膠黏劑-第五章課件

第五章攪拌聚合釜內流體的流動與混合1、攪拌器與流動特征定義功能攪拌器又稱攪拌槳或攪拌葉輪，是攪拌反應器的關鍵部件。提供過程所需要的能量和適宜的流動狀態(tài)。原理攪拌器旋轉時把機械能傳遞給流體，在攪拌器附近形成高湍動的充分混合區(qū)，并產(chǎn)生一股高速射流推動液體在攪拌容器內循環(huán)流動。流型流體循環(huán)流動的途徑。1—電動機；2—減速機；3—機架；4—人孔；5—密封裝置；6—進料口；7—上封頭；8—筒體：9—聯(lián)軸器；10—攪拌軸；11—夾套；12—載熱介質出口；13—擋板；14—螺旋導流板；15—軸向流攪拌器；16—徑向流攪拌器；17—氣體分布器；18—下封頭；19—出料口；20—載熱介質進口；21—氣體進口圖1通氣式攪拌反應器典型結構第二節(jié)攪拌釜內流體的流動狀況循環(huán)流動徑向流動、軸向流動、切線流動流型決定因素取決于攪拌器的形式、攪拌容器和內構件幾何特征，以及流體性質、攪拌器轉速等因素。攪拌機頂插式中心安裝立式圓筒的三種基本流型徑向流軸向流切向流流型流體流動方向垂直于攪拌軸，沿徑向流動，碰到容器壁面分成二股流體分別向上、向下流動，再回到葉端，不穿過葉片，形成上、下二個循環(huán)流動。(a)徑向流圖2攪拌器與流型(a)徑向流流體流動方向平行于攪拌軸，流體由槳葉推動，使流體向下流動，遇到容器底面再向上翻，形成上下循環(huán)流。(b)軸向流圖3攪拌器與流型(b)軸向流無擋板的容器內，流體繞軸作旋轉運動，流速高時液體表面會形成漩渦，流體從槳葉周圍周向卷吸至槳葉區(qū)的流量很小，混合效果很差。(c)切向流圖4攪拌器與流型(c)切向流上述三種流型通常同時存在軸向流與徑向流對混合起主要作用切向流應加以抑制采用擋板可削弱切向流，增強軸向流和徑向流除中心安裝的攪拌機外，還有偏心式、底插式、側插式、斜插式、臥式等安裝方式，見圖4.不同方式安裝的攪拌機產(chǎn)生的流型也各不相同。圖4攪拌器在容器內的安裝方式(a)垂直偏心式(b)底插式(c)側插式(d)斜插式(e)臥式剪切流動攪拌產(chǎn)生湍動形成小渦旋，對其中或周圍流體微元產(chǎn)生剪切作用，促使氣泡、液滴細微化，使局部混合及異相表面更新，達到傳熱、傳質、分散作用。二、攪拌雷諾數(shù)與流態(tài)三、擋板與導流筒1.擋板后果隨轉速增加，漩渦中心下凹到與槳葉接觸，外面空氣進入槳葉被吸到液體中，使其密度減小，混合效果降低。一般在容器內壁面均勻安裝4塊擋板寬度為容器直徑的1/12～1/10。將切線流動轉變?yōu)檩S向流動或徑向流動；增大被攪拌流體的湍動程度。層流區(qū)和粘度大于60Pa.s流體不必設置擋板。擋板的作用全擋板條件當再增加擋板數(shù)和擋板寬度，而功率消耗不再增加時，稱為全擋板條件。全擋板條件與擋板數(shù)量和寬度有關。攪拌容器中的傳熱蛇管可部分或全部代替擋板，裝有垂直換熱管時一般可不再安裝擋板。圖5擋板

2.導流筒控制回流的速度和方向。加強漿葉對流體的直接剪切作用；限定流體循環(huán)路徑。提高混合效率。——上下開口圓筒，安裝于容器內，在攪拌混合中起導流作用。作用渦輪式或槳式攪拌器

導流筒置于槳葉的上方(b)推進式攪拌器導流筒套在槳葉外面，或略

高于槳葉圖6導流筒結構當攪拌器置于導流筒之下，且容器直徑又較大時，導流筒的下端直徑應縮小，使下部開口小于攪拌器的直徑。通常導流筒上端低于靜液面，筒身上開孔或槽，當液面降落后流體仍可從孔或槽進入導流筒。導流筒將攪拌容器截面分成面積相等的兩部分，導流筒直徑約為容器直徑的70%。裝導流筒可以避免短路及死區(qū)按流體流動形態(tài)軸向流攪拌器徑向流攪拌器按槳葉結構分為平葉

折葉

螺旋面葉槳式、渦輪式、框式和錨式的槳葉都有平葉和折葉兩種結構推進式、螺桿式和螺帶式的槳葉為螺旋面葉混合流攪拌器軸向流攪拌器第三節(jié)攪拌器的構形與選擇一、攪拌器分類

按攪拌用途分為低粘流體用攪拌器高粘流體用攪拌器低粘流體攪拌器有：推進式、長薄葉螺旋槳、槳式、開啟渦輪式、圓盤渦輪式、布魯馬金式、板框槳式、三葉后彎式、MIG和改進MIG等。高粘流體攪拌器有：錨式、框式、鋸齒圓盤式、螺旋槳式、螺帶式（單螺帶、雙螺帶）、螺旋—螺帶式等。圖7攪拌器流型分類圖譜

軸流式混流式徑流式攪拌器布魯馬金式MIG型攪拌器Sabre形狀葉片槳螺旋推進式型槳葉帶有450傾斜平板葉片的軸向攪拌槳RUSHTON槳葉單層六平葉圓盤渦輪槳二、幾種常用攪拌器：1.槳式攪拌器結構最簡單葉片用扁鋼制成，焊接或用螺栓固定在輪轂上，葉片數(shù)是2、3或4片，葉片形式可分為平直葉式和折葉式兩種。圖18槳式攪拌器

主要應用也用于高粘流體攪拌，促進流體的上下交換，代替價格高的螺帶式葉輪，能獲得良好的效果。液—液系中用于防止分離、使罐的溫度均一，固—液系中多用于防止固體沉降。主要用于流體的循環(huán)，由于在同樣排量下，折葉式比平直葉式的功耗少，操作費用低，故軸流槳葉使用較多。槳式攪拌器的轉速一般為20～100r/min，最高粘度為20Pa·s。其常用參數(shù)見表5。缺點不能用于以保持氣體和以細微化為目的的氣—液分散操作中。表5槳式攪拌器常用參數(shù)常用尺寸常用運轉條件常用介質粘度范圍流動狀態(tài)備注d/D=0.35～0.8b/d=0.1～0.25Bn=2n=1～100r/minv=1.0～5.0m/s小于2Pa·s低轉速時水平環(huán)向流為主；轉速高時為徑向流；有擋板時為上下循環(huán)流當d/D=0.9以上，并設置多層槳葉時，可用于高粘度液體的低速攪拌。在層流區(qū)操作，適用的介質粘度可達100Pa·s,v=1.0～3.0m/s折葉式θ=45°，60°折葉式有軸向、徑向和環(huán)向分流作用注：n－轉速；v－葉端線速度；Bn－葉片數(shù)；d－攪拌器直徑；D－容器內徑：θ－折葉角。2.推進式攪拌器推進式攪拌器（又稱船用推進器）常用于低粘流體中。結構標準推進式攪拌器有三瓣葉片，其螺距與槳直徑d相等。它直徑較小，d/D=1/4～1/3，葉端速度一般為7～10m/s，最高達15m/s。圖19推進式攪拌器

特點——攪拌時流體的湍流程度不高，循環(huán)量大，結構簡單，制造方便。攪拌時——流體由槳葉上方吸入，下方以圓筒狀螺旋形排出，流體至容器底再沿壁面返至槳葉上方，形成軸向流動。循環(huán)性能好，剪切作用不大，屬于循環(huán)型攪拌器應用粘度低、流量大的場合，用較小的攪拌功率，能獲得較好的攪拌效果。主要用于液－液系混合、使溫度均勻，在低濃度固－液系中防止淤泥沉降等改進容器內裝擋板、攪拌軸偏心安裝、攪拌器傾斜，可防止漩渦形成。常用參數(shù)見表6表6推進式攪拌器常用參數(shù)常用尺寸常用運轉條件常用介質粘度范圍流動狀態(tài)備注d/D=0.2～0.5(以0.33居多)p/d=1,2Bn=2,3,4(以3居多)p－螺距n=100～500r/minv=3～15m/s小于2Pa·s軸流型，循環(huán)速率高，剪切力小。采用擋板或導流筒則軸向循環(huán)更強最高轉速可達1750r/min:最高葉端線速度可達25m/s。轉速在500r/min以下，適用介質粘度可達50Pa.s渦輪式攪拌器（又稱透平式葉輪），是應用較廣的一種攪拌器，能有效地完成幾乎所有的攪拌操作，并能處理粘度范圍很廣的流體。見圖20。3．渦輪式攪拌器

圖20渦輪式攪拌器

渦輪式攪拌器分為開式盤式開式有：平直葉、斜葉、彎葉等。葉片數(shù)為2葉和4葉盤式有：圓盤平直葉、圓盤斜葉、圓盤彎葉等。葉片數(shù)常為6葉。為改善流動狀況，有時把槳葉制成凹形或箭形應用

渦輪式攪拌器有較大的剪切力，可使流體微團分散得很細，適用于低粘度到中等粘度流體的混合、液—液分散、液—固懸浮，以及促進良好的傳熱、傳質和化學反應。平直葉——剪切作用較大，屬剪切型攪拌器。彎葉——指葉片朝著流動方向彎曲，可降低功率消耗，適用于含有易碎固體顆粒的流體攪拌。表7渦輪式攪拌器常用參數(shù)型式常用尺寸常用運轉條件常用介質粘度范圍流動狀態(tài)備注開式渦輪d/D=0.2～0.5(以0.33居多)b/d=0.2Bn=,3,4,6,8(以6居多)折葉式θ=30°,45°,60°后彎式?=30°,50°,60°?后彎角n=10～300r/minv=4～10m/s折葉式v=2～6m/s小于50Pa·s，折葉和后彎葉小于10Pa·s平直葉、后彎葉為徑向流型。在有擋板時以槳葉為界形成上下兩個循環(huán)流。折葉的還有軸向分流，近于軸流型最高轉速可達600r/min圓盤上下液體的混合不如開式渦輪盤式渦輪d:l:b=20:5:4d/D=0.2～0.5(以0.33居多)Bn=4,6,8θ=45°,60°?=45°n=10～300r/minv=4～10m/s折葉式v=2～6m/s小于50Pa·s，折葉和后彎葉小于10Pa·s4．錨式攪拌器

結構簡單。適用于粘度在100Pa·s以下的流體攪拌，當流體粘度在10～100Pa·s時，可在錨式槳中間加一橫槳葉，即為框式攪拌器，以增加容器中部的混合。圖21錨式攪拌器

應用錨式或框式槳葉的混合效果并不理想，只適用于對混合要求不太高的場合。由于錨式攪拌器在容器壁附近流速比其它攪拌器大，能得到大的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，故常用于傳熱、晶析操作。常用于攪拌高濃度淤漿和沉降性淤漿。當攪拌粘度大于100Pa·s的流體時，應采用螺帶式或螺桿式。常用尺寸常用運轉條件常用介質粘度范圍流動狀態(tài)備注d/D=0.9～0.98b/D=0.1h/D=0.48～1.0n=1～100r/minv=1～5m/s小于100Pa·s不同高度上的水平環(huán)向流為了增大攪拌范圍，可根據(jù)需要在槳葉上增加立葉和橫梁表8錨式攪拌器常用參數(shù)二、攪拌器的選用選用攪拌器的要求P151

僅考慮攪拌目的時攪拌器的選型見表9。（一）按攪拌目的選型常用的攪拌器選用方法：攪拌目的擋板條件推薦形式流動狀態(tài)互溶液體的混合及在其中進行化學反應無擋板三葉折葉渦輪、六葉折葉開啟渦輪、槳式、圓盤渦輪湍流(低粘流體)有導流筒三葉折葉渦輪、六葉折葉開啟渦輪、推進式有或無導流筒槳式、螺桿式、框式、螺帶式、錨式層流(高粘流體)固—液相分散及在其中溶解和進行化學反應有或無擋板槳式、六葉折葉開啟式渦輪湍流(低粘流體)有導流筒三葉折葉渦輪、六葉折葉開啟渦輪、推進式有或無導流筒螺帶式、螺桿式、錨式層流(高粘流體)液—液相分散（互溶的液體）及在其中強化傳質和進行化學反應有擋板三葉折葉渦輪、六葉折葉開啟渦輪、槳式、圓盤渦輪式、推進式湍流(低粘流體)表9攪拌目的與推薦的攪拌器形式液—液相分散（不互溶的液體）及在其中強化傳質和進行化學反應有擋板圓盤渦輪、六葉折葉開啟渦輪湍流(低粘流體)有反射物三葉折葉渦輪有導流筒三葉折葉渦輪、六葉折葉開啟渦輪、推進式有或無導流筒螺帶式、螺桿式、錨式層流(高粘流體)氣—液相分散及在其中強化傳質和進行化學反應有擋板圓盤渦輪、閉式渦輪湍流(低粘流體)有反射物三葉折葉渦輪有導流筒三葉折葉渦輪、六葉折葉開啟渦輪、推進式有導流筒螺桿式層流(高粘流體)無導流筒錨式、螺帶式表9攪拌目的與推薦的攪拌器形式（續(xù)）（二）按攪拌器型式和適用條件選型推進式攪拌器——用于低粘度流體的混合，循環(huán)能力強，動力消耗小，可應用到很大容積的攪拌容器中。槳式攪拌器——結構簡單，在小容積的流體混合中應用較廣，對大容積的流體混合，循環(huán)能力不足。渦輪式攪拌器——應用范圍較廣，各種攪拌操作都適用，但流體粘度不宜超過50Pa·s。表10是以操作目的和攪拌器流動狀態(tài)選用攪拌器的錨式、螺桿式、螺帶式——適用于高粘流體的混合。表10攪拌器型式和適用條件注：有◆者為可用，空白者不詳或不合用均相液體的混合：混合、攪動控制因素：液體在反應器中的容積循環(huán)速率可選擇任何類型的攪拌器非均相液體的混合：分散、懸浮控制因素：液滴的大小及容積循環(huán)速率可選擇渦輪式固體懸浮：懸浮、分散控制因素：容積循環(huán)速率及流動的湍流程度根據(jù)固體顆粒的性質及固含量選擇開啟式：固體顆粒較大，固液比＜30%推進式：固體顆粒較小，固液比＜50%槳式：固體顆粒較小，固液比在60%-90%（三）按工藝過程的操作類別選型氣體吸收及氣-液反應：分散、混合控制因素：局部剪切作用，容積循環(huán)速率及高轉數(shù)可選擇圓盤式渦輪高粘度反應體系：混合、攪動控制因素：容積循環(huán)速率可選擇渦輪式、錨式、框式、螺桿式、螺帶式、特殊型式（三）按工藝過程的操作類別選型第四節(jié)攪拌功率的計算攪拌器所需功率：攪拌器軸功率(P)攪拌軸封所消耗的功率(Pm=10%-15%P)機械傳動所消耗的功率(機械傳動效率η為0.8-0.95)攪拌器電機功率攪拌過程的因次分析功率函數(shù)二、攪拌轉速的確定2.顆粒懸浮類型第六節(jié)攪拌器的混合特性一、混合機理及混合特性均勻度指一種或幾種組分的濃度或其他物理量如溫度等分布的均勻性。（1）分離尺度（separationsize）：反映了團塊的大小。表示組分或熱量這類可分散的“參量”的未分散部分的大小。混合在很大程度上是流體團塊之間的混合，某參量的未分散部分就與流體團塊相對應，表示流體團塊大小的平均值。（或局部小區(qū)域體積平均值）

（一）混合的均勻度（2）分離強度（separationintensity）：反映了兩種物質互相滲透的程度。二相鄰團塊間濃度、溫度等參量的差異，用分離強度表示，它同時也表示團塊中的參量值與完全均勻后的參量平均值之間的差異。（對混合來說，表示局部區(qū)域內的濃度與平均濃度之間的偏差，也反映均勻性）橫坐標表示分離尺度，從左往右，方格愈來愈大，即分離尺度愈來愈大，混合物的均勻性愈來愈差，分離尺度所衡量的是宏觀混合的結果。由下至上相鄰方格中黑點數(shù)目的差異愈來愈大，表示分離強度愈來愈大，混合物的均勻性愈來愈差，分離強度所衡量的是微觀混合的結果。用坐標直觀表示如下：（二）混合機理宏觀流動、微觀流動、分子擴散1.對流混合：質點的遷移。對互不相溶組分的混合，由于混合器運動部件表面對物料的相對運動，分離尺度逐漸降低，但因物料內部不存在分子擴散現(xiàn)象，故分離強度不可能降低。這種混合稱對流混合。對流混合的制品質量應以前述的第三項條件為合格標準。2、分子擴散混合：兩種物質間分子互相滲透。對互溶組分的混合，除對流混合外，尚存在擴散混合。當混合物分離尺度小于某值以后，由于組分間接觸面積的增加及擴散距離的縮短，大大增加了溶解擴散的速率，使混合物的分離強度不斷下降，混合過程就變?yōu)橐詳U散為主的過程，稱為擴散混合。擴散混合的質量應以前述第二項條件為合格標準。在一般的混合過程中，往往有一個由對流混合到擴散混合的逐漸過度過程。分離尺度大時，多為對流混合，分離尺度小時，多為擴散混合。

3、剪切混合：用剪切力拉伸。對高粘度流體的混合，既無明顯的分子擴散現(xiàn)象，又難以造成良好的湍流，以分割組分元素。這種情況下混合的主要機理是剪切，剪切的作用使組分被拉成越來越薄的料層，使一種組分所獨占的區(qū)域尺寸減小。如圖所示，平行板間有二種粘性流體，初始時主成分所離散的黑色小方塊存在。在剪力作用下，小方塊被拉長。如果剪力充分大，料層厚度就變得小于能分清的界限，肉眼只看到一片均勻的顏色。層流流動系統(tǒng)造成混合物的這種特性稱為“輝紋厚度”。

（三）混合特性反