第3章 液體的攪拌

第3章液體攪拌LiquidAgitation2023/2/51西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院3.1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(xué)反應(yīng)、傳熱、傳質(zhì)等過(guò)程的進(jìn)行。攪拌方式

機(jī)械攪拌、氣流攪拌、射流攪拌、靜態(tài)混合、管道混合等。2023/2/52西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院由攪拌槽，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(jī)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。2023/2/53西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院(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

渦輪式2023/2/54西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院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5~15m/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(nèi)壁接近螺帶式2023/2/55西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院通用尺寸及葉片端部速度：d/B=4-10Z=21.5~3m/s槳式通用尺寸及葉片端部速度：B/d=1/12d＇/d=0.05-0.08d＇=25-50mmd＇為攪拌器外緣與釜內(nèi)壁距離0.5-1.5m/s錨式和框式2023/2/56西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院3.1.2混合效果度量

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(lái)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(lái)衡量。對(duì)于物理過(guò)程，可用調(diào)勻度和混和尺寸描述。I——調(diào)勻度或混合百分?jǐn)?shù)。若取n個(gè)樣品，則平均混合百分?jǐn)?shù)為CA<CA0CA>CA0設(shè)容器中有體積分別為VA和VB兩種液體，則A的平均體積濃度為：混合均勻，I=1

2023/2/57西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院混和尺度（分隔尺寸）與調(diào)勻度2023/2/58西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院3.2混合機(jī)理3.2.1攪拌器的功能(1)總體流動(dòng)：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(guò)程。在大液團(tuán)空間內(nèi)進(jìn)行?！蟪叨然旌?2)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?！〕叨然旌峡傮w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)(小尺度混合)；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。多數(shù)混合過(guò)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105~107倍，湍流攪拌中，湍流混合占主導(dǎo)作用。2023/2/59西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院3.2.2均相液體的混合機(jī)理

低粘度液體的混合機(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。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。2023/2/510西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院3.2.3非均相物系的混合機(jī)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(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。液滴的分散、凝聚、再分散過(guò)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。2023/2/511西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院（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(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。2023/2/512西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院（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(lái)(流化)時(shí)的攪拌速度。與葉輪的大小和設(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。2023/2/513西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院1軸流式(Axial-flow)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。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(dòng)范圍廣、轉(zhuǎn)速低、壓頭小，適于高粘度液體的攪拌。3.3攪拌器的性能3.3.1攪拌器的性能2023/2/514西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院2徑流式(Radial-flow)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。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(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：旋轉(zhuǎn)半徑更大(僅略小于反應(yīng)槽的內(nèi)徑)，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(lái)防止器壁產(chǎn)生沉積現(xiàn)象。2023/2/515西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院3.3.2強(qiáng)化傳質(zhì)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(gè)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(yán)重時(shí)出現(xiàn)負(fù)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(nèi)安裝檔板，但過(guò)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。2解決方法：2023/2/516西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院（3）設(shè)置導(dǎo)流筒（drafttube）：引導(dǎo)液體流入和流出攪拌器的園形導(dǎo)筒。可控制液體的流向和速度，減少短路機(jī)會(huì)，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。（2）偏心安裝（off-centerfixing）：對(duì)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(duì)稱性。2023/2/517西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院3.4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

葉輪對(duì)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und2023/2/518西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院攪拌器本質(zhì)上是一個(gè)泵，任何葉輪提供的功率都會(huì)產(chǎn)生泵送流量及壓頭，其功率可表示為：P相同時(shí)，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(guò)程對(duì)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(qiáng)剪切作用。要功率消耗小，攪拌效果好，就應(yīng)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(dòng)。小直徑、高轉(zhuǎn)速的葉輪更多功率消耗于湍動(dòng)。2023/2/519西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院3.4.2功率關(guān)聯(lián)式及功率曲線

由于攪拌槽內(nèi)液體的運(yùn)動(dòng)狀況很復(fù)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(guò)實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)。P

——功率ReM

——攪拌雷諾準(zhǔn)數(shù)，表征液體流動(dòng)類型Fr

——弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)，表征打旋?！皹?biāo)準(zhǔn)”構(gòu)型攪拌裝置2023/2/520西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院——功率函數(shù)式中k為與流動(dòng)型態(tài)、幾何構(gòu)型有關(guān)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對(duì)于幾何相似攪拌器：—功率特征數(shù)2023/2/521西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院將

與Re標(biāo)繪在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上，可得到功率曲線。對(duì)一具體幾何構(gòu)型只有一條功率曲線，與攪拌槽大小無(wú)關(guān)。2023/2/522西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院滯流區(qū)：Re<10湍流區(qū)：Re>104對(duì)于典型的渦輪葉片攪拌器（曲線1）2023/2/523西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院(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(guò)小規(guī)模實(shí)驗(yàn)，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。3.5攪拌器的放大3.5.1攪拌器的設(shè)計(jì)幾何相似：全部相應(yīng)的尺寸有相同比例(幾何構(gòu)形相同)；運(yùn)動(dòng)相似：對(duì)應(yīng)點(diǎn)有相同速度比，且有相同的運(yùn)動(dòng)方向；動(dòng)力相似：對(duì)應(yīng)點(diǎn)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(zhǔn)則

2023/2/524西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院1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(dòng)強(qiáng)度的情況。在充分湍流區(qū)2保持葉端速度不變對(duì)幾何相似系統(tǒng)即保持單位體積