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搅拌原理_图文_百度文库

发布时间:2020-06-13 04:07

  第六章 搅拌 Chapter 6 Agitation and mixing 概述 (Introduction) 搅拌的用途: (1) 使两种或多种互溶的液体分散; (2) 不互溶的液体之间的分散与混合; (3) 气体与液体的混合; (4) 使固体颗粒悬浮于液体之中; (5) 加速化学反应、传热、传质等过程的进行。 搅拌可以同时达到几个目的,例如用硫酸浸取磷矿浆制取磷 酸过程中,搅拌使磷矿颗粒和生成的磷石膏晶体悬浮于液体 之中,同时又加速了化学反应、传热、传质过程的进行。 搅拌方式:机械搅拌、气流搅拌、射流搅拌、静态混合、管 道混合等。 搅拌装置 由搅拌槽,搅拌器和 若干附件组成。 搅拌器是搅拌装置的 核心部件,由它将机 械能传递给液体。 搅拌器作用类似于泵 的叶轮,通常搅拌器 又称之为叶轮。 常见搅拌器类型 螺旋桨式 通用尺寸及叶片端部速度: S/d=1 Z=3 一般5~15m/s,最大25m/s 螺带式 通用尺寸及叶片端部速度: S/d=1 B/d=0.1 Z=1-2(2指双螺带) 外缘尽可能与釜内壁接近 常见搅拌器类型 桨式 通用尺寸及叶片端部速度: d/B=4-10 Z=2 1.5~3 m/s 锚式和框式 通用尺寸及叶片端部速度: B/d=1/12 d'/d=0.05-0.08 d'=25-50 mm d'为搅拌器外缘与釜内壁距离 0.5-1.5 m/s 常见搅拌器类型 涡轮式 (1) 圆盘平直叶 (2) 圆盘弯叶 (3) 开启平直叶 (4) 开启弯叶 常见搅拌器类型 轴流式 (Axial-flow) 液体在搅拌槽内形成的总体流动为轴向 和切向的大循环,湍动程度不高,适用 于低粘度的互溶液体的混合、固体颗粒 的悬浮以及强化槽内的传热等。 螺旋桨式:直径小、转速高、流量大、压头低。 螺带式:旋转半径大,搅动范围广、转速低、压头小,适于 高粘度液体的搅拌。 常见搅拌器类型 径向流式 (Radial-flow) 液体在槽内作切向和径向的涡旋运动,总 体流动较复杂。适用于搅拌中等和低粘度 的液体,特别适用于不互溶液体的分散、 气体和固体的溶解、液相反应及传热等操 作,对于易分层的物系则不适用。 涡轮式:转速高,叶片宽,与螺旋浆式比 较流量小、压头高。 平叶片浆式:叶片较长、转速较慢,产生 的压头较低。可用于较高粘度液体的搅拌。 锚式和框式:旋转半径更大 (仅略小于反应槽的内径),搅动 范围很大,转速更低,产生的压头更小,适用于较高粘度液 体的搅拌,也常用来防止器壁产生沉积现象。 档板、导流筒 (Baffle and draft tube) 打旋现象:液体在离心力作用下涌向器壁, 中心部分液面下降,形成一个大旋涡。转 速越高,形成的旋涡越深。 后果:有效容积降低,且几乎不产生轴向 混合,搅拌效果下降。严重时出现负压, 从表面吸入空气,使搅拌器不能正常操作。 解决方法:在槽内安装档板。 过多的档板将减少总体流动, 并把混合局限在局部区域内, 导致不良的混合性能。 档板、导流筒 (Baffle and draft tube) 解决方法:对小容器,搅拌器偏 心或偏心倾斜安装可破坏循环回 路的对称性。 导流筒:引导液体流入和流出搅 拌器的园形导筒。可控制液体的 流向和速度,减少短路机会,提 高混合效果。特别是含有固体颗 粒的液体可得到均匀的悬浮。 搅拌槽内流体的流动状态 流型与搅拌方式、叶轮、槽、档板等几何特征以及流体性质, 转速等因素有关。 对搅拌器在槽中心的搅拌:切向流、轴向流、径向流。对混 合起主要作用的是轴向流与径向流。 搅拌雷诺数: Re = d 2 nρ / 例如:八直叶涡轮有档板的标准搅拌槽: 1<Re<10,叶轮附近为滞流旋转流动,其余部分为停滞区; Re>10,叶端有泵出流,引起槽内上下循环流,滞流; 100<Re1000,过渡流,叶轮周围液体为湍流状态,而上下 循环流仍为滞流; Re103,整个槽内都呈湍流。 混合机理 (1) 分子扩散:在分子尺度的空间内进行; (2) 湍流扩散:由旋涡分裂运动引起,在涡旋尺度(微团)空间 内进行。 (3) 主体对流扩散:包括一切不属于分子运动或涡旋运动所引 起的扩散过程。在大液团空间内进行。 总体流动将液体分割成大尺度液团 (大尺度混合);大尺度液 团在涡旋作用下变形破裂成微团 (微团间混合);涡旋的变形 破裂增加和更新了液团高低浓度区域之间的接触表面,促进 了分子扩散。 要达到微团的最终消失,即分子尺度上的完全均匀混合,只 有依靠分子扩散。 多数混合过程三种机理同时存在。湍流扩散系数约为分子扩 散系数的105~107倍,湍流搅拌中,湍流混合占主导作用。 均相物系的混合机理 低粘度液体的混合机理: 由于强剪切作用,大涡旋的分裂使液团分散成小尺度旋涡。 由于粘滞阻力,能量全部转化为热能而耗散。 叶轮附近剪切力大,湍动最为激烈,液体的混合作用主要发 生在叶轮附近的混合区中。 对于低粘度的互溶液体的混合,提供足够的循环量是主要的, 剪切强度次之。 高粘度液体的混合机理: 在湍流区域,叶轮效率差。在滞流区域,混合作用依赖充分 的总体流动。亚游娱乐, 应使用大直径搅拌器,如框式、锚式和螺带式等。 非均相物系的混合机理 不互溶的液-液体系统 一相为分散相(液滴) ,另一相为连续相。 叶轮附近,湍动程度高,剪切力大,液滴的破碎速率大于凝 聚速率,液滴尺寸小。在远离叶轮区域,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、再分散过程不仅增加了接触面积,更新 了液滴的表面,而且也使连续相中扩散阻力减少,强化了相 际传质。 在混合液中加入少量的保护胶和表面活性剂,可使液滴难于 凝聚,液滴趋于均匀。 非均相物系的混合机理 气-液系统 气相为分散相,以气泡的形式分散于液相之中,其分散原理 与液滴相同; 气-液界面张力大于液-液界面张力,分散更加困难,气泡的 直径大于液滴直径; 气液密度差大,大气泡受到的浮升力大,易溢出液体表面; 气-液搅拌器一般应选择产生强剪切作用的搅拌器,但对于发 酵罐等生化反应器,由于微生物细胞对剪切作用比较敏感, 较强的剪切作用会损害微生物细胞结构,因此需采用产生较 小剪切作用的搅拌器。 非均相物系的混合机理 固-液体系 搅拌目的一是使固体颗粒在液体中均匀悬浮,二是降低固体 颗粒表面的液膜厚度,减少扩散阻力,加速固体颗粒的溶解 以及化学反应。 悬浮临界转速:所有固体颗粒全部悬浮起来 (流化) 时的搅拌 速度。它叶轮的大小和设计关系极大。 实际操作中,搅拌转速必须大于临界转速,保证固液两相的 接触界面。 搅拌混合效果 搅拌效果可有不同的表达方式。若为强化化学反应,可用转 化率来衡量,若为传热与传质,则可用传热系数和传质系数 的大小来衡量。 设容器中有体积分别为 VA 和 VB 两种液体,则A的平均浓度为: CACA0 CA I= C A0 C A0 VA = VA + VB 1 CA 1 C A0 CACA0 I= I —— 混合指数或混合百分数。若取 n 个样品,则平均混合 百分数为 I1 + I 2 + L + I n I= n 搅拌功率 搅拌槽内叶轮的泵出流量、压头及功率 泵出流量 Q:叶轮直接排出的液体体积流量,(m3/s或m3/h)。 循环量 Q’:所有参与循环的液体体积流量。 Q’: 由于叶轮排出液流的夹带作用,Q’ Q,有时大出几倍。 在湍流区域 (Re103) : N Q D 2 = N Q 1 + 0.16 1 d 泵出流量准数 NQ=Q/nd3 循环流量准数 NQ’=Q’/nd3 Q ∝ nd 3 H ∝ n2d 2 湍流区:NQ 与 Re 无关,为一常数 叶轮对单位重量液体所作的功即压头 H。 H 与速度 u 的平方成正比,即 u ∝ nd 搅拌槽内叶轮的泵出流量、压头及功率 搅拌器本质上是一个泵,任何叶轮提供的功率 都会产生泵送流量及压头,其功率可表示为: N ∝ QH ρ N 相同时,既可产生大流量、低压头,也可产生高压头、 小流量; 叶轮提供给液体的全部功率用于产生流量和压头; 不同工艺过程对 Q 及 H 要求不一样,例:低粘度均相液 体的混合需要泵送流量大而气-液混合需要强剪切作用。 要功率消耗小,搅拌效果好,就应根据工艺要求正确地配 置好搅拌装置,合理地分配功率消耗。 功率相等条件下,大直径、低转速叶轮更多的功率消耗于 总体流动。小直径、高转速的叶轮更多功率消耗于湍动。 功率关联式及功率曲线 由于搅拌槽内液体的运动状况很复杂, 影响功率的因素很多。不能由理论分 析法,常利用因次分析方法,通过实 验关联。 对几何相似的搅拌装置,各形状因子 均为常数。 “标准”构型搅拌装置 N = f (n, d , ρ , , g ) nd 2 ρ n 2 d N = f 3 5 , g ρn d P0 = f (Re, Fr ) P0 —— 功率准数 Re —— 搅拌雷诺准数,表征液体流动类型 Fr —— 弗鲁德准数,表征打旋。 功率关联式及功率曲线 = kRe Fr x y P0 φ = y = kRe x Fr —— 功率函数 φ = P0 = kRe x 若搅拌器中没有发生打旋现象,则不 考虑 Fr 的影响,即 y = 0 若将形状因子 S1, S2,...Sn 考虑进去,则 i in P0 = kRe x Fr y S1i1S 22 S n 式中 k 为与流态区间有关,与几何构型有关的常数。 功率关联式及功率曲线 与 Re 标绘在双对数坐标上,就可得到功率曲线。 对一具体几何构型只有一条功率曲线,与搅拌槽大小无关。 功率关联式及功率曲线 滞流区:Re10 φ = P0 = kRe 1 d nρ N = 71 3 5 ρn d 2 1 N = 71n 2 d 3 湍流区:Re104 φ = P0 = k φ = P0 = 6.1 N = 6.1ρn 3 d 5 过渡区:10<Re104 对有档板搅拌装置 φ = P0 = kRe x 对无档板搅拌装置,Re300,由于打旋现象,Fr 不能忽略: φ= P0 Fr y y = (α log Re) / β α、β 是与叶轮形式,直径及搅拌槽直径有关的常数,其值可 查阅有关手册。 搅拌装置的设计 (1) 由工艺要求,确定搅拌器的类型及搅拌槽的几何形状; (2) 通过小规模实验,确定搅拌装置的具体几何构形,然后放 大,确定具体尺寸、转速和功率。 搅拌装置的放大 几何相似:全部相应的尺寸有相同比例 (几何构形相同); 运动相似:对应点有相同速度比,且有相同的运动方向; 动力相似:对应点上各种力(惯性力、流体粘滞力、表面张 力和重力)的比例相等(Re、Fr、We相同)。 雷诺数 Re:惯性力与粘滞力之比; 弗鲁德准数 Fr:惯性力与重力之比; 韦柏准数 We = n3d2ρ /σ :惯性力与界面张力之比。 搅拌装置的放大 问题:如何保持几何相似的大小两搅拌槽中流体动力学状态 相似(Re、Fr、We为常数) ? Re相等: Fr相等: We相等: 2 n1 d12 = n 2 d 2 2 n12 d 1 = n 2 d 2 2 3 n12 d13 = n 2 d 2 以上关系相互矛盾,即在几何相似条件下,不可能满足动力 相似。实践中应根据过程特性,设计好模型,在几何相似的 前提下,分别以某一准数作为放大准则来确定装置尺寸、转 速和功率,再对过程效果及经济性进行综合评价、修正某些 几何条件。 放大准则 (1) 保持单位体积功率消耗 (N/V) 相等 用于流体物性不变,放大比不太大,搅拌效果主要依赖于流 体的湍动强度的情况。在充分湍流区 3 2 n13 d12 = n2 d 2 (2) 保持叶端速度不变 对几何相似系统即保持单位体积功耗的叶轮扭矩相等。适用 于需要较高 (H/Q) 的操作。 n1d1 = n2 d 2 (3) 保持雷诺数Re不变 2 n1 d12 = n 2 d 2 放大准则 (4) 保持弗鲁德准数Fr不变 2 n12 d 1 = n 2 d 2 (5) 保持韦伯准数We不变 2 3 n12 d13 = n 2 d 2 搅拌装置的放大过程非常复杂,应根据具体工艺条件的要求, 选定合适的放大准则,以便得到较为理想的放大效果。