化工原理 液体的搅拌

n1d1 n2 d 2
3 保持雷诺数Re不变
n d n2 d
2 1 1
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第3章 液体搅拌
4 保持搅拌器的流量和压头之比不变 对几何相似系统即保持可保持qV/H不变。
d1 d 2 n1 n2
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。
nd n d P f , 3 5 n d g
ReM d n /
2
Fr n d / g
2 2
P —— 功率 ReM —— 搅拌雷诺准数，表征液体流动类型 Fr —— 弗鲁德准数，表征打旋。
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P f ReM , Fr
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（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； 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。
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第3章 液体搅拌
3.1.2 混合效果度量 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。 对于物理过程，可用调匀度和混合尺寸描述。 设容器中有体积分别为 VA 和 VB两种 液体，则A的平均体积浓度为： CA<CA0
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。
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3.3 搅拌器的性能
3.3.1 搅拌器的性能 1 轴流式 (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。
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（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。
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。与叶轮的大小和设计关系极大。
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3.2.2 均相液体的混合机理 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。 高粘度液体的混合机理：
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END
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1 保持单位体积功率消耗 (P/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
n d n d
3 2 1 1 3 2
2 保持叶端速度不变
2 2
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/qV) 的操作。
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将 与 Re 标绘在双对数坐标上，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。
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对于典型的涡轮叶片搅拌器（曲线1）
滞流区：Re<10
P 71n d
2
湍流区：Re>104
3
P 6.1 n d
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由搅拌槽，搅拌器和 若干附件组成。 搅拌器是搅拌装置的 核心部件，由它将机 械能传递给液体。
搅拌器作用类似于泵 的叶轮，通常搅拌器 又称为叶轮。
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3.1.1 常见搅拌器类型 1 涡轮式 (1) 圆盘平直叶 (2) 圆盘弯叶 (3) 开启平直叶
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。
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第3章 液体搅拌
3.2.3 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。 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。
(4) 开启弯叶
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2 旋桨式 通用尺寸及叶片端部速度： S/d=1 (S－螺距，d－搅拌浆直径) Z=3 ( Z－桨叶数) 一般5~15m/s，最大25m/s 3 螺带式 通用尺寸及叶片端部速度： S/d=1 B/d=0.1 (B－叶片宽度) Z=1-2(2指双螺带) 外缘尽可能与釜内壁接近
2 解决方法： （1）安装挡板（Baffle ）。 ：在 槽内安装档板，但过多的档板将减 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。
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（2）偏心安装（off-center fixing）：对小容 器，搅拌器偏心或偏心倾斜安装可破坏循环 回路的对称性。 （3）设置导流筒（draft tube）：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。
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第3章 液体搅拌
4 桨式 通用尺寸及叶片端部速度： d/B=4-10 Z=2 1.5~3 m/s 5 锚式和框 式 通用尺寸及叶片端部速度： B/d=1/12 d＇/d=0.05-0.08 d＇=25-50 mm d＇为搅拌器外缘与釜内壁距离 0.5-1.5 m/s
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P qV He g
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3.4.2 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。
P f n, d , , , g
2 2
“标准”构型搅拌装 置
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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：
P 相同时，既可产生大流量、低压头，也可产生高压头、 小流量； 叶轮提供给液体的全部功率用于产生流量和压头； 不同工艺过程对qV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。 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。 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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第3章 液体搅拌
P kReM Fr
x
y
—— 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 kReM
对于几何相似搅拌器：
x
式中 k 为与流动型态、几何构型有关的常数。 —功率特征数
P n d
3
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5
f ReM x
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3.4 搅拌功率
3.4.1 搅拌器的功率消耗 泵出流量 qV：叶轮直接排出的液体体积流量，(m3/s或m3/h)。
qV nd
3
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，即 u nd
H n d
2
2
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3
5
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3.5 搅拌器的放大
3.5.1 搅拌器的设计 (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。 3.5.2 放大准则 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
第3章 液体搅拌
Liquid Agitation
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3.1 概述 (Introduction)
搅拌的目的 (1) 使两种或多种互溶的液体分散； (2) 不互溶的液体之间的分散与混合； (3) 气体与液体的混合； (4) 使固体颗粒悬浮于液体之中； (5) 加速化学反应、传热、传质等过程的进行。 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。
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3.2 混合机理
3.2.1 搅拌器的功能 (1)总体流动：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。 ——大尺度混合 (2)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。——小尺度混合 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 (小尺度混合)；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。
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。
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2 径流式 (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。 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。
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3.3.2 强化传质的措施 1 打旋现象：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。 后果：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。
C I A C A0
I
C A0
VA VA VB 1 CA 1 C A0
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I
I —— 调匀度或混合百分数。若取 n 个样品，则平均混合百 分数为 I1 I 2 I n
n
混合均匀，I=1
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第3章 液体搅拌
混和尺度（分隔尺寸）与调匀度