聚合物制备第三节

四、 搅拌器
重点
1.搅拌器：即实现搅拌操作的设备总称
2.搅拌器作用与功能：
（1）混合，不同物料的混合； （2）搅动，提高传质和传热；加速表面更新，促进低分
子物质脱除；
（3）分散，使物料分散在液体介质中； （4）悬浮，使固体颗粒或液滴悬浮在液体中而不沉降
• 均相体系：主要是加速传热 • 非均相体系：则具加速传质和传热的功效
不同物料体系的搅拌目标 和搅拌效果检验方法
液液分散对聚合物颗粒形态的影响
• 聚合物颗粒形态的相关因素：添加剂（表面活 性剂、分散剂等）性质与用量，流体的性质， 搅拌器的特性，反应釜的特性，水油比，釜的 附件等。
• 一般定性的规律：
1.单位体积的搅拌功率对液滴平均直径的影响：P/V d 2.循环次数：n d 3.表面张力（界面张力） ： f d 4.搅拌转速：马鞍形 5.水油比：水油比 d
螺杆及螺带式
• 螺杆及螺带式：适 合高粘度液体的搅 拌
• 特点：转速低，剪 切若；通常需要搅 拌附件的配合，以 提高传热和传质的 效果
双螺叶轮
搅拌器的选用
• 基本要求 1. 保证物料的混合 2. 消耗最小的功率 3. 所需费用最低 4. 操作方便，易于制造和维修
选择的一般考虑方法
• 如果生产上对搅拌无特殊要求，则可参照 生产时所使用的类似搅拌器经验选定；
粘液，
微观混合所需时间约 20 秒
Dd=0.3m，N=1.6 r s，
PV=1kW／m3
注：PV为单位体积搅拌功率。 排除流量准数
循环量准数
N qd

qd ND 3
N qc

qc ND 3
其中：qd-搅拌器的排出量，m3/s；qc-搅拌器的循环流量，m3/s； D，搅拌器直经，mm；N-搅拌器的转速，r/s。
2018～2019年度 2nd semester
“聚合物制备工程”
第二章 聚合反应工程基础
第2章 聚合反应工程基础
2.1概述 2.2化学反应工程基础
2.2.1化学反应与工业反应器分类 2.2.2均相化学反应动力学基础 2.2.3理想反应器设计 2.2.4理想混合反应器的热稳定性 2.2.5连续反应器的停留时间分布与流动模型 2.2.6釜内流动状态与搅拌 2.3聚合反应过程与聚合反应器 2.3.1聚合反应过程 2.3.2聚合反应器 2.3.3聚合物制备工程的辅助过程与设备 2.4聚合反应工程分析 2.4.1概述 2.4.2聚合反应动力学基础与理想反应器基本模型 2.4.3反应器形式对聚合反应产物的影响 2.4.4聚合反应过程的调控手段
叶排除的流量
混合时间的测量方法 低粘物系：电导法、温差法和折光率法等 高粘物系：脱色法、着色法
电导法
最大叶片式叶轮与双层圆盘涡轮混合速率对比
使用碘加硫代硫酸钠脱色法测量混合时间
开始
2秒
4秒
泛能式
双层斜桨
泛能式
6秒
8秒
低粘混合例
高粘混合例
双螺带
开始
30秒
60秒
90秒
120秒
三、搅拌附件的功能
• 搅拌附件：挡板、导流筒等（注意：内冷管、 蛇管的传热附件也起到类似作用）
• 推进式：三瓣叶片， 其螺距S与桨径相 等
• 特点：结构简单， 制造方便，适用于 液体粘度低，液量 大的液体搅拌；剪 切较低，属于循环 型搅拌器。
涡轮式
• 涡轮式（透平式）： 桨叶形式多样，可以 分为开式和闭式两大 类；例如：平直叶片， 弯曲叶片，倾斜叶片， 圆盘平直叶片，圆盘 弯叶等
• 特点：种类繁多，应 用广泛；处理粘度范 围广；剪切强
力是界面张力和液滴内的粘性力。 搅拌釜内剪切最强的地点：搅拌桨叶端
临界Weber准数 We 2dmax /
• 合并：两个以上的液滴合并为一个液滴的过程。 影响因素：合并的推动力是适当的碰撞；其阻力包括剪切力，
界面张力等。 • 分散与合并：在搅拌釜内共存，两者是动态的过程，与搅
拌器的特性、流体的特性等密切相关。
with the three impeller system, despite the lower power draw.
宏观流动（循环流动）：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
推进式
循环流动的三种典型流况－－径向流动
• 径向流动：流体的流 动方向垂直搅拌轴， 沿径向流动，碰到釜 壁转向上下两股，再 回到桨叶端，不穿过 桨叶片而形成上、下 两个循环流动。
桨式
• 桨式搅拌器：桨叶构形为平桨、斜桨、 锚式、框式等。
• 特点：结构简单，转速低，桨叶面积大 平桨、斜桨：剪切强，转速为20～200rpm
适合粘度为0.1～102Pa·S的液体 锚式、框式：转速低，剪切小 • 选用：
中、低粘度液体：平桨、斜桨 高粘液体：锚式、框式
桨式
锚式叶轮
框式叶轮
推进式
分 溶 固 气 结 传 液 槽容积
散 解 体 体 晶 热 相 范围
悬吸
反
m3
浮收
应
○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 1～100
○○
○ ○ ○ 1～200
○○○
○ ○ ○ 1～1000
○○○
○ ○ 1～1000
○
○ ○ 1～100
○
1～100
○
1～50
○
1～50
转速范围
r/min
10～300 10～300 100～500 10～300
重点内容
内容对于后续课程有帮助
2.2.6釜内流动状态与搅拌 一、搅拌釜内流体的流动状况和循环特性
流动状况：两个层次，宏观流动（循环流动）与微观流动 （剪切流动）
•This image shows the solids distribution in a stirred tank, with a single impeller drawing 3.5 kW on the left, and with three impellers drawing a total of 2.3 kW on the right. The solids are more uniformly suspended
• 如果对搅拌有严格要求，又无参照工艺， 则对应工艺、设备等全面分析，找到操作 的主要控制因素，选择相应的搅拌；
• 过程开发或大型工程，通过试验研究最佳 的型式、尺寸，再相似放大进行设计
选用举例
1.均相液体的混合：主要控制因素为容积循环效率，任何搅拌 器（无混合时间要求）
2.非均相液体的混合：主要控制因素为液滴的大小（分散度） 及容积循环速率，涡轮式
3.固体悬浮：主要控制因素为容积循环速率及湍流强度； 固体粒子较大，固液密度差大，固/液比<30％，开式涡轮 固体粒子较小，固液密度差小，固/液在60～90％，平桨 固液密度差小，固/液比<50％，推进式
4.气体吸收及气液相反应：主要控制因素为局部剪切作用、容 积循环速率及高转速，圆盘式涡轮
5.高粘ຫໍສະໝຸດ Baidu体系：控制因素为容积循环速率及低转速，随粘度增 大可以依次选用：透平、锚式、框式、螺杆、螺带、特殊型 高粘度搅拌器
各种搅拌的选用
搅拌器选型
流动状态
对湍剪 搅拌器型 流 流 切
式 循扩流 环散
涡轮式 ○ ○ ○ 桨式 ○ ○ ○
推进式 ○ ○ 折叶开启 ○ ○ 涡轮式 布尔马 ○ ○ ○
金式 锚式 ○ 螺杆式 ○ 螺带式 ○
低粘 度液 混合
○ ○ ○ ○
○
高粘 度液 混合 传热 反应 ○ ○
○
○ ○ ○
搅拌目的
2、液-液非均相混合
搅拌的作用－－液液分散
• 液液分散概念：利用机械搅拌不互溶的 液－液体系，使其中的一相（分散相） 分散到另一相（连续相）中的过程。
例如：悬浮聚合，乳液聚合 • 液－液分散影响：传质，传热－－产品
质量，特别使聚合物的颗粒形态。
液－液分散与合并
• 分散：较大的液滴分裂成二个以上的液滴的过程。 影响因素：分散的推动力是液滴受到的剪切力；而分散的阻
导流筒
• 安装方式： 1.对于推进式搅拌器，导流筒
套在桨叶的外面； 2.对于涡轮式搅拌器，导流筒
则置于桨叶的上方。 • 作用： 1.提高釜内流体的搅拌程度，
加强桨叶对流体的直接剪切 作用； 2.造成一定的循环流型，使物 料均可以通过导流筒内的强 烈混合区，提高混合效率
四、搅拌釜中的混合与分散
1、液-液均相混合
循环流动的三种典型流况－－轴向流动
• 轴向流动：流体的流 动方向平行搅拌轴， 流体由桨叶推动，使 流体向下流动，碰到 釜底再翻上，形成上 下循环流动。
循环流动的三种典型流况－－切线流动
• 切线流动：流体绕轴 作旋转运动，也称旋 转流动，当搅拌转速 较高时，液体表面会 形成漩涡。
微观流动（剪切流动）：指流体以小尺寸（小气泡、 液滴分散成更小的微滴）在小范围（气泡、液滴大小 的空间）中的湍动状况。
注： D：桨叶直径 N：转速 ρ ：密度 μ ：流体粘度 qd ：单位时间从桨
叶排除的流量
2.其他准数
功率准数：
Np P
N 3 D5
排除流量：
Nqd

qd ND3
混合时间：Nb=Nθ M
循环次数：Nc Nc=3~5次/min 普通 Nc=5~10次/min 强
单位体积的搅拌功率：P/V
注 D：桨叶直径 N：转速 ρ ：密度 μ ：粘度 qd ：单位时间从桨
10～300
1～100 0.5～50 0.5～50
注:1.有○者为合用，表元中空白者为不详或不合用。
最高粘度 Pa.s
50 50 2 50
50
100 100 100
新型搅拌设备
最大叶片式 泛能式 叶片组合式 扭格子式
锥螺带 (VCR)
前进式(AR)
EKATO同轴
多臂行星式
真空乳化釜
新型卧式搅拌
HVR
SCR
(三菱重工)
砂磨机
LIAS-AP
瑞士LIST全相型
BIVOLAK
(住友重机全相型)
典型搅拌器结构
搅拌器组成：
传动装置
搅拌装置
搅拌轴
桨/叶轮
搅拌器
常用搅拌桨/叶轮
搅拌器分类
搅拌器分类
A • 桨式 • 推进式 • 涡轮式 • 螺杆及螺带式 • 组合式
B
• 小桨叶高转速搅拌 器：透平式、推进 式、直桨、斜桨， 适合中、低粘度的 液体
• 大桨叶低速搅拌器： 锚式，框式，螺带 式，螺轴式等，适 合中、高粘度液体
• 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、液滴的细微化，最后由于分
子扩散达到微观混合。
• 产生：搅拌－液体粘度－速度梯度－液滴变形－形成 湍动－小漩涡－－促进液体微元的更新－－促进传质、 传热等
• 剪切流动：在桨叶端附近最强烈
剪切拉伸作用
• 搅拌釜内均存在两种流动，只是比重不同
1.搅拌雷诺数
搅拌雷诺数
ND2 NRe
1.NRe<10，存在死角 2. NRe～10，体系处于层流 3. NRe:100~1000，体系为过渡流
4. NRe>1000，湍流；无挡板时会 引起漩涡。当桨叶直径D与釜径T之比 D/T<0.1时，釜内流体虽为湍流状态，但上 下循环流不会遍及整个釜内，易出现死角
均相混合—包括微观混合和宏观混合两个过程
开始
2秒
4秒
泛能式
双层斜桨
泛能式
6秒
8秒
低粘混合例
高粘混合例
双螺带
开始
30秒
60秒
90秒
120秒
宏观混合和微观混合所需的时间
搅拌条件
混合所需时间
湍流搅拌，使用涡轮式叶轮， 宏观混合所需时间约 25 秒
水溶液，
微观混合所需时间约 0.1 秒
D=H=2m，D=1m，N=1 r s， PV=1kW／m3 层流搅拌，螺带式叶轮，高 宏观混合所需时间约 20 秒
打漩现象
各类挡板
挡板
• 原理：
1.使流况从主要是生成涡流或漩涡的 旋转流改变为对混合有利的垂直流 动，即将切线流变为轴向流或径向 流； 2.增大液体湍动程度，改善搅拌效 果。
• 作用
消除漩涡现象，改善混合效果
• 判断：以搅拌雷诺数NRe判断 NRe<20，一般无需挡板；
NR全e＝挡2板0～（1即03挡－4板，数可小以于装4不）完； NRe> 103－4，需全挡板（4个）
• 目的：消除漩涡和涡流，改善流动效果，提 高混合效率，加强传质和传热
漩涡
• 产生：流体粘度不大，搅拌转速较 高，且桨叶在釜的中心线时，液体 将随着桨叶旋转的方向循着釜壁滑 动，釜内液体在离心力作用下涌向 釜壁，使液面沿着釜壁上升，中心 部分的液面下降，形成一个漩涡。
• 危险：降低搅拌效率，危害搅拌轴
1.桨叶搅拌以循环流为主，称为循环型桨叶
推进式
2.桨叶搅拌以剪切流为主，称为剪切型桨叶
平桨
二、 搅拌釜内流体的循环特性
• 如何关联搅拌器与流体流动状态的关系？
因次分析方法 • 采用因次分析方法得到了许多准数
搅拌雷诺数：代表搅拌釜内流体的粘性力 功率准数：动力特性 排除流量：循环特性 混合时间：混合特性 努塞尔准数：传热特性