第 3 章液体的搅拌

第 3 章液体的搅拌 3.1 概述 3.2 混合机理 3.3 搅拌器的性能 3.4 搅拌功率 3.5 搅拌器的放大 3.6 其他混合设备

3.1 概述 • 搅拌的目的 • （1）加快互溶液体的混合； • （2）使液体以液滴形式分散于另一种不互溶液体中； • （3）使气体以气泡形式分散于液体中； • （4）使固体颗粒在液体中悬浮； • （5）加强冷热液体间的混合以强化液体与器壁的传热。 • 一种搅拌器在实际操作时具有不同作用，例如，气液相催化反应器。 • 机械搅拌器：工业上为了达到搅拌目的。

3.1 概述 • 3.1.1 搅拌器的类型 • 3.1.2 混合效果的度量 • 调匀度 • 分隔尺度 • 宏观混合与微观混合

3.1.1 搅拌器的类型 3.1 概述 • 常见的搅拌器结构。 • 工作原理分两大类型：旋桨式和涡轮式。 • 旋桨式的工作原理与轴流泵叶轮相同，流量大压头低，液体作轴向和切向运动； • 涡轮式的工作原理与离心泵叶轮相似，流量小压头高，液体作径向和切向运动；大部分为旋桨式，主要有：平直叶和折叶桨式搅拌器，2个叶片；锚式和框式搅拌器搅拌器，螺带式搅拌器。其它有气流、静态混合、射流混合、管道混合。

3.1.2 混合效果的度量 3.1 概述 • 搅拌操作以物料混合为目的，搅拌效果的评价准则为调匀度（均相）和分隔尺度（非均相）。 • 调匀度（均相物系） • A、B混合的浓度cA0 • 某时刻取样的浓度为cA，调匀度I表示两者的偏差程度传热、传质、反应的评价准则？ I <1 平均调匀度表示m个样品的混合程度

3.1.2 混合效果的度量 3.1 概述 • 分隔尺度 • 以液滴或气泡形式分散于另一种不互溶的液体中。调匀度不能反映混合状态，与取样的大小有关。取样体积大均匀，体积小可能不均匀。 • 分隔尺度：气泡、液滴和固体颗粒的大小，直径分布。 • 宏观混合与微观混合 • 混合效果的度量与考察尺度有关-混合尺度：设备尺寸、微团、最小旋涡尺度、分子尺度-分子扩散。

3.2 混合机理 • 3.2.1 搅拌器的两功能 • 釜内的总体流动与大尺度的混合 • 强剪切或高度湍动与小尺度的混合 • 3.2.2 均相液体的混合机理 • 低粘度液体的混合 • 高粘度及非牛顿流体的混合 • 3.2.2 非均相物系的混合机理 • 液滴或气泡的分散 • 固体颗粒的分散

3.2.1 搅拌器的两功能 3.2 混合机理 • 釜内的总体流动与大尺度的混合 • 搅拌器的旋转带动流体作切向圆周运动，同时作轴向或径向的流动，这是大尺度的混合。 • 旋桨式：产生轴向流动-液体往下推动-射出。 • 涡轮式：产生径向流动-液体离心力抛出-射出。

3.2.1 搅拌器的两功能 3.2 混合机理 • 强剪切或高度湍动与小尺度的混合 • 低粘度流体，高速射流核心与周围流体因速度梯度形成强剪切，对低粘度液体产生大量旋涡，旋涡分裂使微元分散、尺度减小。 • 高粘度流体，层流流动，搅拌桨推动液体与周围运动缓慢的流体形成强剪切，强剪切使微元分散、尺度减小。 • 微元分散形成较小的尺度，达到小尺度的混合。

3.2.2 均相液体的混合机理 3.2 混合机理 • 低粘度液体的混合 • 总体流动将液体破碎成较大液团带至设备各处，小尺度的混合是高度湍动液流的旋涡造成，不是桨叶直接打击的结果。 • 不同尺度和不同强度的旋涡对液团有不同程度的破碎作用，旋涡尺度小，破碎作用大，微元小。 • 旋涡尺度和强度与流体总体流动湍动有关。流体总体流动湍动越高，旋涡尺度小，数量越多，搅拌越好。

3.2.2 均相液体的混合机理 3.2 混合机理 • 高粘度及非牛顿流体的混合 • 高粘度流体为层流操作，混合机理主要是总体流动。同时桨叶端部的高剪切分割液团，达至宏观的混合。 • 桨叶的结构，低转速，大直径搅拌器。 • 非牛顿流体的混合 • 剪切稀化，即高速度梯度使流体粘度减小，易于流动，促使流体混合。选择低转速，大直径搅拌器。

3.2.2 非均相物系的混合机理 3.2 混合机理 • 液滴或气泡的分散 • 分散相和连续相-破碎液体或气体为分散相。 • 液滴或气泡的分散依靠高度湍动。 • 界面张力使液滴团聚（表面积最小），抵抗液滴变形或破碎。如果克服界面张力，液滴将变形。 • 总体流动高度湍动，存在着方向迅速变换的湍流脉动，液滴产生相对速度很大的绕动。绕动结果，沿液滴表面产生不均匀的压强分布和表面剪应力，将液滴压扁并扯碎。湍动程度越大，液滴尺度越小。

液滴或气泡的分散 3.2.2 非均相物系的混合机理 • 实际搅拌过程：大液滴的破碎和小液滴的合并，导致液滴的不均匀分布，实际液滴尺寸分布取决于破碎和合并的抗衡。 • 流体湍动程度不均也是造成液滴尺寸分布不均的重要因素。叶片不同区域液滴尺寸不同。 • 使液滴尺寸分布均匀的方法： • 1. 设备内湍动程度分布均匀； • 2. 液体中加入表面活性剂或保护胶，使液体不易合并。 • 气体的分散：分散比液体困难，一般2～5 mm。

3.2.2 非均相物系的混合机理 3.2 混合机理 • 固体颗粒的分散 • 细颗粒的分散 • 固体表面发生润湿过程，液体取代气体进入颗粒间的间隙，颗粒团聚被流体动力所打散。搅拌不改变颗粒的大小，达到小尺度的宏观混合。 • 粗颗粒的分散 • 搅拌慢，颗粒沉于釜底，降低固液接触面。 • 悬浮临界转速：全部颗粒离开釜底悬浮起来的转速。实际操作搅拌转速大于临界转速，保证两相有充分接触界面。

3.3 搅拌器的性能 • 3.3.1 几种常见搅拌器的性能 • 桨式搅拌器 • 涡轮搅拌器 • 大叶片低转速搅拌器 • 3.3.2 强化湍动的措施 • 提高搅拌转速 • 阻止容器内液体的圆周运动 • 导流筒

3.3.1 几种常见搅拌器的性能 3.3 搅拌器的性能 • 旋桨式搅拌器 • 直径小，转速大，叶片端部的圆周速度为5～15m/s，适用低粘度流体的搅拌。 • 旋桨产生轴向流动，液体流向釜底，折回返入旋桨入口。 • 适用大尺寸的调匀， • 固体的悬浮，形成大 • 循环量的总体流动。

几种常见搅拌器的性能 3.3 搅拌器的性能 • 涡轮搅拌器 • 工作原理与双吸式叶轮相似，直径小，转速大，端部切线速度为3～8m/s，适用低粘度和中等粘度流体的搅拌。 • 涡轮搅拌器产生出口速度大，产生激烈的旋涡运动和很大的剪切力，使液体微团较细分散。 • 适用小尺寸均匀混合，不适用易分层的物料和重固体物料的混合。

几种常见搅拌器的性能 锚式 3.3 搅拌器的性能 • 大叶片低转速搅拌器 • 旋桨式搅拌器和涡轮搅拌器不适用高粘度流体，原因是转速大，阻力损失大，湍动程度随距离迅速下降。 • 桨式搅拌器:转速小桨式大（0.5～0.8D），可用于较高粘度液体的搅拌，液位高，在轴上安装数个桨式搅拌器。 • 锚式和框式搅拌器：直径略小于容器，转速很小，在桨叶外延和容器内壁间产生较大的剪切作用，适用粘度很高的液体搅拌；但不产生轴向流动，混合不均。框式桨式涡轮

3.3.2 强化湍动的措施 3.3 搅拌器的性能湍动强化-搅拌器产生的压头大，阻力损失大。 • 提高搅拌转速 • 搅拌转速提高，搅拌器产生的压头大，因为压头H与转速n2成正比。 • 阻止容器内液体的圆周运动 • 旋桨式搅拌器和涡轮搅拌器产生快速圆周运动，使轴心处液体下凹，降低容器的有效容积，严重使空气吸入，破坏正常操作。 • （1）搅拌器内装挡板 • 阻止液体圆周运动，挡板后产生旋涡，提高混合效果，轴心处液体下凹基本消失，对轴向径向流动不影响。 • （2）破坏回路的对称性 • 搅拌器偏心或倾斜安装，破坏循环回路的对称性，增加旋转运动的阻力，增加湍动，提高混合效果，消除液面下凹现象。

3.3.2 强化湍动的措施 • 导流筒 • 严格控制液体流动方向，消除短路和死区。同时抑制圆周运动，增加湍动程度、提高混合效果。 • 旋桨式搅拌器安装在外面。 • 涡轮搅拌器安装在上方。 • 特别是易悬浮的固体混合是非常有效的。

3.4 搅拌功率 • 3.4.1 搅拌器的混合效果与功率消耗 • 3.4.2 功率曲线 • 3.4.3 搅拌器功率的分配

3.4.1 搅拌器的混合效果与功率消耗 3.4 搅拌功率 • 搅拌器的功率与泵相同，功率为 • P=ρgHqV • 为了达到一定的混合效果，有足够大的流量和压头，即搅拌器的功率足够大。 • 低粘度液体：与泵设计不同，不是提高效率，而是提高功率的消耗，因此搅拌器的单位体积能耗是判断搅拌效率的标准。 • 搅拌器能耗的利用：能耗用于液体输送和液体湍动，搅拌器的选择非常重要。 • 快速均匀-提高输送量；液体湍动，提高液体的破碎度。

3.4.2 功率曲线 3.4 搅拌功率 • 过程复杂，通过经验关联。 • 影响因素：D、液体高度h、搅拌器离底部高度h1、挡板数和宽度b 、叶片形状长度l和宽度B、液体的性质、转速，通过无因次关联。 • P=f（ρ,μ,n,d,α1,α2,α3） • α1= D/d,α2=h/d,α3=l/d，均为常数 K-功率特征数，搅拌雷诺数ReM

3.4.2 功率曲线 3.4 搅拌功率 • 上式简化 • P=Kρn3d5 K=φ(ReM) • 将功率准数K与雷诺准数绘在双对数坐标图上即为功率曲。或 • lgK=lgC+m lgReM • 在层流时(ReM <10)，m=－1， P=Cμn2d3 • 高度湍流 (ReM >104)，P与ReM无关。 P=Kρn3d5 K为常数 • 对于气液体混合需要修正 • 启动功率较大，对于小型搅拌器影响很大。

3.4.3 搅拌器功率的分配 3.4 搅拌功率 • 搅拌目的：大尺度混合，流量大，压头低；快速分散，流量小，压头大；不同的搅拌目的，有不同的选择。 • 流量取决于面积与速度的积 • qV ∝ nd·d2 • 压头与速度平方成正比 • H ∝ (nd)2 • H与qV的关系为 • 在高度湍流，功率P指定，n3d5为一定，则即等功率下，提高直径降低转速有利于大尺度的调匀，减小直径提高转速有利于微观混合，湍动程度提高。

3.5 搅拌器的放大 • 搅拌器的设计： • （1）搅拌器的类型和搅拌釜的形状，满足工艺过程的混合要求； • （2）确定搅拌器的尺寸、功率和转速。 • 搅拌器的类型和搅拌釜的形状通过实验确定。 • 方法：通过在不同的小型搅拌装置，加入与生产相同物料，改变转速进行实验，从中确定满足混合效果的搅拌器类型。然后进行放大，按一定放大准则确定尺寸、转速和功率。

放大准则（物料相同） 3.5 搅拌器的放大 • （1）搅拌雷诺数（ρnd2/μ）不变 • （2）单位体积能耗（P/V0）不变 • （3）叶片端部切向速度πnd不变 • n1d1 = n2d2 • （4）流量与压头之比（qV/H）不变具体哪个放大好，通过实验放大确定

逐级放大实验 3.5 搅拌器的放大 • 逐级放大试验步骤：在三个几何相似大小不同的小型或中型试验装置中，改变搅拌转速进行试验，获得混合效果，判断上面四个放大准则中最为理想的，确定大型搅拌器的尺寸和转速。 • 如果四个放大准则都不适用，进一步探索放大规律，再进行放大。 • 大型搅拌器的功率可通过小型试验装置的功率曲线确定。

3.6 其它混合设备 • 静态混合器 • 用于各种物系的混合、分散、传质、传热、化学反应、pH值控制和粉体混合。特点是没有运动部件，维修方便，操作连续，费用低。 • 管道混合器 • 管路机械搅拌装置，在搅拌腔内有一级或二级叶轮，用于低粘度液体搅拌，同时在腔内设有挡板或多孔板，防止液体旋转。 • 射流混合 • 射流由喷嘴射出，造成很大有速率梯度形成旋涡。旋涡导致射流对周围流体的夹带，引起流体的总体流动，当喷嘴安装位置不同，产生不同的总体流动。

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