第 5 章 液体搅拌与气体混合

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○分隔尺度:就是各种物料分散物的集中度, 是指混合物各个局部小区域体积的平均值。 就是分隔尺度,愈大表示物料分散情况愈差。 如:下图(a)>(b)>(c)。 ○分隔强度:是指混合物各个局部小区域的浓 度与整个混合物的平均浓度的偏差的平均值。 如果各种分散物可以互溶,或可部分互溶, 则在被分散物料之间会产生扩散,此时,分 散物料已不在是各种纯的物料,而是混合物, 这些混合物与平均组成的差别就是分隔强度。 愈大表示物料混合愈不充分。 如:下图(d)—(L)。
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“微观”的均匀,或称分子尺度的均匀是 达到混合理想状态,是极限值。即分隔强度 为零。 ○计算:均方差或均方根差、标准差
均方差 1 δ= n ∑(Ci-Cm)
2 2
均方根差
2 2 1 S = n-1 ∑(Ci-C0)
式中;δ2、 S 2为均方差; Ci,Cm ,C0分别为混合物的取 样浓度、平均浓度真实值、 取样的平均浓度
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搅拌器的分类
按流体流动形态
轴向流搅拌器 径向流搅拌器 混合流搅拌器
平叶
按搅拌器叶片结构
折叶 螺旋面叶 低粘流体用搅拌器
按搅拌用途
高粘流体用搅拌器
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2.5.2 搅拌器的选型 根据选型原则考虑。 (1)液体的粘度: 随着介质粘度增高,各种搅拌器使用的 顺序是:桨叶式、推进式、涡轮式、框式和 锚式、螺杆(带)式。
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解:已知δ∞=0,Cm=2.00(表中数据计),t=2min时的 2 均方差δ : δ=1/n∑(c-cm)=1/10 ∑(ci-2.00) =0.059 计算δ和k 值:已知t=2min,δ2=0.059=δ20· e-2k
2 2 2
代入t=10min时,δ2=0.03同样可得δ2 0.03=δ20· e-10k

u2 H= 2g
u为液体线速度
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2.5 搅拌器的选型
根据不同的需要选择不同的搅拌器。 2.5.1 选型原则 (1)互溶液体的调和:因互溶液体,其调匀度 主要通过总体流动达到。 (2)两种互溶液体的快速反应:快速反应要求 互溶液体的分隔尺度小,所以要加强湍流, 湍流是过程的控制因素。 (3)传热过程:提高传热系数主要靠提高流过 传热面的总体流动速度,所以过程的控制因 素是液体的总体流动。
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例题5-2(376)
用混合法对饲料强化维生素A,要求维生素A分布 要十分均匀,达到2μg/kg,混合2min后,取10个样 分析VA含量如下表,混合10min后,均方差值为0.03, 假定混合终末均方差值很小可忽略,问达到均方差 0.01,需多长时间?
样品序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 VA含量/(μg/kg)2.30 1.72 1.63 1.73 2.10 1.82 2.32 2.20 2.10 2.13
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○情况分析: 稳定: 分散后不发生重新聚集,或经过很长 时间才发生重新聚集。 较稳定: 分散后经较长的时间发生重新聚集。 不稳定: 分散后短时间或随即发生重新聚集。 通常,相溶液体混合物最稳定,固体与固体 混合物次之,不溶固体与液体,及互不相溶液 体之间稳定性较差。
1.6 混合速率
○混合速率:是指混合过程中物料实际状态与 其中组分达到完全随机分配状态之间的差异 消失的速率。 19
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(4)搅拌器层数:对于较大的搅拌釜,为了避 免“死角”,可采用多层搅拌器。 2.3 常用的机械搅拌装臵
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2.5 搅拌器的液体循环量与压头
叶轮旋转时,产生离心力,使液体产生压 头而消耗功率。体积流量、压头、功率间的 关系为: N功率;Q体积流量;H 压头; ρ液体密度;g N=QHρg 重力加速度。
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2.2 搅拌设备的其他结构问题 增加搅拌力度,除了搅拌器外,还可有其 它结构。 (1)挡板:在釜壁处装臵四块垂直挡板,有利 于搅拌,作用是阻挡液体因搅拌器的转动而 随之旋转。 (2)夹套和蛇管:搅拌过程 如伴传热,在外可用夹套、 在内壁可用蛇管来增加传热。 蛇管也有挡板的作用。 5-9 (3)搅拌器插入方式:通常 是垂直插入,也可以水平或 倾斜一定角度插入。
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(2)扩散混合机理:对互溶组分混合,除对流 混合机理外,随着混合过程进行,当混合物 分隔尺度小至某值后,组分之间的接触面巨 增,此时,混合过程变成以扩散为主。 (3)剪力混合机理:对高粘度液体混合,因流 动性差,湍流形成不良,分子扩散过程不明 显,此时混合主要作用是剪切,剪切使组分 形成越来越小的料块,剪切的动力来自机械 力量。 1.5 混合物的稳定性 混合物的稳定性:是指混合各组分分散后 重新聚集的程度。
2 -kt e δ δ ∞ =( δ -0 δ ) ∞ 2 2 2
两式联立,δ20=0.0699;k=0.0848
计算后得22.9min。
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作业:407P习题2 解:已知, t= 5 min时,δ2=0.0823; t= ?min时, δ2=0.02。 Cm=40/60+40=0.4(份数),δ2 ∞=0 2 2 计算k 值: 2 2 -kt = ( δ δ ) e δ δ 0 ∞ ∞ 已知t=5min,δ2=0.0823=δ20· e-5k 代入t=x min时,δ2=0.02=δ20· e-xk 两式联立: 0.02×exk = 0.0823×e5k
S=
CVA CVAO
1- CVA 1- CVAO
( cVA < cVAO) ( cVA> cVAO) ( S≤1)
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S=
○搅拌釜内样品平均调匀度:
S 1+ S 2 +——+ S n S= n
搅拌釜
○调匀度是“宏观”的: 调匀度的计算是有局 限性的。取样范围大小 A B 可能显示出很大差别, 还需其它指标。举例 样品量越大S越接近 1, B A 样品量越小S越接近 0, 1.1.2 混合物的分隔尺度 混合液样品 和分隔强度 分隔尺度和分隔强度也是反映混合度的尺 度。
推进式搅拌器的特点 轴向流搅拌器,循环量大、搅拌功率小, 常用于低粘流体的搅拌,结构简单、制 造方便。
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2.1.3 涡轮式(推进式) 通常由六叶构成,有开启式、带叶 片圆盘式和弯曲叶片。习惯上将四桨以 下称桨式,将四桨以上称 涡轮式。
百度文库
1、适用物料粘度范围广。 2、剪切力较大,分散流体的效果好。 3、直叶和弯叶涡轮搅拌器主要产生径向流,折叶涡轮 搅拌器主要产生轴向流。
1.2 过程对混合程度的要求 物料搅拌的混合程度是人为决定的,可以 要求物料混合程度按人们需要进行。不是越 充分越好。 ○过程控制物料搅拌混合程度的影响因素 (1) 互溶液体的调和问题:生产上只要求调 和“宏观”均匀。对分隔尺度无要求。 (2) 两种互溶液体的快速反应:两种互溶液 体的互溶,所以不存在相界面,但是存在着 浓度差异,这种差异肉眼看不见,然而化学 反应进行的速度与分隔尺度成反比,愈小反 应愈快,所以搅拌可以提高反应速度。
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1.3
搅拌釜内液体的流动
1.3.1 总体流动和湍动 流体在管内流动方式有两种情况,一是流 体质点沿管轴方向向前运动—形成总体流动; 另一种是做作着随即的脉动—形成湍动。
湍动
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○总体流动和湍动的流动特点 总体流动特点:是流体以较大的尺寸运动, 具有一定的方向性,流动范围较大。 湍流特点:是流体以很小的流体团尺度运 动,运动不规律,运动距离很短。 ○在搅拌器内液体流动特点 搅拌器内液体流动主要是湍流状态,总体 流动很小,是圆周方向的旋转流。离心作用 使液平面呈中心 凹陷的碗形。使 部分浆叶搅拌气 体湍动效果差,应. 加以改进。 搅拌釜
搅拌流型 16
1.3.2 总体流动和湍动的混合机理 总体流动主要造成宏观上一定程度范围的 调匀度。 湍动主要造成进一步降低分隔尺度, 分子扩散发生在互溶物料混合过程中,可 达到微观混合。 这三者同时交叉发生,共同达到混合目的。
1.4 混合的原理
多种物质的混合过程可以认为有 3种原理, (1)对流混合机理:对不相溶组分混合,由于 混合器运动部件与物料做相对运动,分隔尺 度逐渐下降,但物料内部不存在分子扩散现 象。分隔强度不下降。

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○计算:设A和B两种样品,体积分别为VA和 VB,臵于容器中,则容器中样品A的平均体 积分数为:
VA CVAO = VA+VB
式中: CvAo为一的平均 体积分数,m3/m3。 物料A体积分数CVA。
○调匀度(S):各处取样,A的体积分数cVA都 等于cVAO,表明搅拌已达到完全均匀,当高于或 低于cVAO时,表示有偏差, S表示偏离度。
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③气液接触 将气体溶于液体中,通过搅拌 不均相气液混合。如碳酸饮料。 ④利用搅拌加强传热 通过搅拌提高容器内 液体传热系数,使温度均匀。 ⑤有悬浮颗粒状固体的 液体搅拌 利用搅拌 使颗粒状固体不致沉 底。
搅拌釜是搅拌操 作的关键设备容器,
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1、液体搅拌混合的基本原理
搅拌:就是使各种物料造成混合的操作。 混合:可理解为分散物料的混合。 搅拌与混合的关系:搅拌效果与混合效果有 密切的关系,成正相关。 1.1 混合物的混合程度 1.1.1 调匀度 是指一种或几种组分的浓度或其他物理 量和温度等在搅拌体系内的均匀性。
第 5 章
液体搅拌与气体混合
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本章的学习目的与要求
1、掌握非牛顿流体间和气液混合体 间的各种混合原理。 2、熟悉影响液体搅拌功率因素。 3、掌握乳化操作原理。 4、了解气液混合方法。
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应用领域简介
食品生产过程和工艺中,涉及到不同物料 的混合和搅拌,应用各种搅拌器和搅拌操作。 常见的搅拌操作目的可分5类: ①互溶液体搅拌 指均相液体混合物的混合调 配。搅拌可加速互溶液体扩散和化学反应的 进行,如调酒。 ②互不相溶液体的接触混合 互不相溶液体相 互接触,使一种液体在另一种液体中充分分 散,增加接触面积,提高传质系数。如乳化。
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2、搅拌器的性能
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2.1 搅拌器的分类 2.1.1 桨叶式 一种结构简单,桨叶数较 少的,为扁钢锻造成型。桨 叶有平直叶和折叶两种。
1、桨式搅拌器主要用于流体的循 环,不能用于气液分散操作。 2、折叶式比平直叶式功耗少,操 作费用低,故折叶桨使用较多。
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2.1.2 旋桨式
搅拌器形状类似于飞机和轮 船的螺旋桨,常由三叶组成。
2 dδ2 = -k( δ 2 δ ) 混合速率 ∞ dt
将上式从混合开始的δ 0 值 2 积分至某时刻的 δ 值,可得
-kt e δ - δ ∞ =( δ -0 δ ) ∞
2 2
2
式中: δ2 为均方差; (δ- δ)表示推动 2 2 力。K为混合速率系数, ∞ 与物料性质和混合器性 能有关。
2
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a B
A
b
均相反应示意图
(3)过程控制:由于A和B互溶,搅拌分散达
到一定的调匀度和分隔尺度,此时不存在相 界面,但存在浓度差,但化学反应只能在被 分散到一定程度时,分子扩散速率达到一定 时,才能完成。所以过程速率控制不是控制 化学反应本身,而是取决于A和B分子扩散的 快慢。所以图a反应速度小于b。
标准差 δ=
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例题5-1(371)
某一混合器对990kg食盐和10kg碳酸镁进行混合 操作。经一定时间后,取10个样品进行分析,每个 样品200g。分析结果,各试样碳酸镁含量为:2.30, 1.72,1.63,1.73,2.10,1.82,2.32,2.20,2.10, 2.13。求混合物的均方差、标准差。 解:①各试样的百分组成 Ci 2.30/200=0.0115;0.0086;0.00815;0.00865; 0.0105;0.0091;0.0116;0.0105;0.0107 ②各试样的平均组成Cm=10g/990g+10g=0.01 ③均方差 2 2 1 10 δ= n ∑(Ci-Cm) i=1 2 2 1 = (0.0115 – 0.01 )+ (0.0115 – 0.01) +… 10 = 1.48×10-6 作业:407P习题1 12
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2.1.4 锚式和框式 锚式和框式搅拌器的直径 很大,其外缘形状根据釜内 壁形状而定。
5-5
锚式和框式搅拌器特点 1、结构简单,制造方便。 2、适用于粘度大、处理量大的物料。 3、易得到大的表面传热系数。 4、可减少“挂壁”的产生。
框式搅拌器
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2.1.5 螺带式
这种搅拌器专用于高粘度液体的搅拌。形 状由一定螺距的旋转形钢带制成。这种搅拌器 转数低,应用于容易粘附在壁上的场合。
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