。
3）打旋的解决办法
安装垂直挡板
搅拌器偏心倾斜安装 使用导流筒
3、标准搅拌装置构型
搅拌器标准构型的说明
叶轮是具有6个平片的涡轮式，叶片 安装在一个直径为r的中心圆盘上； 叶轮直径d等于搅拌槽直径D的1/3
叶轮距槽底的高度为Hi＝1.0d 叶轮的叶片宽度W＝0.2d；
搅拌器标准构型的说明
叶轮叶片的长度L＝0.25d 液体深度H＝1.0D 挡板数目为4，垂直安装在槽壁上， 并从槽底延伸到液面之上 挡板宽度Wb＝0.1D。
注意
上述标准构型在某些场合中并非最为 适用。例如，对于固体含量很高或粘度很 高的液体，可能就不适用。又如，若液体 的深度有改变，可能要求叶轮接近槽底； 若液体深度大于槽径的1.25倍，则应使用 多个叶轮。
总体流动将液体分割成大尺度液团 (大尺度混合)；大尺度液团在涡旋作用下 变形破裂成微团 (微团间混合)；涡旋的变 形破裂增加和更新了液团高低浓度区域之 间的接触表面，促进了分子扩散。
要达到微团的最终消失，即分子尺度上的 完全均匀混合，只有依靠分子扩散。
多数混合过程三种机理同时存在。湍流扩 散系数约为分子扩散系数的105~107倍， 湍流搅拌中，湍流混合占主导作用。
液体只是随着叶轮团团转而不产生 横向或垂直的上下运动，没有产生混 合的机会。
叶轮周围的液体下降，形成一个漩 涡，旋转速度越大，漩涡中心向下凹的 程度越深，最后可凹到与叶轮接触。导 致搅拌功率下降。
打旋时功率的波动会引起异常的 作用力，易使转轴受损，加剧搅拌器 的振动，甚至使它无法继续操作。对 混合不利。
悬浮临界转速：所有固体颗粒全部悬 浮起来 (流化) 时的搅拌速度。它叶轮的 大小和设计关系极大。
实际操作中，搅拌转速必须大于临界 转速，保证固液两相的接触界面。
第三节 搅拌器的性能
一、搅拌效果 搅拌效果可有不同的表达方式。若为 强化化学反应，可用转化率来衡量，若为 传热与传质，则可用传热系数和传质系数 的大小来衡量。 这里讨论的是以混合指数I表示的搅拌效果
第四章 液体的搅拌
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第一节 概述
一、搅拌的用途
使两种或多种互溶的液体分散 不互溶的液体之间的分散与混合 气体与液体的混 使合固体颗粒悬浮于液体之中 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 硫酸浸取磷矿浆制取磷酸过程中，搅拌使 磷矿颗粒和生成的磷石膏晶体悬浮于液体 之中，同时又加速了化学反应、传热、传 质过程的进行。