攪拌原理課件

1、攪拌原理1 第六章 攪拌 Chapter 6 Agitation and mixing 攪拌原理2 攪拌的用途： (1) 使兩種或多種互溶的液體分散； (2) 不互溶的液體之間的分散與混合； (3) 氣體與液體的混合； (4) 使固體顆粒懸浮于液體之中； (5) 加速化學反應、傳熱、傳質(zhì)等過程的進行。 攪拌可以同時達到幾個目的，例如用硫酸浸取磷礦漿制取磷 酸過程中，攪拌使磷礦顆粒和生成的磷石膏晶體懸浮于液體 之中，同時又加速了化學反應、傳熱、傳質(zhì)過程的進行。 攪拌方式：機械攪拌、氣流攪拌、射流攪拌、靜態(tài)混合、管 道混合等。 攪拌原理3 由攪拌槽，攪拌器和 若干附件組成。 攪拌器是攪拌裝置的 核

2、心部件，由它將機 械能傳遞給液體。 攪拌器作用類似于泵 的葉輪，通常攪拌器 又稱之為葉輪。 攪拌原理4 通用尺寸及葉片端部速度： S/d=1 Z=3 一般515m/s，最大25m/s 常見攪拌器類型 螺旋槳式 通用尺寸及葉片端部速度： S/d=1 B/d=0.1 Z=1-2(2指雙螺帶) 外緣盡可能與釜內(nèi)壁接近 螺帶式 攪拌原理5 通用尺寸及葉片端部速度： d/B=4-10 Z=2 1.53 m/s 常見攪拌器類型 槳式 通用尺寸及葉片端部速度： B/d=1/12 d/d=0.05-0.08 d=25-50 mm d為攪拌器外緣與釜內(nèi)壁距離 0.5-1.5 m/s 錨式和框式 攪拌原理6 (1

3、) 圓盤平直葉 (2) 圓盤彎葉 (3) 開啟平直葉 (4) 開啟彎葉 常見攪拌器類型 渦輪式 攪拌原理7 常見攪拌器類型 軸流式 (Axial-flow) 液體在攪拌槽內(nèi)形成的總體流動為軸向 和切向的大循環(huán)，湍動程度不高，適用 于低粘度的互溶液體的混合、固體顆粒 的懸浮以及強化槽內(nèi)的傳熱等。 螺旋槳式：直徑小、轉(zhuǎn)速高、流量大、壓頭低。 螺帶式：旋轉(zhuǎn)半徑大，攪動范圍廣、轉(zhuǎn)速低、壓頭小，適于 高粘度液體的攪拌。 攪拌原理8 常見攪拌器類型 徑向流式 (Radial-flow) 液體在槽內(nèi)作切向和徑向的渦旋運動，總 體流動較復雜。適用于攪拌中等和低粘度 的液體，特別適用于不互溶液體的分散、 氣體和

4、固體的溶解、液相反應及傳熱等操 作，對于易分層的物系則不適用。 渦輪式：轉(zhuǎn)速高，葉片寬，與螺旋漿式比 較流量小、壓頭高。 平葉片漿式：葉片較長、轉(zhuǎn)速較慢，產(chǎn)生 的壓頭較低。可用于較高粘度液體的攪拌。 錨式和框式：旋轉(zhuǎn)半徑更大 (僅略小于反應槽的內(nèi)徑)，攪動 范圍很大，轉(zhuǎn)速更低，產(chǎn)生的壓頭更小，適用于較高粘度液 體的攪拌，也常用來防止器壁產(chǎn)生沉積現(xiàn)象。 攪拌原理9 檔板、導流筒 (Baffle and draft tube) 打旋現(xiàn)象：液體在離心力作用下涌向器壁， 中心部分液面下降，形成一個大旋渦。轉(zhuǎn) 速越高，形成的旋渦越深。 后果：有效容積降低，且?guī)缀醪划a(chǎn)生軸向 混合，攪拌效果下降。嚴重時出現(xiàn)

5、負壓， 從表面吸入空氣，使攪拌器不能正常操作。 解決方法：在槽內(nèi)安裝檔板。 過多的檔板將減少總體流動， 并把混合局限在局部區(qū)域內(nèi)， 導致不良的混合性能。 攪拌原理10 檔板、導流筒 (Baffle and draft tube) 導流筒：引導液體流入和流出攪 拌器的園形導筒?？煽刂埔后w的 流向和速度，減少短路機會，提 高混合效果。特別是含有固體顆 粒的液體可得到均勻的懸浮。 解決方法：對小容器，攪拌器偏 心或偏心傾斜安裝可破壞循環(huán)回 路的對稱性。 攪拌原理11 攪拌槽內(nèi)流體的流動狀態(tài) 攪拌雷諾數(shù)： 流型與攪拌方式、葉輪、槽、檔板等幾何特征以及流體性質(zhì)， 轉(zhuǎn)速等因素有關。 對攪拌器在槽中心的攪拌

6、：切向流、軸向流、徑向流。對混 合起主要作用的是軸向流與徑向流。 例如：八直葉渦輪有檔板的標準攪拌槽： 1Re10，葉輪附近為滯流旋轉(zhuǎn)流動，其余部分為停滯區(qū)； Re10，葉端有泵出流，引起槽內(nèi)上下循環(huán)流，滯流； 100Re103，整個槽內(nèi)都呈湍流。 /Re 2n d 攪拌原理12 (1) 分子擴散：在分子尺度的空間內(nèi)進行； (2) 湍流擴散：由旋渦分裂運動引起，在渦旋尺度(微團)空間 內(nèi)進行。 (3) 主體對流擴散：包括一切不屬于分子運動或渦旋運動所引 起的擴散過程。在大液團空間內(nèi)進行。 總體流動將液體分割成大尺度液團 (大尺度混合)；大尺度液 團在渦旋作用下變形破裂成微團 (微團間混合)；渦

7、旋的變形 破裂增加和更新了液團高低濃度區(qū)域之間的接觸表面，促進 了分子擴散。 要達到微團的最終消失，即分子尺度上的完全均勻混合，只 有依靠分子擴散。 多數(shù)混合過程三種機理同時存在。湍流擴散系數(shù)約為分子擴 散系數(shù)的105107倍，湍流攪拌中，湍流混合占主導作用。 攪拌原理13 均相物系的混合機理 低粘度液體的混合機理： 由于強剪切作用，大渦旋的分裂使液團分散成小尺度旋渦。 由于粘滯阻力，能量全部轉(zhuǎn)化為熱能而耗散。 葉輪附近剪切力大，湍動最為激烈，液體的混合作用主要發(fā) 生在葉輪附近的混合區(qū)中。 對于低粘度的互溶液體的混合，提供足夠的循環(huán)量是主要的， 剪切強度次之。 高粘度液體的混合機理： 在湍流區(qū)

8、域，葉輪效率差。在滯流區(qū)域，混合作用依賴充分 的總體流動。 應使用大直徑攪拌器，如框式、錨式和螺帶式等。 攪拌原理14 非均相物系的混合機理 不互溶的液-液體系統(tǒng) 一相為分散相(液滴) ，另一相為連續(xù)相。 葉輪附近，湍動程度高，剪切力大，液滴的破碎速率大于凝 聚速率，液滴尺寸小。在遠離葉輪區(qū)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、再分散過程不僅增加了接觸面積，更新 了液滴的表面，而且也使連續(xù)相中擴散阻力減少，強化了相 際傳質(zhì)。 在混合液中加入少量的保護膠和表面活性劑，可使液滴難于 凝聚，液滴趨于均勻。 攪拌原理15 非均相物系的混合機理 氣-液系統(tǒng) 氣相為分散相

9、，以氣泡的形式分散于液相之中，其分散原理 與液滴相同； 氣-液界面張力大于液-液界面張力，分散更加困難，氣泡的 直徑大于液滴直徑； 氣液密度差大，大氣泡受到的浮升力大，易溢出液體表面； 氣-液攪拌器一般應選擇產(chǎn)生強剪切作用的攪拌器，但對于發(fā) 酵罐等生化反應器，由于微生物細胞對剪切作用比較敏感， 較強的剪切作用會損害微生物細胞結(jié)構(gòu)，因此需采用產(chǎn)生較 小剪切作用的攪拌器。 攪拌原理16 非均相物系的混合機理 固-液體系 攪拌目的一是使固體顆粒在液體中均勻懸浮，二是降低固體 顆粒表面的液膜厚度，減少擴散阻力，加速固體顆粒的溶解 以及化學反應。 懸浮臨界轉(zhuǎn)速：所有固體顆粒全部懸浮起來 (流化) 時的攪

10、拌 速度。它葉輪的大小和設計關系極大。 實際操作中，攪拌轉(zhuǎn)速必須大于臨界轉(zhuǎn)速，保證固液兩相的 接觸界面。 攪拌原理17 攪拌混合效果 攪拌效果可有不同的表達方式。若為強化化學反應，可用轉(zhuǎn) 化率來衡量，若為傳熱與傳質(zhì)，則可用傳熱系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù) 的大小來衡量。 I 混合指數(shù)或混合百分數(shù)。若取 n 個樣品，則平均混合 百分數(shù)為 BA A A VV V C 0 0A A C C I 0 1 1 A A C C I n III I n 21 CACA0 設容器中有體積分別為 VA 和 VB 兩種液體，則A的平均濃度為： 攪拌原理18 葉輪直接排出的液體體積流量，(m3/s或m3/h)。 所有參與循環(huán)的液

11、體體積流量。 由于葉輪排出液流的夾帶作用，Q Q，有時大出幾倍。 在湍流區(qū)域 (Re103) ： 湍流區(qū)：NQ 與 Re 無關，為一常數(shù) 11601 2 d D .NN QQ 泵出流量準數(shù) NQ=Q/nd3 循環(huán)流量準數(shù) NQ=Q/nd3 3 ndQ 22d nH 葉輪對單位重量液體所作的功即壓頭 H。 H 與速度 u 的平方成正比，即 u nd 攪拌原理19 攪拌器本質(zhì)上是一個泵，任何葉輪提供的功率 都會產(chǎn)生泵送流量及壓頭，其功率可表示為： N 相同時，既可產(chǎn)生大流量、低壓頭，也可產(chǎn)生高壓頭、 小流量； 葉輪提供給液體的全部功率用于產(chǎn)生流量和壓頭； 不同工藝過程對 Q 及 H 要求不一樣，例

12、：低粘度均相液 體的混合需要泵送流量大而氣-液混合需要強剪切作用。 要功率消耗小，攪拌效果好，就應根據(jù)工藝要求正確地配 置好攪拌裝置，合理地分配功率消耗。 功率相等條件下，大直徑、低轉(zhuǎn)速葉輪更多的功率消耗于 總體流動。小直徑、高轉(zhuǎn)速的葉輪更多功率消耗于湍動。 QHN 攪拌原理20 由于攪拌槽內(nèi)液體的運動狀況很復雜， 影響功率的因素很多。不能由理論分 析法，常利用因次分析方法，通過實 驗關聯(lián)。 對幾何相似的攪拌裝置，各形狀因子 均為常數(shù)。 gdnfN, g dnnd f dn N 22 53 , FrRefP, 0 P0 功率準數(shù) Re 攪拌雷諾準數(shù)，表征液體流動類型 Fr 弗魯?shù)聹蕯?shù)，表征打旋

13、。 “標準”構(gòu)型攪拌裝置 攪拌原理21 功率函數(shù) 若將形狀因子 S1, S2,Sn 考慮進去，則 yx FrRekP 0 式中 k 為與流態(tài)區(qū)間有關，與幾何構(gòu)型有關的常數(shù)。 x y Rek Fr P 0 x RekP 0 若攪拌器中沒有發(fā)生打旋現(xiàn)象，則不 考慮 Fr 的影響，即 y = 0 in n iiyx SSSFrRekP 2 2 1 10 攪拌原理22 將 或 P0 與 Re 標繪在雙對數(shù)坐標上，就可得到功率曲線。 對一具體幾何構(gòu)型只有一條功率曲線，與攪拌槽大小無關。 攪拌原理23 滯流區(qū)：Re104kP 0 53 1 . 6dnN1 . 6 0 P 過渡區(qū)：10Re300，由于打旋現(xiàn)

14、象，F(xiàn)r 不能忽略： y Fr P 0 / )log(Rey 、 是與葉輪形式，直徑及攪拌槽直徑有關的常數(shù)，其值可 查閱有關手冊。 攪拌原理24 (1) 由工藝要求，確定攪拌器的類型及攪拌槽的幾何形狀； (2) 通過小規(guī)模實驗，確定攪拌裝置的具體幾何構(gòu)形，然后放 大，確定具體尺寸、轉(zhuǎn)速和功率。 幾何相似：全部相應的尺寸有相同比例 (幾何構(gòu)形相同)； 運動相似：對應點有相同速度比，且有相同的運動方向； 動力相似：對應點上各種力(慣性力、流體粘滯力、表面張 力和重力)的比例相等(Re、Fr、We相同)。 雷諾數(shù) Re：慣性力與粘滯力之比； 弗魯?shù)聹蕯?shù) Fr：慣性力與重力之比； 韋柏準數(shù) We =

15、n3d2 / ：慣性力與界面張力之比。 攪拌原理25 問題：如何保持幾何相似的大小兩攪拌槽中流體動力學狀態(tài) 相似(Re、Fr、We為常數(shù)) ？ 以上關系相互矛盾，即在幾何相似條件下，不可能滿足動力 相似。實踐中應根據(jù)過程特性，設計好模型，在幾何相似的 前提下，分別以某一準數(shù)作為放大準則來確定裝置尺寸、轉(zhuǎn) 速和功率，再對過程效果及經(jīng)濟性進行綜合評價、修正某些 幾何條件。 2 22 2 11 dndn 2 2 21 2 1 dndn 3 2 2 2 3 1 2 1 dndn Re相等： Fr相等： We相等： 攪拌原理26 (1) 保持單位體積功率消耗 (N/V) 相等 用于流體物性不變，放大比不太大，攪拌效果主要依賴于流 體的湍動強度的情況。在充分湍流區(qū) 2 2 3