第四章液體的攪拌.ppt

1、第四章 液體的攪拌,2008.9.5,第一節(jié) 概述,一、攪拌的用途,使兩種或多種互溶的液體分散,不互溶的液體之間的分散與混合,氣體與液體的混合,使固體顆粒懸浮于液體之中,加速化學(xué)反應(yīng)、傳熱、傳質(zhì)等過程的進(jìn)行,攪拌可以同時(shí)達(dá)到幾個(gè)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(shí)又加速了化學(xué)反應(yīng)、傳熱、傳質(zhì)過程的進(jìn)行。,實(shí)現(xiàn)攪拌操作的方式有很多，包括,靜態(tài)混合以及管道混合,機(jī)械攪拌,氣流攪拌,射流攪拌,二、機(jī)械攪拌裝置,輔助部件，如密封裝置、支架、槽壁上的擋板等,常用的機(jī)械攪拌裝置由一下幾個(gè)部分組成,盛裝被攪拌液體的容器，即攪拌槽,一根旋轉(zhuǎn)中心軸及安裝

2、在軸上的推動(dòng)器，即攪拌器,攪拌操作的效果和消耗的功率，不僅取決于葉輪的形狀、大小和轉(zhuǎn)速，也取決于被攪拌液體的特性，攪拌槽的形狀和大小以及槽壁上有無擋板等因素。,攪拌槽是盛放攪拌器和被攪拌物料的容器，一般為直立的圓形槽，槽底形狀應(yīng)有利于流線型流動(dòng)為宜，以減少功率消耗。通常選擇蝶型底，避免使用錐形底，否則，易使液體停滯或使懸浮著的固體聚積。方形槽和有棱角的槽，因在拐角出也易使液體停滯，都應(yīng)當(dāng)避免。,槽中所盛液體深度一般與槽徑相等，對(duì)于淺槽推薦下列極限值：,三、常見攪拌器的類型,攪拌器是機(jī)械攪拌裝置的主要組成部分，由電機(jī)直接帶動(dòng)或者通過減速裝置傳動(dòng)，在液體中做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使液體在攪拌槽內(nèi)產(chǎn)生高度湍動(dòng)。

3、同時(shí)，產(chǎn)生的高速液流又推動(dòng)全部液體沿著一定途徑在槽內(nèi)做循環(huán)流動(dòng)。 針對(duì)不同的物料系統(tǒng)和不同的攪拌目的，出現(xiàn)了許多結(jié)構(gòu)形式的葉輪。,軸向流式,徑向流式,螺帶式,螺旋槳式,錨式和框式,渦輪式,平直葉片槳式,第二節(jié) 混合機(jī)理,主體對(duì)流擴(kuò)散：包括一切不屬于分子運(yùn)動(dòng)或渦旋運(yùn)動(dòng)所引起的擴(kuò)散過程。在大液團(tuán)空間內(nèi)進(jìn)行。,分子擴(kuò)散：在分子尺度的空間內(nèi)進(jìn)行,湍流擴(kuò)散：由旋渦分裂運(yùn)動(dòng)引起，在渦旋尺度(微團(tuán))空間內(nèi)進(jìn)行。,總體流動(dòng)將液體分割成大尺度液團(tuán) (大尺度混合)；大尺度液團(tuán)在渦旋作用下變形破裂成微團(tuán) (微團(tuán)間混合)；渦旋的變形破裂增加和更新了液團(tuán)高低濃度區(qū)域之間的接觸表面，促進(jìn)了分子擴(kuò)散。,要達(dá)到微團(tuán)的最終消失

4、，即分子尺度上的完全均勻混合，只有依靠分子擴(kuò)散。,多數(shù)混合過程三種機(jī)理同時(shí)存在。湍流擴(kuò)散系數(shù)約為分子擴(kuò)散系數(shù)的105107倍，湍流攪拌中，湍流混合占主導(dǎo)作用。,1、均相物系的混合機(jī)理,由于強(qiáng)剪切作用，大渦旋的分裂使液團(tuán)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(dòng)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(duì)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(qiáng)度次之。,1）低粘度液體的混合機(jī)理：,2）高粘度液體的混合機(jī)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流動(dòng)。 應(yīng)使用大直徑攪拌器，如框式、錨式和螺帶式等。,2、非

5、均相物系的混合機(jī)理,一相為分散相(液滴) ，另一相為連續(xù)相。 葉輪附近，湍動(dòng)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(yuǎn)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。,1）不互溶的液-液體系統(tǒng),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(kuò)散阻力減少，強(qiáng)化了相際傳質(zhì)。 在混合液中加入少量的保護(hù)膠和表面活性劑，可使液滴難于凝聚，液滴趨于均勻。,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

6、大，易溢出液體表面；,氣-液攪拌器一般應(yīng)選擇產(chǎn)生強(qiáng)剪切作用的攪拌器，但對(duì)于發(fā)酵罐等生化反應(yīng)器，由于微生物細(xì)胞對(duì)剪切作用比較敏感，較強(qiáng)的剪切作用會(huì)損害微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)，因此需采用產(chǎn)生較小剪切作用的攪拌器。,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(kuò)散阻力，加速固體顆粒的溶解以及化學(xué)反應(yīng)。,懸浮臨界轉(zhuǎn)速：所有固體顆粒全部懸浮起來 (流化) 時(shí)的攪拌速度。它葉輪的大小和設(shè)計(jì)關(guān)系極大。,實(shí)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。,第三節(jié) 攪拌器的性能,一、攪拌效果 攪拌效果可有不同的表達(dá)方式。若為強(qiáng)化化學(xué)反應(yīng)，可用轉(zhuǎn)化率來衡量，若為

7、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。,這里討論的是以混合指數(shù)I表示的攪拌效果,設(shè)容器中有體積分別為 VA 和 VB兩種液體，則A的平均濃度為：,當(dāng)CACA0,當(dāng)CACA0,若取 n 個(gè)樣品，則平均混合百分?jǐn)?shù)為,2、攪拌器操作與攪拌的附件,1）“打旋”現(xiàn)象,2）“打旋”現(xiàn)象的后果,液體只是隨著葉輪團(tuán)團(tuán)轉(zhuǎn)而不產(chǎn)生橫向或垂直的上下運(yùn)動(dòng)，沒有產(chǎn)生混合的機(jī)會(huì)。,葉輪周圍的液體下降，形成一個(gè)漩渦，旋轉(zhuǎn)速度越大，漩渦中心向下凹的程度越深，最后可凹到與葉輪接觸。導(dǎo)致攪拌功率下降。,打旋時(shí)功率的波動(dòng)會(huì)引起異常的作用力，易使轉(zhuǎn)軸受損，加劇攪拌器的振動(dòng)，甚至使它無法繼續(xù)操作。對(duì)混合不利。,3）打旋的解

8、決辦法,安裝垂直擋板,攪拌器偏心傾斜安裝,使用導(dǎo)流筒,3、標(biāo)準(zhǔn)攪拌裝置構(gòu)型,攪拌器標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)型的說明,葉輪是具有6個(gè)平片的渦輪式，葉片安裝在一個(gè)直徑為r的中心圓盤上；,葉輪的葉片寬度W0.2d；,葉輪直徑d等于攪拌槽直徑D的1/3,葉輪距槽底的高度為Hi1.0d,攪拌器標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)型的說明,擋板寬度Wb0.1D。,葉輪葉片的長(zhǎng)度L0.25d,液體深度H1.0D,擋板數(shù)目為4，垂直安裝在槽壁上，并從槽底延伸到液面之上,注意,上述標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)型在某些場(chǎng)合中并非最為適用。例如，對(duì)于固體含量很高或粘度很高的液體，可能就不適用。又如，若液體的深度有改變，可能要求葉輪接近槽底；若液體深度大于槽徑的1.25倍，則應(yīng)使用多個(gè)

9、葉輪。,4、攪拌槽內(nèi)的液體循環(huán)量和壓頭,1）葉輪排液量和流體循環(huán)量,攪拌槽內(nèi)從葉輪直接排出的液體體積流量，稱為葉輪的排液量。,參與循環(huán)流動(dòng)的液體的體積流量，稱為循環(huán)量。,對(duì)于幾何相似的葉輪，其排液量Q1、葉輪直接d和轉(zhuǎn)速n之間存在如下關(guān)系：,與排液量類似，循環(huán)量同樣也有如下關(guān)系,2）葉輪的壓頭,在攪拌槽的閉路循環(huán)中，葉輪提供給單位重量流體的能量即為葉輪的壓頭。與離心泵的壓頭類似，用動(dòng)壓頭的倍數(shù)來表示壓頭。液體離開葉輪的速度可表示為，于是壓頭可表示為：,H的數(shù)值可以量度槽內(nèi)渦流運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度，而渦流產(chǎn)生于流體中的剪切作用。因此，壓頭H也是流體受到剪切作用程度的量度。,3）Q/H對(duì)攪拌效果的影響,與離

10、心泵的功率計(jì)算類似，攪拌器葉輪所消耗的功率 。即葉輪的攪拌功率與槽內(nèi)的剪切流動(dòng)和循環(huán)流動(dòng)有關(guān)系。,在等功率情況下流量和壓頭的比，即Q/H（不嚴(yán)格情況下，近似為Q1/H），對(duì)攪拌效果有重要意義。,當(dāng)N一定時(shí)，,由上述兩式知：功率消耗相等的條件下，采用低轉(zhuǎn)速、大直徑葉輪，可以增大流體的循環(huán)量和循環(huán)速度，同時(shí)減小流體受到剪切作用，更多的功率消耗于總體流動(dòng)上。反之，采用高轉(zhuǎn)速、小直徑葉輪，則更多的功率消耗在渦流運(yùn)動(dòng)上，增加了流體受到剪切作用，減小了流體的循環(huán)量。,小結(jié),1、攪拌器的用途,4、均相、非均相,2、攪拌裝置的結(jié)構(gòu)以及各種葉輪的形式,3、混合機(jī)理,6、混合指數(shù)I、打旋現(xiàn)象及其解決辦法、攪拌裝置

11、的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)型、液體循環(huán)量與壓頭以及它們對(duì)攪拌效果的影響。,5、攪拌器的性能,軸向流式,液體在攪拌槽內(nèi)形成的總體流動(dòng)為軸向和切向的大循環(huán)，湍動(dòng)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(qiáng)化槽內(nèi)的傳熱等,徑向流式,液體在槽內(nèi)作切向和徑向的渦旋運(yùn)動(dòng)，總體流動(dòng)較復(fù)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(yīng)及傳熱等操作，對(duì)于易分層的物系則不適用。,螺旋槳式,通用尺寸及葉片端部速度： S/d=1 ； Z=3 ；一般515m/s，最大25m/s S：螺距；d：攪拌器直徑； z：槳葉數(shù),直徑小、轉(zhuǎn)速高、流量大、壓頭低,螺帶式,通用尺寸及葉片端部速度：

12、 S/d=1 ； B/d=0.1 z=12(z2指雙螺帶)； 外緣盡可能與釜內(nèi)壁接近,旋轉(zhuǎn)半徑大，攪動(dòng)范圍廣、轉(zhuǎn)速低、壓頭小，適于高粘度液體的攪拌,平直葉片槳式,通用尺寸及葉片端部速度： d/B=410 ； Z=2；1.53 m/s d：攪拌槳直徑 ； z：槳葉數(shù)； B：槳葉寬度,葉片較長(zhǎng)、轉(zhuǎn)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,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,旋轉(zhuǎn)半徑更大 ，攪動(dòng)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

13、止器壁產(chǎn)生沉積現(xiàn)象,渦輪式,開啟平直葉 d/B58； z6； 38m/s,開啟彎葉 d/B58； z6； 38m/s,圓盤平直葉 D:L:B20:5:4；z6 ； 38m/s,圓盤彎葉 D:L:B20:5:4；z6； 38m/s,渦輪式的特點(diǎn)：轉(zhuǎn)速高，葉片寬，與螺旋槳式比較流量小、壓頭高,安裝垂直擋板,擋板數(shù)要適宜，過多的檔板將減少總體流動(dòng)，并把混合局限在局部區(qū)域內(nèi)，導(dǎo)致不良的混合性能。實(shí)踐證明，安裝4塊寬度為槽徑的1/10的均布擋板，可以完全消除“打旋”現(xiàn)象。,這種裝有適宜數(shù)目擋板的槽子稱為“完全擋板化”的槽。 這種達(dá)到“完全擋板化”的條件稱為“標(biāo)準(zhǔn)擋板條件”。 擋板除了可以消除“打旋”現(xiàn)象外，還可增大被攪動(dòng)液體的湍動(dòng)程度，從而改善攪拌效果。 安裝擋板時(shí)，擋板頂端應(yīng)露出液面，下端應(yīng)通到槽底。,攪拌器偏心傾斜安裝,對(duì)于小容器，可在偏心或偏心且與垂直軸傾斜一定角度的位置上安裝葉輪；對(duì)于打容器，則可在容器下部偏心水平位置上安裝攪拌器，借以破壞循環(huán)回路的對(duì)稱性。如下圖所示。螺旋槳式通常采用此