流体力学学习资料总结(搅拌)

4-3 搅拌器的流动特性及转速的确定
一、搅拌器的循环特性（qd、Nqd、Nqc、Nc、tc ）
排出流量qd（泵送能力）：单位时间内从桨叶排出的流量
排出流量 qd与该液体离开桨叶的平均速度和桨叶扫过的面积的 乘积有关。 qd ∝ūA A∝D² ，ū∝πND
所以：qd ∝ πND³
即： qd=NqdND³ Nqd= qd/ND³ Nqd称为排出流量数或泵送准数，反映了搅拌的剧烈程度，是搅 拌雷诺数NRe的函数
涡轮式搅拌器：
又称透平搅拌器，有开式和闭式两类。 根据桨叶形状，有平直叶片、弯曲叶片、倾斜叶片等。
从流动情况分析，物料被抽吸后，在离心力作用下，液体作切向和径向流动，并 以很高的绝对速度从出口冲出。出口液体的径向分速度使液体流向壁面，然后分 成上、下两路回流入搅拌桨叶，形成径向流况的循环流动，径向流动方向主要与 釜壁和转轴垂直，并在釜壁和转轴附件折转而向上、下垂直流动，此时既有垂直 液流，又有径向液流，使液体有良好的从顶到底的翻转运动而有利于液体混合。
螺杆及螺带式搅拌器：
当搅拌粘度大于10Pa.s的液体时， 不宜采用桨式、涡轮式、推进式搅拌器， 此时搅拌功率消耗明显增大，可用螺杆和螺带式搅拌器。 螺杆搅拌器又称螺轴式搅拌器，通常将螺杆桨置于釜中心，釜内设置离壁挡板或 导流筒，提高釜内液体的搅拌强度并造成一定的循环流行，提高混合效率。 螺带搅拌器适用于黏度极高的场合（如达10³ Pa.s）。螺杆/螺带式搅拌器旋转时， 内螺带迫使液体向下运动，外螺带则迫使液体由下向上的运动，从而可使液体充 分混合，不致产生停滞区。外螺带还可以与釜内壁很好地吻合，直接刮扫釜壁上 的液体，有利于夹套式搅拌釜的传热。
4、气体吸收及气液相反应：保证气体进入液体后被打散，进而能分散成更
小气泡并均匀分散，故控制因素是局部剪切作用、容积循环速率及高转速
这类操作以圆盘式涡轮最理想，特别是在湍流区操作时，使用圆盘式涡轮可以防 止气体由喷气圈进入后，从搅拌桨叶中央固体旋转部处走短路，降低吸收效果。
5、高黏度体系：由于体系黏度很大，搅拌转速低，物料处于层流状态，不可
（1）层流区：搅拌时釜内物料不会发生打旋现象，则重力对搅拌功率的 影响可忽略，此时q=0，此时φ=Np；此时直线斜率近似-1，p=-1代入得：
3 K 为与搅拌器结构型式有关常数） 则P = ������������N3D5 或 P = ������1������N2D（ 1
不同 搅拌 器K1、 K2值 (换表)
②多釜串联，每釜按不同黏度设置合适的搅拌器及操作条件
搅拌雷诺数不够时，就可能出现在近釜壁处的液体处于停滞状态，降低搅拌效果 ，如果是釜壁液体流动所需要的最低雷诺数较小，表明该搅拌桨叶的搅拌效果好
搅拌器选型表
搅拌器适用液体范围
总之，搅拌器选用远非理论上可以加以推定，大量是依靠实践 与经验的总结！！！
C、非牛顿液体的搅拌功率
假塑性流体→粘度可变
问题：难于确定釜内流体的粘度和计算搅拌功率 解决：计算NRe时表观粘度μa代替粘度 对象：非牛顿流体的搅拌功率的研究绝大多数是以层流为研究对象
非牛顿型液体的表观黏度可用下式计算: 式中μa为非牛顿型液体表观黏度，Pa·s；K为稠度系数，取决于流体的温 度和压力；m为流变指数，反映与牛顿型流体的差异程度。对于牛顿型流体， m=1；B为与搅拌器结构有关的常数，其中K值，m， 及B参考下表。
分为三档10级：（不同搅拌级别的搅拌效果）
搅拌 级别 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 总体流速 （m/min） 1.8 3.7 5.5 7.3 9.2 11.0 12.8 14.6 16.5 18.3 搅拌效果 1至2级搅拌适用于混合密度差及粘度差别很小的液体。 2级搅拌可将密度差别小于0.1，粘度差别小于100倍 的液体混合均匀，液面平坦。 3至6级搅拌多是间歇反应所需要的搅拌程度。6级搅 拌可将密度差别小于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 （固含量＜1%）保持悬浮；液体粘度小时，液面呈 波浪形。 7至10级搅拌为要求很高的聚合釜等反应器所需要的 搅拌程度。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匀。可使沉降速度小于 1.8m/min的固体（固含量＜2%）保持悬浮。液体粘
涡轮式桨叶具有较大局部剪切作用和容积循环效率，对此类操作效果较好。其中 以开式平直叶涡轮剪切作用最大，其液滴分散度最大。当分散黏度较大液体时， 考虑用弯叶涡轮，以减少动力消耗。
3、固体悬浮：保证颗粒均匀和不沉降主要因素是容积循环速率及湍流强度
根据颗粒性质及固含量选用搅拌器，当固体粒子较大，固液密度差较大，固/液比 ＜30%，通常选用开式涡轮；粒子较小，固液密度差较小，固/液比60%~90%时 ，常选用平桨；推进式适用于固液密度差小，固/液比＜50%时的搅拌。
涡轮式搅拌器有较大的剪切力，可以使液体微团分散的很细，适用于低黏度到中 等黏度液体的混合、液-液分散、液-固悬浮及促进良好的传热、传质或化学反应 平直叶片剪切作用较大，弯叶是指叶片朝着流动方向弯曲，可以降低功率消耗， ，但是其剪切作用没有直叶的好，适用于含有易碎固体颗粒的液体搅拌。斜桨的 排液能力 不如其他涡轮大，但由于旋转时产生的轴向流动分量，有助于固体颗粒 的悬浮。
流体力学学习总结资料
第1章 流体力学基础知识
第2章 流体粘性
第3章 流体运动 4-1 搅拌反应器的选用
第4章 流体搅拌 4-2 搅拌功率计算
4-3 搅拌器的流动特性及转速确定
场论
张量 梯度 散度 旋度 压缩性 易流动
Leabharlann Baidu
性 粘性 质量力 表面力（压强 剪切力） 运动粘度 动力粘度 粘温关系
流体类型
牛顿流体 非牛顿流体拟 （假）塑性流体 流体运动描述-拉格朗日法/ 欧拉法 流量 流速 流线 迹线 流面 流管 流束 层流 湍流 雷诺准数 伯努利 方程式 搅拌器类型 轴向流 径向流 切向流 打旋 挡板 导流
qc=qd+qi qc称为循环流（参与循环流动的所有液体的体积流量 ）；qi称为同伴流（或称为诱导流）
层流时，qc=qd
湍流时，qc＞qd Nqc= qc/ND³ Nqc—循环流量数 影响Nqd和Nqc的主要因素是雷诺数和桨叶特性 用循环次数Nc或循环时间tc表征搅拌器循环特性
Nc= qc/V= NqcND³ /V
筒 …………
4-1 搅拌反应器的选用
搅拌反应器作用：
1）推动液体流动，混匀物料
2）产生剪切力，分散物料，并使之悬浮
3）增加流体的湍动，提高传热效率 4）加速物料的分散与合并，增大物质的传递速率 ……
搅拌反应器内流体流动状况：
宏观流动：指流体以大尺寸（凝集流体、气泡、液滴）在大范围（整个釜内空间 ）中的流动状况，也称循环流动（轴向、切向、径向）
能有明显地局部剪切作用，控制因素是容积循环速率及低转速
由于体系黏度很大，搅拌转速低，物料处于层流状态，不可能有明显的局部剪切 作用。体系黏度大，靠单一径向流和轴向流已不能适应混合的需要，此时需要有 较大的面积推动力，随着黏度增大可依次选用：透平、锚式、框式、螺杆、螺带 、特殊型高粘度搅拌器。 聚合后期的高粘度操作： ①变速搅拌装置，以适应不同阶段的搅拌要求
对于高黏度液体搅拌，一般把形状做成锚式或框式，与釜壁间隙小，转速低，剪 切作用小，但是搅拌范围大，不易产生死区，特别是必须通过釜壁传热时，可以 利用桨叶刮扫来防止搅拌器与釜壁间产生滞流层，促进传热。粘度高于10³ Pa.s时 ，由于功率消耗太大，不宜采用。
推进式搅拌器：
搅拌时，流体的由桨叶上方吸入，而由下方以圆筒状螺旋形排出，即驱使流体向 下流动，轴向分速度使液体沿轴向流动，待流至釜底再沿壁折回至螺旋桨上方， 形成轴向循环流动，同时也存在部分径向运动。 适用于液体黏度低，液量大的液体搅拌，利用较小的搅拌功率通过高速转动的桨 叶获得良好的搅拌效果。由于其剪切作用不大，循环性能好，属于循环型搅拌器 ，与平桨合用，可增加剪切作用。
tc=1/Nc Nc –循环次数， tc—循环时间 V---器内流体体积 Nc是很重要的搅拌参数，常用来判别搅拌的剧烈程度
普通搅拌
Nc= 3-5次/分
强烈搅拌
Nc= 5-10次/分
Np/Nqd=1~2时，为循环性搅拌器 Np/Nqd＞3时，为剪切型搅拌器
二、搅拌转速的确定
搅拌的“尺度”和“难度”，搅拌强烈程度的级别 尺度：指搅拌体系中物料量的大小，流体体积VR，即
VR=(πT²/4)H
T—釜直径
H—液位高度
难度：达到搅拌效果所需要克服的阻力，即混合液体的粘度差和密度差；悬 浮粒子的沉降速度 例如需要混合两种物料的密度差和黏度差，需要保持悬浮粒子的沉降速率等
1、混合和搅动类型的搅拌转速的确定法
搅拌级别（搅拌的强烈程度），下表列出10个搅拌级别 由表得总体流速（平均流速）：ū→qd→Nqd-NRe →N 按照互混液体的密度差及粘度差的大小，可把混合与搅动过程的激烈程度划
（2）过渡区：
符合全挡板条件时，可不考虑打旋现象的影响，按照（1）中层流区 公式计算搅拌功率； 若 NRe>300 且釜内 未设置挡板 ，则重力影响不能忽略。 式中α，β为搅拌器型式和尺寸有关的的常数
搅拌器 的α和β 值（换 表）
（3）湍流区：
釜内未设置挡板，物料会发生打旋现象，按照（2）中公式计算功率； 若设置挡板，物料不发生打旋现象，故重力影响可以忽略；此时Φ值 几乎与NRe无关，即Φ为常数，从而有： P=K2ρN3D5 式中K2为与搅拌器结构型式有关的常数
微观流动：指流体以小尺寸（小气泡、液滴分散成小微滴）在小范围（气泡、液 滴大小空间）中湍流状况，微观流动是由于搅拌桨的剪切作用而引起的局部混合 作用，它促使气泡、液滴细微化，最后由于分子扩散达到微观混合。
不同类型搅拌器特点：
桨式搅拌器：
桨叶构形为平桨、斜桨、锚形桨或框形桨；平桨转动时主要是水平液流，搅拌不 激烈；斜桨除水平液流外，还有向上或向下的垂直液流，搅拌较激烈；
P=f(N, d,ρ,μ, g)
式中P为搅拌功率, W；N为叶轮转速，r/s；D为叶轮直径，m；ρ为液体密度，
kg/m3；μ为液体粘度，Pa· s；g为重力加速度，9.81m/s2。
搅拌功率的因次分析推导：
Np为功率准数，是反应搅拌功率的准数； NRe为搅拌雷诺数，是反映物料流动状况对搅拌功率影响的准数； NFr为弗劳德数，即流体的惯性力与重力之比，是反映重力对搅拌 功率影响的准数。 K为系统的总形状系数，反映系统的几何构型对搅拌功率的影响； p,q为指数，其值与物料流动状况及搅拌器型式和尺寸等因素有关。
B、非均相液体的搅拌功率
关键是求出平均密度、平均黏度！！！
②气-液非均相搅拌（经验式(Calderbank的研究结果) ）
通气时的搅拌功率可用下式计算:
式中Ng为通气时的搅拌功率，W；N为不通气时的搅拌功率，W；Q为操作 状态下的通气量，m³ /s，n为叶轮转速，r/s , d为叶轮直径，m 。
4-2 搅拌功率计算
搅拌器功率计算的用途： 1）、衡量搅拌强度的主要物理量
2）、搅拌器机械设计的基本依据
3）、电机选用的重要依据
A、均相液体的搅拌功率：
搅拌系统中，几何因素（釜径、桨叶宽度、挡板尺寸、液深）与桨叶
直径成正比，故影响搅拌功率的几何因素可以归结为搅拌器直径的影响； 搅拌功率与各影响因素间的函数关系式为：
全挡板的概念：挡板数增加，动力消耗也增加。当挡板数增加到一定程 度时，搅动功率P增加到最大值，此时这种条件称为“全挡板条件”。
通常以挡板系数KB来表征挡板程度。
KB ( BW / T ) nB
1.2
式中，Bw为挡板宽度，T为釜径，nB 为挡板块数。 当KB=0.35时，称为全挡板条件，当KB=0时，为无挡板条件；在0~0.35之间 时称为部分挡板条件。通常釜内安装4块Bw/T=0.1的挡板可近似看做全挡板 条件处理。 通常用KBF、KB、 KBN分别为全挡板，部分挡板以及无挡板时的挡板系数。
按工艺过程操作类别选用搅拌器的原则：
1、均相液体混合：主要控制因素是容积循环速率
桨式搅拌器因结构简单可优先考虑，但其混合效率稍差，如果要求快速混合，可 选用推进式或涡轮式，湍流操作时，一般加挡板为宜。
2、非均相液体混合：主要控制因素是液滴大小（分散度）及容积循环速率
为保证液体能分散成细滴，要求搅拌器有较大的剪切力；为保证液滴在釜内均匀 地分散，要求有较大的容积循环速率；