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亚游娱乐实验室搅拌器

发布时间:2020-04-29 12:39

  武汉轻工大学 科研论文 论文题目 实验室搅拌器概述与原理 姓名 汪涛 学号 110309109 院 (系) 机械工程学院 专 业 过程装备与控制工程 指导教师 万志华 2014 年 12 月 25 日 摘要 介绍了实验室用搅拌器--机械搅拌器和磁力搅拌器,对它们的 组成和工作原理进行讲解,对比不同的搅拌器分析它们的的特点,简 述各种搅拌器使用场合及使用注意事项。各种机械搅拌器的工作原理 类似,根据它们的搅拌棒的不同,分为不同类型的搅拌器,应用的介 质也不相同。磁力搅拌器利用了磁场和漩涡的原理进行工作,稳定方 便,较为先进,需了解其使用方法及注意事项。因而,该研究对于提 高人们对实验室搅拌器的认知具有重要意义。 关键词 机械搅拌器 磁力搅拌器 搅拌棒 引言 搅拌操作是化工反应过程的重要环节,其原理涉及流体力学、传热、传质及 化学反应等多种过程,搅拌过程就是在流动场中进行动量传递或是包括动量、热 量、质量传递及化学反应的过程。搅拌器有两大功能:(1)使液体产生强大的总 体流动,以保证装置内不存在静止区,达到宏观均匀;(2)产生强大的湍动,使 液体微团尺寸减小。搅拌器选用得当,液团分割就越细小,使得混合的组分之间 接触面不断增大,分子扩散速率增加,也即混合效果越好。在工程设计中,常用 的搅拌器有推进式、涡轮式、框式以及螺带式等。众所周知,每一种搅拌器都不 是万能的,只有在特定的应用范围内才是高效的。 搅拌器也是有机化学实验必不可少的仪器之一,它可使反应混合物混合得更 加均匀,反应体系的温度更加均匀,从而有利于化学反应的进行特别是非均相反 应。目前,在实验室中使用的搅拌器主要是两种:机械搅拌器与磁力搅拌器。 1·机械搅拌器 1·1 概述 械搅拌器主要包括三部分:电动机、搅拌棒和搅拌密封装置。电动机是动力 部分,固定在支架上,由调速器调节其转动快慢。搅拌棒与电动机相连,当接通 电源后,电动机就带动搅拌棒转动而进行搅拌,搅拌密封装置是搅拌棒与反应器 连接的装置,它可以使反应在密封体系中进行。搅拌的效率在很大程度上取决于 搅拌棒的结构,。根据反应器的大小、形状、瓶口的大小及反应条件的要求,选 择较为合适的搅拌棒。 1·2 种类 不同介质黏度的搅拌 粘度系指流体对流动的阻抗能力,其定义为:液体以 1cm/s 的速度流动时,在每 1cm2 平面上所需剪应力的大小,称为动力粘度,以 Pa·s 为单位。 粘度是流体的一种属性。流体在管路中流动时,有层流、过渡 流、湍流三种状态,搅拌设备中同样也存在这三种流动状态,而决定这些状态的 主要参数之一就是流体的粘度。 在搅拌过程中,一般认为粘度小于 5Pa·s 的为 低粘度流体,例如:水、蓖麻油、饴糖、果酱、蜂蜜、润滑油重油、低粘乳液等; 5-50Pa·s 的为中粘度流体,例如:油墨、牙膏等;50-500Pa·s 的为高粘度流 体,例如口香糖、增塑溶胶、固体燃料等;大于 500Pa·s 的为特高粘流体例如: 橡胶混合物、塑料熔体、有机硅等。 对于低粘度介质,用小直径的高转速的搅 拌器就能带动周围的流体循环,并至远处。而高粘度介质的流体则不然,需直接 用搅拌器来推动。 适用于低粘和中粘流体的叶轮有桨式、开启涡轮式、推进式、 长薄叶螺旋桨式、圆盘涡轮式、布鲁马金式、板框桨式、三叶后弯式、MIG 式等。 适用于高粘和特高粘流体的叶轮有螺带式叶轮、螺杆式、锚式、框式、螺旋桨式 等。有的流体粘度随反应进行而变化,就需要用能适合宽粘度领域的叶轮,如泛 能式叶轮等。主要有下列几种: ① 旋桨式搅拌器 由 2~3 片推进式螺旋桨叶构成,工作转速较高,叶片外缘的圆周速度一般为 5~15m/s。旋桨式搅拌器主要造成轴向液流,产生较大的循环量,适用于搅拌低 粘度 (2Pa·s)液体、乳浊液及固体微粒含量低于 10%的悬浮液。搅拌器的转轴 也可水平或斜向插入槽内,此时液流的循环回路不对称,可增加湍动,防止液面 凹陷。 缺点:不能用于以保持气体和以细微化为目的的气—液分散操作中。 ② 涡轮式搅拌器 由在水平圆盘上安装 2~4 片平直的或弯曲的叶片所构成。桨叶的外径、宽 度与高度的比例,一般为 20:5:4,圆周速度一般为 3~8m/s。涡轮在旋转时造 成高度湍动的径向流动,适用于气体及不互溶液体的分散和液液相反应过程。被 搅拌液体的粘度一般不超过 25Pa·s。 ③ 桨式搅拌器 有平桨式和斜桨式两种。平桨式搅拌器由两片平直桨叶构成。桨叶直径与高 度之比为 4~10,圆周速度为 1.5~3m/s,所产生的径向液流速度较小。斜桨式 搅拌器的两叶相反折转 45°或 60°,因而产生轴向液流。桨式搅拌器结构简单,亚游娱乐 常用于低粘度液体的混合以及固体微粒的溶解和悬浮。 ④ 锚式搅拌器 桨叶外缘形状与搅拌槽内壁要一致,其间仅有很小间隙,可清除附在槽壁上 的粘性反应产物或堆积于槽底的固体物,保持较好的传热效果。桨叶外缘的圆周 速度为 0.5~1.5m/s,可用于搅拌粘度高达 200Pa·s 的牛顿型流体和拟塑性流体 唯搅拌高粘度液体时,液层中有较大的停滞区。 ⑤ 螺带式搅拌器 螺带的外径与螺距相等,专门用于搅拌高粘度液体(200~500Pa·s)及拟塑性 流体,通常在层流状态下操作。 IKA?机械搅拌器分为 RW 20 数显型顶置式机械搅拌器,RW 28 基本型强力机械式 搅拌器和 RW 47D 强劲的机械搅拌器。 搅拌功率 搅拌器向液体输出的功率 P,按下式计算: P=Kd5N3ρ 式中 K 为功率准数,它是搅拌雷诺数 Rej(Rej=d2Nρ /μ )的函数;d 和 N 分别为搅拌器的直径和转速;ρ 和μ 分别为混合液的密度和粘度。对于一定 几何结构的搅拌器和搅拌槽,K 与 Rej 的函数关系可由实验测定,将这函数关系 绘成曲线,称为功率曲线。 ⑥ 折叶式搅拌器 根据不同介质的物理学性质、容量、搅拌目的选择相应的搅拌器,对促进化 学反应速度、提高生产效率能起到很大的作用。折叶涡轮搅拌器一般适应于气、 液相混合的反应,搅拌器转数一般应选择 300r/min 以上。 ⑦ 变频双层搅拌器 变频搅拌器的底座、支杆、电动机使用专利技术固定为一体。专利夹头,无 松动、无摇摆、不会脱落,安全可靠。镀铬支杆,下粗上细,钢性强、结构合理。 具有移动方便,重量轻等优点。适合各类小型容器。 搅拌器的类型、尺寸及转速,对搅拌功率在总体流动和湍流脉动之间的分配 都有影响。一般说来,涡轮式搅拌器的功率分配对湍流脉动有利,而旋桨式搅拌 器对总体流动有利。对于同一类型的搅拌器来说,在功率消耗相同的条件下,大 直径、低转速的搅拌器,功率主要消耗于总体流动,有利于宏观混合。小直径、 高转速的搅拌器,功率主要消耗于湍流脉动,有利于微观混合。搅拌器的放大是 与工艺过程有关的复杂问题,至今只能通过逐级经验放大,根据取得的放大判据, 外推至工业规模。 1·3 工作原理 搅拌机是由多个参数决定的,用任何一个单一参数来描述一台搅拌机是不可 能的。轴功率(P)、 桨叶排液量(Q)、压头(H)、桨叶直径(D)及搅拌转速(N)是描 述一台搅拌机的五个基本参数。桨叶的排液量与桨叶本身的流量准数,桨叶转速 的一次方及桨叶直径的三次方成正比。而搅拌消耗的轴功率则与流体比重,桨叶 本身的功率准数,转速的三次方及桨叶直径的五次方成正比。在一定功率及桨叶 形式情况下,桨叶排液量(Q)以及压头(H)可以通过改变桨叶的直径(D)和转速(N) 的匹配来调节,即大直径桨叶配以低转速(保证轴功率不变)的 搅拌机产生较高 的流动作用和较低的压头,而小直径桨叶配以高转速则产生较高的压头和较低的 流动作用。在搅拌槽中,要使微团相互碰撞,唯一的办法是提供足够的剪切速率。 从搅拌机理看,正是由于流体速度差的存在,才使流体各层之间相互混合,因此, 凡搅拌过程总是涉及到流体剪切速率。剪切应力是一种力,是搅拌应用中气泡分 散和液滴破碎等的真正原因。必须指出的是,整个搅拌槽中流体各点剪切速率的 大小并不是一致的。通过对剪切速率分布的研究表明,在一个搅拌槽中至少存在 四种剪切速率数值,它们是:实验研究表明,就桨叶区而言,无论何种浆型,当 桨叶直径一定时,最大剪切速率和平均剪切速率都随转速的提高而增加。但当转 速一定时,最大剪切速率和平均剪切速率与桨叶直径的关系与浆型有关。当转速 一定时,径向型桨叶最大剪切速率随桨叶直径的增加而增加,而平均剪切速率与 桨叶直径大小无关。这些有关桨叶区剪切速率的概念,在搅拌机缩小及放大设计 中需要特别当心。因小槽与大槽相比,小槽搅拌机往往具有高转速(N)、小桨叶 直径(D)及低叶尖速度(ND)等特性,而大槽搅拌机往往具有低转速(N) 大桨叶直 径(D)及高叶尖速度(ND)等特性。 2·磁力搅拌器 2·1 概述 磁力搅拌器适用于搅拌或加热搅拌同时进行,适用于粘稠度不是很大的液体 或者固液混合物。利用了磁场和漩涡的原理将液体放入容器中后,将搅拌子同时 放入液体,当底座产生磁场后,带动搅拌子成圆周循环运动从而达到搅拌液体的 目的。配合温度控制装置,可以根据具体的实验要求控制并维持样本温度,帮助 实验者设定实验条件,极大的提高了实验重复性的可能。 2·2 工作原理 磁力搅拌器的工作原理遵循磁的库仑定律,即两个相隔一定距离的磁体,由 于磁场感应效应,它们不需要任何传统机械构件,通过磁体的耦合力,就能把功 率从一个磁体传递到另外一个磁体,构成一个非接触传递扭矩机构。工作时通过 电机(或电机减速机)带动外部永久磁体进行转动,同时耦合驱动封闭在隔离套内 的另一组永久磁体及转子作同步旋转,从而无接触、无摩擦地将外部动力传送到 内部转子,并通过联轴器与下轴及搅拌桨联成一体,实现搅拌的目的。磁力搅拌 器内的压力是由耐压可靠且静止的隔离套来承受,隔离套与釜体构成一个封闭密 封腔,使釜内介质处于完全封闭状态,因而可实现静密封、耐高压、无泄漏的目 的。 2·3 磁力搅拌器与普通搅拌器的区别 磁力搅拌器是由微电机带动高温强力磁铁产生旋转磁场来驱动容器内的搅拌子 转动,以达到对溶液进行加热,从而使溶液在设定的温度中得到充分的混合反应, 故广泛应用于生物、医药、化学、化工等领域.搅拌的作用,是使反应物混合均 匀,使温度均匀;在一个密闭的容器中加热,需要防止暴沸,例如在蒸馏过程中, 可以加入沸石,也可以用磁力搅拌器;加快反应速度,或者蒸发速度,缩短时间。 和普通搅拌机相比,磁力搅拌器的优点如下: 1、磁力搅拌器采用优质直流电机,噪音小调速平稳; 2、由聚四氟乙烯和优质磁钢精制成的搅拌子,耐高温、耐磨、耐化学腐蚀、 磁性强; 3、全封闭式加热盘可作辅助加热之用,可长期加热使用; 4、可在密闭的容器中进行调混工作,使用十分理想与方便; 5、搅拌器可设定温度及温度显示,可长期加热使用,数显直观准确. 2·4磁力搅拌器特点 磁力搅拌器特点:外壳由特殊阻燃增强型塑料注塑成型,磁力搅拌器有非常 高的抗热、抗酸碱及有机溶剂的特性。 磁力搅拌器搅拌速度和加热温度均可连 续调节(AM-3250A 型温度调节步距为1°C),广泛适用于不同粘稠度溶剂的搅拌。 加热盘由铝合金制成,外部喷涂特氟龙材料,使其既有良好的导热效果,又具有 较强的抗冷热、耐腐蚀性能。 加热盘底部采用双重融热装置,可充分提高效率, 并避免热量传导至机壳。 整体成机壳和其上部的凸面设计可有效防止在搅拌过 程中不慎溢出的溶液流入磁力搅拌器内损坏电子器件。 2·5磁力搅拌器的使用方法 1、插上电源,将盛有溶液的器皿放底盘中部,并把搅拌子沉入器皿底部; 2、开启电源,指示灯亮,然顺时针调节调速旋钮,速度由慢至快,调至所 需速度,搅拌子旋转带动溶液进行搅拌操作; 3、需恒温加热时,将温度测量探头插入溶液中,并将插头插入搅拌器座上(对 应于水浴集热式磁力搅拌器而言,因其温度测量探头是集成水浴锅内部,无此步 骤),调节温度旋钮至所需温度; 4、若不需加热,只要把温度调节旋钮调至室温以下即可; 5、需进行定时操作时,将定时开关顺时针旋至所需的时间位上,此时电源 灯亮,仪器处于工作,当定时开关自动转到起始位时,搅拌自动停止(此步仅针 对有此定时功能的机型而言); 6、使用完毕关闭电源开关,将反应装拆卸,并拔掉磁力搅拌器电源插头。 2·6磁力搅拌器的注意事项 1、根据应用场合选择合适的磁力搅拌器; 2、第一次使用时,先对照仪器说明书检查仪器所带件是否齐,譬如搅拌子、 电源线、使用时最好能够使仪器接地良好; 4、往容器中盛放溶液时, 请勿过满,必留下足够的空间,以免搅拌过程中 溶液溢洒出来腐蚀磁盘几机体; 5、调速时应由低速逐步调至高速,最好不要从高速档直接起动,以免搅拌 子不同步,引起跳动; 6、中速运转可延长搅拌器的使用寿命; 7、搅拌时如果发搅拌子跳动或不搅拌,请检查一下烧杯是否平稳,位是否 平正,转速是否合适; 8、转动定时开关时不应过快过猛,以免发生损坏(仅对有定时功能的机型而 言); 9、温度测量探头放入溶液中高度应合适,不能使搅拌子碰撞探头,以防损 坏探头(对应于水浴集热式磁力搅拌器而言,因其温度测量探头是集成水浴锅内 部,无此限制); 10、普通的加热式磁力搅拌器,不搅拌时不能进行加热,70℃以上连续加热 不得超过2小时(水浴集热式磁力搅拌器无此限制); 11、仪器应保持清洁干燥,尤其不要使溶液进入机内,使用完毕,应将温度 测量探头、搅拌子等清洗干净,磁盘表面用干净的布擦拭清洁。 2.6磁力搅拌器的注意事项 1、根据应用场合选择合适的磁力搅拌器; 2、第一次使用时,先对照仪器说明书检查仪器所带件是否齐,譬如搅拌子、 电源线、使用时最好能够使仪器接地良好; 4、往容器中盛放溶液时, 请勿过满,必留下足够的空间,以免搅拌过程中 溶液溢洒出来腐蚀磁盘几机体; 5、调速时应由低速逐步调至高速,最好不要从高速档直接起动,以免搅拌 子不同步,引起跳动; 6、中速运转可延长搅拌器的使用寿命; 7、搅拌时如果发搅拌子跳动或不搅拌,请检查一下烧杯是否平稳,位是否 平正,转速是否合适; 8、转动定时开关时不应过快过猛,以免发生损坏(仅对有定时功能的机型而 言); 9、温度测量探头放入溶液中高度应合适,不能使搅拌子碰撞探头,以防损 坏探头(对应于水浴集热式磁力搅拌器而言,因其温度测量探头是集成水浴锅内 部,无此限制); 10、普通的加热式磁力搅拌器,不搅拌时不能进行加热,70℃以上连续加热 不得超过2小时(水浴集热式磁力搅拌器无此限制); 11、仪器应保持清洁干燥,尤其不要使溶液进入机内,使用完毕,应将温度 测量探头、搅拌子等清洗干净,磁盘表面用干净的布擦拭清洁。 总结 1、每一种搅拌器都不是万能的,只有在特定的应用范围内才是高效的,要 合理选择适当的搅拌器。 2、各种搅拌器在使用时应遵循各自的方法,正确的使用搅拌器才能有利于 实验的进行,并避免一些危险。 参考文献 [1] 郑滓洋,董其伍,桑芝富.过程设备设计[M].北京:化学工业出版社,200l。 373—380. 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