第四章攪拌Chapter4Agitationandmixing主講人：魏安建班級：化工一班現(xiàn)在是1頁\一共有27頁\編輯于星期五概述(Introduction)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。攪拌的定義：使兩種或多種物料進行混合的操作。現(xiàn)在是2頁\一共有27頁\編輯于星期五由攪拌槽，攪拌器和若干附件組成。攪拌裝置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，通常攪拌器又稱之為葉輪?，F(xiàn)在是3頁\一共有27頁\編輯于星期五通用尺寸及葉片端部速度：S/d=1Z=3一般5~15m/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=1B/d=0.1Z=1-2(2指雙螺帶)外緣盡可能與釜內壁接近螺帶式現(xiàn)在是4頁\一共有27頁\編輯于星期五通用尺寸及葉片端部速度：d/B=4-10Z=21.5~3m/s常見攪拌器類型槳式通用尺寸及葉片端部速度：B/d=1/12dd＇=25-50mmd＇為攪拌器外緣與釜內壁距離0.5-1.5m/s錨式和框式現(xiàn)在是5頁\一共有27頁\編輯于星期五(1)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現(xiàn)在是6頁\一共有27頁\編輯于星期五常見攪拌器類型軸流式(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。螺旋槳式：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?，F(xiàn)在是7頁\一共有27頁\編輯于星期五常見攪拌器類型徑向流式(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生沉積現(xiàn)象。現(xiàn)在是8頁\一共有27頁\編輯于星期五檔板、導流筒(Baffleanddrafttube)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。解決方法：在槽內安裝檔板。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，導致不良的混合性能?，F(xiàn)在是9頁\一共有27頁\編輯于星期五檔板、導流筒(Baffleanddrafttube)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?，F(xiàn)在是10頁\一共有27頁\編輯于星期五攪拌槽內流體的流動狀態(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，轉速等因素有關。對攪拌器在槽中心的攪拌：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：1＜Re＜10，葉輪附近為滯流旋轉流動，其余部分為停滯區(qū)；Re＞10，葉端有泵出流，引起槽內上下循環(huán)流，滯流；100＜Re<1000，過渡流，葉輪周圍液體為湍流狀態(tài)，而上下循環(huán)流仍為滯流；Re>103，整個槽內都呈湍流?，F(xiàn)在是11頁\一共有27頁\編輯于星期五混合機理(1)分子擴散：在分子尺度的空間內進行；(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。在大液團空間內進行?？傮w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105~107倍，湍流攪拌中，湍流混合占主導作用?，F(xiàn)在是12頁\一共有27頁\編輯于星期五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流動。應使用大直徑攪拌器，如框式、錨式和螺帶式等?，F(xiàn)在是13頁\一共有27頁\編輯于星期五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。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?，F(xiàn)在是14頁\一共有27頁\編輯于星期五非均相物系的混合機理氣-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，因此需采用產生較小剪切作用的攪拌器?，F(xiàn)在是15頁\一共有27頁\編輯于星期五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。懸浮臨界轉速：所有固體顆粒全部懸浮起來(流化)時的攪拌速度。它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?，F(xiàn)在是16頁\一共有27頁\編輯于星期五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。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CA<CA0CA>CA0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：現(xiàn)在是17頁\一共有27頁\編輯于星期五攪拌功率泵出流量Q：葉輪直接排出的液體體積流量，(m3/s或m3/h)。循環(huán)量Q’：所有參與循環(huán)的液體體積流量。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(Re>103)：攪拌槽內葉輪的泵出流量、壓頭及功率湍流區(qū)：NQ與Re無關，為一常數(shù)泵出流量準數(shù)NQ=Q/nd3循環(huán)流量準數(shù)NQ’=Q’/nd3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，而

und，故現(xiàn)在是18頁\一共有27頁\編輯于星期五攪拌槽內葉輪的泵出流量、壓頭及功率攪拌器本質上是一個泵，任何葉輪提供的功率都會產生泵送流量及壓頭，其功率可表示為：N相同時，既可產生大流量、低壓頭，也可產生高壓頭、小流量；葉輪提供給液體的全部功率用于產生流量和壓頭；不同工藝過程對Q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。現(xiàn)在是19頁\一共有27頁\編輯于星期五功率關聯(lián)式及功率曲線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，通過實驗關聯(lián)。對幾何相似的攪拌裝置，各形狀因子均為常數(shù)。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?！皹藴省睒嬓蛿嚢柩b置現(xiàn)在是20頁\一共有27頁\編輯于星期五功率關聯(lián)式及功率曲線——功率函數(shù)若將形狀因子S1,S2,．．．Sn考慮進去，則式中k為與流態(tài)區(qū)間有關，與幾何構型有關的常數(shù)。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現(xiàn)在是21頁\一共有27頁\編輯于星期五功率關聯(lián)式及功率曲線將或P0與Re標繪在雙對數(shù)坐標上，就可得到功率曲線。對一具體幾何構型只有一條功率曲線，與攪拌槽大小無關?，F(xiàn)在是22頁\一共有27頁\編輯于星期五功率關聯(lián)式及功率曲線層流區(qū)：Re<10湍流區(qū)：Re>104過渡區(qū)：10＜Re<104對有檔板攪拌裝置對無檔板攪拌裝置，Re>300，由于打旋現(xiàn)象，F(xiàn)r不能忽略：、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?，F(xiàn)在是23頁\一共有27頁\編輯于星期五攪拌裝置的設計(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。攪拌裝置的放大幾何相似：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(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=n3d2/

：慣性力與界面張力之比?，F(xiàn)在是24頁\一共有27頁\編輯于星期五攪拌裝置的放大問題：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、轉速和功率，再對過程效果及經濟性進行綜合評價、修正某些幾何條件。Re相等：Fr相等：We相等：現(xiàn)在是25頁\一共有27頁\編輯于星期五放大準則(1)保持單位體積功率消耗(N/V)