化工原理天大柴誠(chéng)敬31-32學(xué)時(shí)

1、1第 四 章 液 體 攪 拌 通過(guò)本章學(xué)習(xí)，掌握常用典型攪拌器的性能，以便根據(jù)攪拌目的、物料特性和工藝對(duì)混合指標(biāo)的要求，選擇適宜結(jié)構(gòu)形式的攪拌裝置并確定最佳的操作條件（如轉(zhuǎn)速、功率等）。學(xué)習(xí)目的與要求2 使兩種或多種不同的物料達(dá)到均勻混合的單元操作稱為物料的攪拌或混合。 攪拌攪拌的目的（1）使被攪拌物料各處達(dá)到均質(zhì)混合狀態(tài)（2）強(qiáng)化傳熱過(guò)程 （3）強(qiáng)化傳質(zhì)過(guò)程 （4）促進(jìn)化學(xué)反應(yīng) 概述3第 四 章 液 體 攪 拌4.1 攪拌器的性能和混合機(jī)理4.1.1 攪拌設(shè)備4一攪拌設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)攪拌設(shè)備攪拌裝置軸封（填料函密封和機(jī)械密封）攪拌槽（釜）攪拌器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)葉輪攪拌軸槽體附件（擋板、導(dǎo)流筒等）5圖4

2、-1典型的攪拌設(shè)備1攪拌槽；2攪拌器；3攪拌軸；4加料管；5電動(dòng)機(jī)；6減速機(jī)；7聯(lián)軸節(jié)；8軸封；9溫度計(jì)套管；10擋板；11放料閥一攪拌設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)動(dòng)畫(huà)206二機(jī)械攪拌器的類型平葉(如平葉槳式、平直葉渦輪式)折葉（如折葉槳式）螺旋面葉（如推進(jìn)式、螺帶式、螺桿式等） 葉片形狀7適用于低中粘度的有槳式、渦輪式、推進(jìn)式（又稱旋槳式）及三葉后掠式； 適用于高粘度的大葉片、低轉(zhuǎn)速攪拌器，如錨式、框式、螺帶式、螺桿式及開(kāi)啟平葉渦輪式等。對(duì) 液 體 黏度適應(yīng)性二機(jī)械攪拌器的類型8一類以渦輪式為代表，具有流量小、壓頭較高的特點(diǎn)。平槳式、錨式、框式也屬于這一類攪拌器，但其生產(chǎn)的壓頭較低。一類以推進(jìn)式為代表，具

3、有流量大、壓頭低的特點(diǎn)。螺帶式，折葉槳式等也屬于此類。工作原理二機(jī)械攪拌器的類型9三攪拌器的性能 幾種常用攪拌器的典型尺寸比例、操作參數(shù)（主要指轉(zhuǎn)速或葉片端部周圍速度）、對(duì)液體粘度的適用范圍及攪拌槽中液體的流動(dòng)狀況都標(biāo)注于表4-1中。 10第 四 章 液 體 攪 拌4.1 攪拌器的性能和混合機(jī)理4.1.1 攪拌設(shè)備4.1.2 攪拌作用下流體的流動(dòng)11一攪拌器的基本流型 攪拌槽的流動(dòng)：1.在攪拌槽內(nèi)形成一個(gè)循環(huán)流動(dòng)，稱為總體流動(dòng)，達(dá)到大尺寸的宏觀混合；2.高速旋轉(zhuǎn)的葉輪及其射流核心與周圍流體產(chǎn)生強(qiáng)剪切（或高度湍動(dòng)），以實(shí)現(xiàn)小尺寸的均勻混合。12攪拌槽內(nèi)液體進(jìn)行著三維流動(dòng)：徑向流周向流軸向流一攪拌

4、器的基本流型13二流體的流動(dòng)狀態(tài)攪拌雷諾數(shù)2R ed n葉輪直徑攪拌器轉(zhuǎn)速液體黏度液體密度14圖4-2 （a） 葉輪周圍液體隨葉輪旋轉(zhuǎn)作周向流，遠(yuǎn)離葉輪的液體基本是靜止的，屬于完全層流。 R e10二流體的流動(dòng)狀態(tài)15圖4-2 （b） 液體的運(yùn)動(dòng)達(dá)到槽壁，并沿槽壁有少量上下循環(huán)流發(fā)生，此現(xiàn)象為部分層流，仍為層流范圍。 10R e30二流體的流動(dòng)狀態(tài)16圖4-2 （c） 槳葉附近的液體已出現(xiàn)湍流，而其外周仍為層流，此為過(guò)渡流狀態(tài)。 330R e10二流體的流動(dòng)狀態(tài)17圖4-2 （d） 流體達(dá)湍流狀態(tài)。若槽壁處無(wú)擋板時(shí)，由于離心力的作用，攪拌軸附近會(huì)形成旋渦，攪拌器轉(zhuǎn)速越大，形成的旋渦越深，這種現(xiàn)

5、象稱為“打旋”。 3R e10二流體的流動(dòng)狀態(tài)18圖4-2 （e） 槽內(nèi)加擋板，抑制“打旋”現(xiàn)象發(fā)生。 3R e10二流體的流動(dòng)狀態(tài)19三攪拌槽內(nèi)液體的循環(huán)量和壓頭1排液量和液體的循環(huán)量指參與循環(huán)流動(dòng)的所有液體的體積流量（包括排出流量和誘導(dǎo)流量）。 排液量從葉輪直接排出的液體流量稱為排液量。循環(huán)量202攪拌槽內(nèi)液體的壓頭 攪拌器葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)既能使液體產(chǎn)生流動(dòng)，又能產(chǎn)生用來(lái)克服流動(dòng)阻力的壓頭。壓頭通常用速度頭的倍數(shù)來(lái)表示。 22uHg液體離開(kāi)葉輪的速度und因此壓頭22Hn d功率35PHqn d三攪拌槽內(nèi)液體的循環(huán)量和壓頭213攪拌效果與q/H8/3qdH8/5qnH葉輪操作的基本原則是：當(dāng)消耗

6、相同的功率時(shí)，若攪拌過(guò)程是以宏觀混合為目的（即大循環(huán)流小剪切），宜采用大直徑、低轉(zhuǎn)速的葉輪。相反，如果要求高剪切流動(dòng)（即小尺寸的微觀混合），則宜采用小直徑、高轉(zhuǎn)速葉輪。 三攪拌槽內(nèi)液體的循環(huán)量和壓頭22四增強(qiáng)攪拌槽內(nèi)液體湍動(dòng)的措施v抑制“打旋”現(xiàn)象的發(fā)生v設(shè)置導(dǎo)流筒 v提高攪拌器轉(zhuǎn)速 23第 四 章 液 體 攪 拌4.1 攪拌器的性能和混合機(jī)理4.1.1 攪拌設(shè)備4.1.2 攪拌作用下流體的流動(dòng)4.1.3 4.1.3 混合機(jī)理24一均相液體的混合機(jī)理1總體對(duì)流擴(kuò)散 排出流和誘導(dǎo)流造成槽內(nèi)液體大范圍宏觀流動(dòng)，并產(chǎn)生整個(gè)槽內(nèi)液體流動(dòng)循環(huán)，這種流動(dòng)稱為總體流動(dòng)。總體流動(dòng)能使液體宏觀上均勻混合（大尺度

7、的混合）。252渦流擴(kuò)散 由于射流中心與周圍液體交界處的速度梯度很大而產(chǎn)生強(qiáng)的剪切作用，對(duì)低黏度的液體形成大量旋渦。旋渦的分裂破碎及能量傳遞，使微團(tuán)尺寸減?。ㄗ钚〕叽缈蛇_(dá)微米級(jí)），從而達(dá)到小尺寸的微觀均勻組合。一均相液體的混合機(jī)理263分子擴(kuò)散 均相液體在分子尺度的均勻混合靠分子擴(kuò)散。但是槽內(nèi)液體強(qiáng)的湍動(dòng)使微團(tuán)尺寸的減小，大大加速了分子擴(kuò)散。一均相液體的混合機(jī)理27二非均相物系的混合機(jī)理 對(duì)于非均相物系，為達(dá)到小尺度的宏觀混合，同樣應(yīng)強(qiáng)化湍動(dòng)，使分散相尺寸盡可能減小。28第 四 章 液 體 攪 拌4.1 攪拌器的性能和混合機(jī)理4.1.1 攪拌設(shè)備4.1.2 攪拌作用下流體的流動(dòng)4.1.3 混合

8、機(jī)理4.1.4 4.1.4 其它類型混合器（自學(xué)）4.1.5 攪拌器的選型和發(fā)展趨勢(shì)（自學(xué)）29第 四 章 液 體 攪 拌4.2 攪拌功率4.2.1 攪拌功率的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式30一影響攪拌功率的因素（1）攪拌器的因素 槳葉形狀、葉輪直徑及寬度、葉片數(shù)目、在槽內(nèi)安裝高度等。（2）攪拌槽的因素 槽形、槽內(nèi)徑、擋板數(shù)目及寬度、導(dǎo)流筒的尺寸、液位高度等。（3）物性因素 主要是被攪拌物料的密度和黏度。（4）出現(xiàn)打旋現(xiàn)象時(shí)還需考慮重力加速度的影響。31二攪拌功率的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式攪拌功率和各變量之間的一般函數(shù)關(guān)系式可表達(dá)為 ( , , , , )Pf n dg 2235() ()xyPd nn dKn dg通過(guò)量綱

9、分析可得 3235NPPn d2Red n2n dFrg功率數(shù)攪拌雷諾數(shù)弗魯?shù)聰?shù)RexyNPKFr包含待求功率 衡量流體流動(dòng)狀態(tài) 衡量重力的影響 二攪拌功率的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式33NyPFr 再令則有RexNyPKFr 對(duì)于全擋板條件的攪拌裝置， 1Fr RexNPK 二攪拌功率的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式34 對(duì)于一定幾何構(gòu)形的攪拌設(shè)備，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式或算圖。攪拌功率計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式很多，比較成熟的是均相系統(tǒng)，并以它為基礎(chǔ)估算非均相系統(tǒng)的攪拌功率。二攪拌功率的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式35第 四 章 液 體 攪 拌4.2 攪拌功率4.2.1 攪拌功率的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式4.2.2 均相系統(tǒng)攪拌功率的計(jì)算（自學(xué)）4.2.3 非均相

10、物系攪拌功率的計(jì)算（選讀）4.2.4 非牛頓型流體的攪拌功率（選讀）36第 四 章 液 體 攪 拌4.3 攪拌設(shè)備的放大37一攪拌設(shè)備放大基礎(chǔ)要完成可靠的放大工作，要滿足兩個(gè)必要條件：（1）所研究的體系必須是相當(dāng)單純的。對(duì)于攪拌過(guò)程來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的抗拒力應(yīng)是黏性力、重力、界面張力三個(gè)力中的一個(gè)力所決定，而不是這三個(gè)共同決定的。攪拌槽安裝擋板即消除了重力的影響，再忽略界面張力的影響，于是變成單純的粘性力（Re）作為相似條件。（2）當(dāng)設(shè)備尺寸由小放大時(shí)，上述的單純條件同樣保持不變。38二攪拌設(shè)備的放大1.按攪拌功率放大 幾何構(gòu)形相同的攪拌設(shè)備，不論其尺寸大小，均可用同一條功率曲線。即只要Re相等，則值必相同。如果符合全擋板條件，相同的Re對(duì)應(yīng)相等的PN值。這樣通過(guò)測(cè)量試驗(yàn)設(shè)備的攪拌功率便可推算出生產(chǎn)設(shè)備的攪拌功率。 392. 按工藝過(guò)程結(jié)果放大在幾何相似系統(tǒng)中獲得相同的攪拌效果，有以下一些放大準(zhǔn)則可供選擇，即（1）保持?jǐn)嚢枥字Z數(shù)Re相等（2）保持單位體積攪拌功率P/V不變（3）保持?jǐn)嚢杵髁髁亢蛪侯^的比值q/H不變（4）保持?jǐn)嚢杵魅~端速度nd不變二攪拌設(shè)備的放大40練 習(xí) 題 目思考題作