第六章搅拌

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：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＜Re<1000，过渡流，叶轮周围液体为湍流状态，而上下循环流仍为滞流； Re>103，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。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： CA<CA0 CA>CA0 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

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。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 (Re>103) ：泵出流量准数 NQ=Q/nd3 循环流量准数 NQ’=Q’/nd3 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 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 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 —— 功率函数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 将  或 P0 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：Re<10 湍流区：Re>104 过渡区：10＜Re<104 对有档板搅拌装置对无档板搅拌装置，Re>300，由于打旋现象，Fr 不能忽略： 、 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 = n3d2 /：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：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 (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。 (3) 保持雷诺数Re不变

放大准则 (4) 保持弗鲁德准数Fr不变 (5) 保持韦伯准数We不变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。

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