第五章 攪拌聚合釜內(nèi)流體的流動與混合

第五章

攪拌聚合釜內(nèi)流體的流動與混合本章目錄5.1概述5.2攪拌釜內(nèi)流體的流動狀況5.3攪拌器的構(gòu)形與選擇5.4攪拌功率的計算5.5攪拌器的流動特性及轉(zhuǎn)速的確定5.6攪拌器的混合特性5.7攪拌器中的分散過程基本要求:

掌握攪拌聚合釜的設(shè)計類型，攪拌器特點和攪拌功率、轉(zhuǎn)速的設(shè)計計算方法。攪拌功率準(zhǔn)數(shù)（Np）和攪拌雷諾數(shù)（NRe）之間的關(guān)系。重點：

Np和NRe之間關(guān)系，攪拌器特性和計算。攪拌聚合釜約占聚合反應(yīng)器的80%。除聚合釜外，還有許多帶有攪拌裝置的容器——原料配制槽、加料罐、漿料沉析槽和貯槽等。5.1概述機械攪拌是解決混合問題的重要裝置。攪拌兼有混合、攪動、懸浮、分散等多種功能。聚合釜的結(jié)構(gòu)釜體密封裝置減速機攪拌器釜蓋料孔溫度計孔視鏡孔人孔攪拌孔電動機

各種攪拌器的型式對不同的化工生產(chǎn)過程，攪拌反應(yīng)釜應(yīng)具備下述作用：（1）推動液體流動，混勻物料；（2）產(chǎn)生剪切力，分散物料，并使之懸浮；（3）增加流體的湍動，以提高傳熱速率；（4）加速物料的分散與合并，增大物質(zhì)的傳遞速率；（5）對高粘體系，可以更新表面，促使低分子物（如水、單體、溶劑等）蒸出。5.2攪拌釜內(nèi)流體的流動狀況流動狀況（簡稱“流況”）——在整個攪拌容器中流體速度向量的方向。決定釜內(nèi)流體流況的因素：

——攪拌方式；

——攪拌器、釜體及其構(gòu)件的幾何型式、尺寸；

——操作條件；

——處理物料的物性等。5.2.1

循環(huán)流動與剪切流動攪拌釜內(nèi)流況的層次：

宏觀流動——循環(huán)流動

微觀流動——剪切流動宏觀流動是指流體以大尺寸（凝聚流體、氣泡、液滴）在大范圍內(nèi)（整個聚合釜空間）中的流動狀況，所以也稱“循環(huán)流動”。循環(huán)流動存在三種典型流況：徑向流動：軸向流動：切向流動：微觀流動是指流體以小尺寸（小氣泡、更微小的液滴）在小范圍（氣泡、液滴大小的空間）中的湍動狀況。微觀流動是由于攪拌槳的剪切作用而引起的局部混合，也稱“剪切流動”。在攪拌釜內(nèi)進行流動的流體都存在循環(huán)流動與剪切流動，惟二者的比重有所不同。以循環(huán)流動為主的槳葉稱為循環(huán)型槳葉；以剪切流動為主的槳葉稱為剪切型槳葉；推進式平槳三斜窄葉渦輪式不僅決定攪拌釜內(nèi)流體流動的流態(tài)，而且對攪拌器的特性和行為也有決定性作用。5.2.2

攪拌雷諾數(shù)與流態(tài)攪拌雷諾數(shù)是判定攪拌釜內(nèi)流動形式的無因次準(zhǔn)數(shù)。定義為：（5-1）式中：D——槳葉直徑；N——攪拌器轉(zhuǎn)速；

——流體密度；

——流體黏度。D區(qū)間湍流C區(qū)間過渡流B區(qū)間層流攪拌釜內(nèi)液流流態(tài)與特性曲線依據(jù)雷諾數(shù)不同，釜內(nèi)流體流動有不同流態(tài)：A區(qū)間滯流對攪拌釜內(nèi)的特性行為（準(zhǔn)數(shù)）的影響在層流和過度流區(qū)有決定性作用，在湍流區(qū)則影響不大。攪拌雷諾數(shù)與攪拌特性行為準(zhǔn)數(shù)的關(guān)系：動力特性：功率準(zhǔn)數(shù)重力特性：弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)傳熱特性：努塞爾準(zhǔn)數(shù)混合特性：混合時間數(shù)循環(huán)特性：排出流量數(shù)（5-2）（5-3）（5-4）5.2.3

擋板與導(dǎo)流筒使用擋板的目的：消除漩渦二是增大被攪拌流體的湍動程度，改善攪拌效果。一是將切線流動轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向流動或徑向流動。導(dǎo)流筒的主要作用：提高釜內(nèi)流體的攪拌程度；造成一定的循環(huán)流動，提高混合效果。擋板的主要作用：使用導(dǎo)流筒的目的：控制回流是速度和方向5.3攪拌器的構(gòu)形及選擇（1）攪拌器的構(gòu)形按攪拌任務(wù)：混合或乳化、懸浮、分散、傳熱等。攪拌器的分類：按槳葉形狀：槳式、推進式、渦輪式、螺桿和螺帶式等；按物料流況：循環(huán)流動、剪切流動；槳式攪拌器錨式斜槳平槳框式平槳和斜槳攪拌器結(jié)構(gòu)簡單，剪切力較強，斜槳還有較強的向上或向下垂直液流。框式和錨式攪拌器攪拌轉(zhuǎn)速低，攪動范圍大，不易產(chǎn)生死區(qū)，刮壁作用利于傳熱，剪切作用小，適用高粘度流體。設(shè)計參數(shù)：轉(zhuǎn)速：20～200rpm槳徑/釜徑：0.5～0.7葉端速度：1.5～2m/s粘度范圍：0.1～102Pa.s槳徑/釜徑：0.95粘度范圍：102~103Pa.s設(shè)計參數(shù)：推進式攪拌器三葉右旋推進式設(shè)計參數(shù)：

D/T:0.1~0.33

槳徑<0.4m,

葉端速度：5～15m/s特點：結(jié)構(gòu)簡單，剪切作用小，循環(huán)性能好，屬于循環(huán)型攪拌器，適用于低粘度，液量大的液體攪拌。渦輪式攪拌器平直葉對開圓盤渦輪式彎葉圓盤渦輪式螺距葉圓盤內(nèi)渦輪式主要類型：特點：物料被抽吸后，在離心力作用下，液體作切向和徑向流動，甩出攪拌器的液體和壁面碰撞后形成上下兩路的循環(huán)流動，并回流入攪拌器。渦輪式攪拌器有較大的剪切力，可使液體微團分散得很細(xì)，適用于低黏到中黏液體的混合、液—液分散、液—固懸浮及促進良好的傳熱、傳質(zhì)或化學(xué)反應(yīng)。設(shè)計參數(shù)：葉徑/葉寬：5～8；葉徑/釜徑：0.5～0.7；葉片數(shù)：4～8。螺桿及螺帶式攪拌器主要類型：螺帶式螺帶螺桿式螺桿式帶導(dǎo)流筒螺桿特點：適用于高黏度流體（10～103Pa.s）。

外螺帶可與釜內(nèi)壁很好地吻合，起刮壁作用，有利于夾套傳熱；另外螺帶、螺桿對縮聚反應(yīng)而言可不斷地帶出小分子。設(shè)計參數(shù)：槳徑D/螺距S＝1螺帶葉寬B/釜徑T＝0.1槳徑D/釜徑T＝0.95（2）攪拌器的選用攪拌過程涉及流體的流動、傳熱和傳質(zhì)，問題比較復(fù)雜。目前主要依靠實踐和經(jīng)驗總結(jié)。

(1)保證物料的混合；

(2)消耗最少的功率；

(3)所需費用最低；

(4)操作方便，易于制造和維修。攪拌器選用的一般原則：選擇攪拌器的重要因素：

物料粘度和釜體容積；由于非均相體系混合主要控制因素是液滴的大小和分散度，因此攪拌器控制的重要對象是其循環(huán)量和剪切量的合理調(diào)配。攪拌器選型指南5.4攪拌功率的計算攪拌功率由三方面組成：(1)攪拌器所消耗的能量，即攪拌器推動液體流動所需的能量，

簡稱攪拌器軸功率；(2)攪拌軸封所消耗的能量，一般為軸功率的10～15％；(3)機械傳動所消耗的能量，機械傳動效率一般為0.8～0.95。計算攪拌功率的目的：(1)攪拌功率是衡量攪拌強度的主要物理量；(2)攪拌功率是攪拌器機械設(shè)計的基本數(shù)據(jù)；(3)根據(jù)攪拌功率可選用攪拌電機。攪拌器轉(zhuǎn)速N、攪拌器槳葉直徑D、液體密度、液體粘度和重力加速度g。與攪拌軸功率P相關(guān)的幾個變量是：5.4.1攪拌過程的因次分析釜內(nèi)流體的無因次壓力——功率準(zhǔn)數(shù)（NP）當(dāng)幾何構(gòu)形一定時，若以功率函數(shù)表示，則式（5-9）可簡化為：功率準(zhǔn)數(shù)代表了聚合釜的動力特性，由聚合釜內(nèi)流體流動形式和流體重力因素決定，因此，功率準(zhǔn)數(shù)可以表示成雷諾數(shù)和弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)的函數(shù)：（5-9）不計重力時：用無因次數(shù)群表示：即功率函數(shù)是攪拌雷諾數(shù)的函數(shù)。5.4.2均相流體攪拌功率的計算聚合釜只要幾何相似，無論大小，只有一條功率曲線。攪拌釜功率曲線功率曲線（雙對數(shù)座標(biāo)）——根據(jù)雷諾數(shù)不同，功率曲線可分為三個區(qū)域：(1)層流區(qū)（AB段，NRe＝1～10）此時釜內(nèi)粘性力占優(yōu)勢，重力影響可忽略。(2)過渡區(qū)（BC段，NRe＝10～103）

各種尺寸或各種槳形的BC段是不一樣的。(3)湍流區(qū)（CD段，NRe>103）功率曲線為一水平線，代表重力NFr和粘性力NRe不即：（5-11）影響NP，NP是一個常數(shù)。所以：（5-10）常用的功率曲線——Rushton的φ～NRe線圖利用功率曲線計算攪拌功率時，應(yīng)注意各曲線的適用范圍。例：在一直徑為1.2m，液深為1.2m，內(nèi)裝有4塊擋板（BW/T=0.10）的反應(yīng)釜內(nèi)，反應(yīng)液的密度為1300kg/m3，黏度為13×10-3Pa·s，今用一三葉推進式攪拌器（D=0.4m，S/D=1）以300轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速進行攪拌，計算（1）攪拌軸功率消耗；（2）若改用同樣直徑的六葉平直圓盤渦輪，轉(zhuǎn)速不變，攪拌功率是多少？（3）若釜內(nèi)不設(shè)擋板，仍采用六葉平直圓盤渦輪，其攪拌功率是多少？解：（1）計算攪拌雷諾數(shù)由圖5-13曲線2查得φ=0.32，因有擋板，NRe>103，（2）由圖5-13曲線6查得φ=6.3，(3)無擋板，NRe>300，有漩渦，查表5-2得代入（5-12）計算指數(shù)q，由圖5-13曲線5查得φ=1.2，5.4.4非牛頓流體的攪拌非牛頓流體的表觀黏度隨剪切速率而變，而攪拌釜內(nèi)的剪切速率又隨槳葉和釜的幾何形狀及攪拌轉(zhuǎn)速等參數(shù)而變化。釜內(nèi)各點的剪切速率往往不同，這樣就難于確定釜內(nèi)流體的黏度和計算攪拌功率。Metzner表觀黏度法：設(shè)想用非牛頓流體的表觀黏度代替牛頓流體的黏度來計算攪拌雷諾數(shù)。這樣，非牛頓流體的攪拌功率便可采用牛頓流體的關(guān)聯(lián)式和線圖進行計算。Metzner等人發(fā)現(xiàn)，采用表現(xiàn)粘度后非牛頓流體與牛頓流體的NP～NRe功率曲線在層流域和充分發(fā)展了的湍流域幾乎重合；在過渡流域（NRe：20～200）則低于牛頓流體。非牛頓流體的表現(xiàn)粘度隨剪切速率而變，因此，非牛頓流體的攪拌功率計算的關(guān)鍵是剪切速率的確定。式中，為流體的稠度系數(shù)，n為流體的流動行為指數(shù)，相應(yīng)的表觀雷諾數(shù)可表示為：為了能方便地計算攪拌釜內(nèi)流體的表觀黏度，假定在釜內(nèi)有一個平均剪切速率，它與攪拌轉(zhuǎn)速成比例，可寫作：（5-32）（5-33）（5-34）式中kS為Metzner常數(shù)，可由實驗確定。利用（5-32）可將冪律流體的表觀黏度表示為：式中稱為排出流量數(shù)或泵送準(zhǔn)數(shù)，它包含了流體的流速和攪拌器的泵送能力，反映了攪拌的劇烈程度。排出流量（泵送能力）可按液體離開槳葉的平均速率和槳葉掃過的面積的乘積來計算，即：5.5攪拌器的流動特性及轉(zhuǎn)速的確定5.5.1攪拌器的循環(huán)特性在攪拌器作用下，流體在釜內(nèi)按一定的流況作循環(huán)流動，攪拌器的流動特性也稱循環(huán)特性，是影響攪拌效果的重要因素。（5-38）攪拌器的循環(huán)特性可由單位時間內(nèi)從攪拌槳葉的排出流量來衡量。由槳葉藉離心力作用吐出的排出流

，同時吸引了周圍液體一起流動，稱為同伴流，兩者匯集成使液體起循環(huán)作用的循環(huán)流，如下圖所示。層流時：湍流時：釜內(nèi)流體循環(huán)流（5-39）與Nqd相類似，可用循環(huán)流量數(shù)Nqc來表征攪拌槳葉的循環(huán)特性（5-40）在湍流區(qū)，它們的關(guān)系為影響Nqd及Nqc的主要因素是雷諾數(shù)和槳葉特性?？蓞⒁姽剑?-42）、（5-43）和（5-44）。（5-41）若用循環(huán)次數(shù)Nc或循環(huán)時間tc來表征攪拌器的循環(huán)特性更為直觀式中，V為攪拌釜內(nèi)流體的體積。攪拌程度：普通攪拌：強烈攪拌：流動程度：剪切型槳葉：循環(huán)型槳葉：（5-47）（5-46）從達(dá)到攪拌效果來分，可將攪拌操作分成混合攪動型和懸浮型兩大類。攪拌轉(zhuǎn)速的確定，取決于對攪拌的要求。攪拌器設(shè)計的最優(yōu)化，除了滿足工藝過程要求外，主要是考慮經(jīng)濟問題。5.5.2攪拌轉(zhuǎn)速的確定（1）混合和攪動型攪拌轉(zhuǎn)速的確定法不同攪拌級別和攪拌效果攪拌級別總體流速M/min攪拌效果121.83.71～2級攪拌適用于混合密度及粘度差很小的液體。2級（混合均勻）：△ρ<0.1，△η<100倍；34565.57.39.211.03至6級攪拌是多數(shù)間歇反應(yīng)所需要的攪拌程度。6級（混合均勻）：△ρ<0.6，△η<10000倍；7891012.814.616.518.37級至10級攪拌為要求甚高的聚合釜所需要的攪拌級別。10級（混合均勻）：△ρ<1.0，△η<100000倍；按習(xí)慣，攪拌強度分為10個等級，如表所示：（1）根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)確定攪拌釜容積和釜徑T；（2）選定漿葉直徑與釜徑比值D/T，初步求出槳葉直徑D；（3）根據(jù)所需攪拌程度確定攪拌等級和總體流速；（4）計算攪拌槳葉的排出流量；；（5）運用關(guān)系圖，求算攪拌槳葉轉(zhuǎn)速N；（6）對攪拌槳葉直徑進行黏度校正；（7）計算攪拌槳葉的軸功率消耗。設(shè)計混合及攪動類型攪拌裝置的步驟：解：各批物料的密度差別小，黏度無明顯變化，對均勻程度沒有提出特別要求，存放時間又長，攪拌強度可選一級。由表5-6查得，總體流速，則排出流量為例：一個容積為40m3貯槽，容納幾臺分批反應(yīng)器的產(chǎn)物，產(chǎn)物密度為1.05，最大波動為0.05.黏度為0.49Pa·s。各批產(chǎn)品間黏度無明顯變化，產(chǎn)品在貯槽中至少存放兩天。槽徑3.5m，直邊高3.65m，碟形底。試設(shè)計攪拌裝置。若選用六葉渦輪槳葉，取D/T=0.25，則利用圖5-17計算攪拌轉(zhuǎn)速，假設(shè)為湍流操作，由D/T=0.25時查得從而此時的雷諾數(shù)為：由圖5-17讀出，約為0.71，重新計算轉(zhuǎn)速：由此得雷諾數(shù)：由圖5-17讀出，此時的約為0.73，重新計算轉(zhuǎn)速：計算雷諾數(shù)：再由圖5-17讀出，約為0.73，與上一個值接近，故轉(zhuǎn)速可確定為35.3r/min。（2）顆粒懸浮型攪拌轉(zhuǎn)速的確定法顆粒懸浮類型攪拌器轉(zhuǎn)速的確定和顆粒或液滴的沉降速度有關(guān)。攪拌級別和攪拌效果(顆粒懸浮)攪拌級別攪拌效果1～21～2級攪拌只適用于顆粒懸浮要求最低的情況3～53～5級攪拌適用于多數(shù)化工過程對顆粒懸浮的要求，固體溶解是一個典型例子6～86～8級攪拌使顆粒懸浮的程度接近均勻9～109～10級攪拌可以使顆粒懸浮達(dá)到最均勻的程度顆粒懸浮型攪拌裝置的設(shè)計計算步驟：（8）計算攪拌軸功率消耗。（5）根據(jù)表5-7選定攪拌等級；（1）先假設(shè)顆粒雷諾數(shù)值處于層流或湍流域，分別計算密度差或；（6）計算攪拌槳葉轉(zhuǎn)速；（3）校正以求出設(shè)計沉降速率；（2）根據(jù)顆粒直徑dp及密度差由圖5-19查取極限沉降速度；（4）確定槳葉直徑與釜徑之比D/T；（7）校正顆粒雷諾數(shù)；5.6攪拌器的混合特性5.6.1混合機理及混合特性在攪拌釜中，通過槳葉的旋轉(zhuǎn)把機械能傳遞給釜內(nèi)物料，造成液體強制對流，混合過程正是在強制對流作用下的強制擴散過程。攪拌釜內(nèi)流體的混合均勻速率或混合時間是衡量攪拌效果的又一重要參數(shù)，混合特性是攪拌器的基本特性之一。強制擴散主體對流擴散——渦流擴散——循環(huán)流動、宏觀流動剪切流動、微觀流動主體對流擴散和渦流擴散最小的“微團（幾十微米）”（渦旋）也比分子大得多，因此，要使被攪拌物料的全部分子呈完全均勻的分布狀態(tài)還要依靠分子擴散。釜內(nèi)物料的混合過程主體對流擴散渦流擴散分子擴散——低黏度湍流高黏度滯流—高聚物熔融體大多數(shù)混合過程，這三種機理同時存在。5.6.2混合時間的計算混合時間是評定攪拌器的混合能力的參數(shù)，其定義是經(jīng)過攪拌使被物料達(dá)到規(guī)定均勻程度所需的時間，記作。在全面評價攪拌器的混合性能時，除了要知道攪拌器的混合速率外，還必須知道攪拌器的能耗及剪切性能等，所以常用下面四個無因次數(shù)進行綜合評價。（1）無因次混合時間數(shù)C1它的意義是達(dá)到規(guī)定混合程度時攪拌器所需回轉(zhuǎn)總數(shù)C1越小，說明混合效率越大。在湍流域時，渦輪式、槳式、推進式攪拌器的C1為常數(shù)；在層流域時，D/T接近1的螺帶式以及螺桿導(dǎo)流簡攪拌器C1是常數(shù)；在過渡流域所有攪拌器的C1值隨雷諾數(shù)的增大而降低。（5-51）（4）無因次混合效率數(shù)C4釜內(nèi)流體的代表性剪切速率與單位體積功率有關(guān)，C2的意義是達(dá)到規(guī)定混合程度時，流體所受的剪切量，（2）無因次數(shù)C2（3）無因次數(shù)C3是單位體積混合能。

C4表示在一定流體黏度和混合時間下，攪拌器所需的單位體積混合能。（5-52）（5-53）（5-54）C3為攪拌器回轉(zhuǎn)一次，流體所受的剪切量許多研究者研究了多種攪拌器的混合特性，得到了許多關(guān)聯(lián)式用之可以估算混合時間。Norwood研究了低黏度液體在有擋板的攪拌釜中渦輪槳的混合時間數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系。的關(guān)系（5-55）式中，H為液深，（m）；。5.7攪拌釜中的分散過程攪拌釜中分散相（單體）不是獨立地存在