第3章液體的攪拌

1、第3章 液體攪拌Liquid Agitation第3章 液體攪拌2022-5-31西北師范大學化學化工學院23.1 概述概述 (Introduction) 攪拌的目的(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、傳質等過程的進行。 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。第3章 液體攪拌2022-5-31西北師范大學化學化工學院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，通常攪拌器又稱為葉輪

2、。 第3章 液體攪拌2022-5-31西北師范大學化學化工學院4(1) 圓盤平直葉 (2) 圓盤彎葉 (3) 開啟平直葉(4) 開啟彎葉 3.1.1 常見攪拌器類型常見攪拌器類型 渦輪式 第3章 液體攪拌2022-5-31西北師范大學化學化工學院5通用尺寸及葉片端部速度： S/d=1 (S螺距，d攪拌漿直徑)Z=3 ( Z槳葉數(shù))一般515m/s，最大25m/s 旋槳式 通用尺寸及葉片端部速度： S/d=1B/d=0.1 (B葉片寬度)Z=1-2(2指雙螺帶)外緣盡可能與釜內壁接近 螺帶式 第3章 液體攪拌2022-5-31西北師范大學化學化工學院6通用尺寸及葉片端部速度： d/B=4-10Z

3、=21.53 m/s 槳式 通用尺寸及葉片端部速度： B/d=1/12d/d=0.05-0.08d=25-50 mmd為攪拌器外緣與釜內壁距離0.5-1.5 m/s 錨式和框式 第3章 液體攪拌2022-5-31西北師范大學化學化工學院73.1.2 混合效果度量混合效果度量 攪拌效果可有不同的表達方式。若為強化化學反應，可用轉化率來衡量，若為傳熱與傳質，則可用傳熱系數(shù)和傳質系數(shù)的大小來衡量。 對于物理過程，可用調勻度和混和尺寸描述。I 調勻度或混合百分數(shù)。若取 n 個樣品，則平均混合百分數(shù)為 BAAAVVVC00AACCI 011AACCInIIIIn21CACA0設容器中有體積分別為 VA

4、和 VB兩種液體，則A的平均體積濃度為： 混合均勻，I=1 第3章 液體攪拌2022-5-31西北師范大學化學化工學院8混和尺度（分隔尺寸）與調勻度混和尺度（分隔尺寸）與調勻度第3章 液體攪拌2022-5-31西北師范大學化學化工學院93.2 混合機理混合機理 3.2.1 攪拌器的功能(1)總體流動：包括一切不屬于分子運動或渦旋運動所引起的擴散過程。在大液團空間內進行。 大尺度混合 (2)湍流擴散：由旋渦分裂運動引起，在渦旋尺度(微團)空間內進行。小尺度混合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 (小尺度混合)；渦旋的變形破裂增加和更新了液團高低濃

5、度區(qū)域之間的接觸表面，促進了分子擴散。 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。 第3章 液體攪拌2022-5-31西北師范大學化學化工學院103.2.2 均相液體的混合機理均相液體的混合機理 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)域，葉輪效率差。在滯流區(qū)域，混合作用依賴充分的總體

6、流動。應使用大直徑攪拌器，如框式、錨式和螺帶式等。 第3章 液體攪拌2022-5-31西北師范大學化學化工學院113.2.3 非均相物系的混合機理非均相物系的混合機理 （1) 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。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。 第3章 液體攪拌2022-5-31西北師范大

7、學化學化工學院12（2) 氣-液系統(tǒng) 氣相為分散相，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構，因此需采用產(chǎn)生較小剪切作用的攪拌器。 第3章 液體攪拌2022-5-31西北師范大學化學化工學院13（3) 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

8、應。懸浮臨界轉速：所有固體顆粒全部懸浮起來 (流化) 時的攪拌速度。與葉輪的大小和設計關系極大。實際操作中，攪拌轉速必須大于臨界轉速，保證固液兩相的接觸界面。 第3章 液體攪拌2022-5-31西北師范大學化學化工學院141 軸流式 (Axial-flow)液體在攪拌槽內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的傳熱等。旋槳式：直徑小、轉速高、流量大、壓頭低。螺帶式：旋轉半徑大，攪動范圍廣、轉速低、壓頭小，適于高粘度液體的攪拌。 3.3 攪拌器的性能攪拌器的性能 3.3.1 攪拌器的性能第3章 液體攪拌2022-5-31西北師范

9、大學化學化工學院152 徑流式 (Radial-flow)液體在槽內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、轉速較慢，產(chǎn)生的壓頭較低?？捎糜谳^高粘度液體的攪拌。錨式和框式：旋轉半徑更大 (僅略小于反應槽的內徑)，攪動范圍很大，轉速更低，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。 第3章 液體攪拌2022-5-31西北師范大學化學化工學院163.3.2 強化傳質的措施強

10、化傳質的措施 1 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)負壓，從表面吸入空氣，使攪拌器不能正常操作。（1）安裝擋板（Baffle ）。 ：在槽內安裝檔板，但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，導致不良的混合性能。2 解決方法：第3章 液體攪拌2022-5-31西北師范大學化學化工學院17（3）設置導流筒（draft tube）：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

11、。（2）偏心安裝（off-center fixing）：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。 第3章 液體攪拌2022-5-31西北師范大學化學化工學院183.4 攪拌功率攪拌功率 泵出流量 qV：葉輪直接排出的液體體積流量，(m3/s或m3/h)。3.4.1 攪拌器的功率消耗3Vqnd22dnH 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第3章 液體攪拌2022-5-31西北師范大學化學化工學院19攪拌器本質上是一個泵，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： P 相同時，既可產(chǎn)生大流量、低壓頭，也可產(chǎn)生高壓頭、小

12、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qV及 H 要求不一樣，例：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、低轉速葉輪更多的功率消耗于總體流動。小直徑、高轉速的葉輪更多功率消耗于湍動。 VPq He g第3章 液體攪拌2022-5-31西北師范大學化學化工學院203.4.2 功率關聯(lián)式及功率曲線功率關聯(lián)式及功率曲線 2Re/Md n 由于攪拌槽內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

13、聯(lián)。 , , , ,Pf n dg 2235,Pndn dfn dg,MPf ReFrP 功率ReM 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。 “標準”構型攪拌裝置 22/Frn dg第3章 液體攪拌2022-5-31西北師范大學化學化工學院21 功率函數(shù)xyMPkReFr式中 k 為與流動型態(tài)、幾何構型有關的常數(shù)。 xMPkRe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對于幾何相似攪拌器： 35Pn d功率特征數(shù)xMf Re第3章 液體攪拌2022-5-31西北師范大學化學化工學院22將 與 Re 標繪在雙對數(shù)坐標上，可得到功率曲線。對一具體幾何構型

14、只有一條功率曲線，與攪拌槽大小無關。第3章 液體攪拌2022-5-31西北師范大學化學化工學院23滯流區(qū)：Re104356.1Pn d對于典型的渦輪葉片攪拌器（曲線1）第3章 液體攪拌2022-5-31西北師范大學化學化工學院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形，然后放大，確定具體尺寸、轉速和功率。3.5 攪拌器的放大攪拌器的放大3.5.1 攪拌器的設計攪拌器的設計幾何相似：全部相應的尺寸有相同比例 (幾何構形相同)；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3.5.2 放大準則放大準則 第3章 液體攪拌2022-5-31西北師范大學化學化工學院251 保持單位體積功率消耗 (P/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)