化工原理天大柴誠敬31-32學(xué)時

1、1第 四 章 液 體 攪 拌 通過本章學(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到均質(zhì)混合狀態(tài)（2）強化傳熱過程 （3）強化傳質(zhì)過程 （4）促進化學(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（填料函密封和機械密封）攪拌槽（釜）攪拌器傳動機構(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電動機；6減速機；7聯(lián)軸節(jié)；8軸封；9溫度計套管；10擋板；11放料閥一攪拌設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)動畫206二機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、螺桿式及開啟平葉渦輪式等。對 液 體 黏度適應(yīng)性二機械攪拌器的類型8一類以渦輪式為代表，具有流量小、壓頭較高的特點。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。一類以推進式為代表，具

3、有流量大、壓頭低的特點。螺帶式，折葉槳式等也屬于此類。工作原理二機械攪拌器的類型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）、對液體粘度的適用范圍及攪拌槽中液體的流動狀況都標(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理4.1.1 攪拌設(shè)備4.1.2 攪拌作用下流體的流動11一攪拌器的基本流型 攪拌槽的流動：1.在攪拌槽內(nèi)形成一個循環(huán)流動，稱為總體流動，達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)生強剪切（或高度湍動），以實現(xiàn)小尺寸的均勻混合。12攪拌槽內(nèi)液體進行著三維流動：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 e10二流體的流動狀態(tài)15圖4-2 （b） 液體的運動達到槽壁，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，此為過渡流狀態(tài)。 330R e10二流體的流動狀態(tài)17圖4-2 （d） 流體達湍流狀態(tài)。若槽壁處無擋板時，由于離心力的作用，攪拌軸附近會形成旋渦，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)時既能使液體產(chǎn)生流動，又能產(chǎn)生用來克服流動阻力的壓頭。壓頭通常用速度頭的倍數(shù)來表示。 22uHg液體離開葉輪的速度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，若攪拌過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（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22四增強攪拌槽內(nèi)液體湍動的措施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理4.1.1 攪拌設(shè)備4.1.2 攪拌作用下流體的流動4.1.3 4.1.3 混合機理24一均相液體的混合機理1總體對流擴散 排出流和誘導(dǎo)流造成槽內(nèi)液體大范圍宏觀流動，并產(chǎn)生整個槽內(nèi)液體流動循環(huán)，這種流動稱為總體流動?？傮w流動能使液體宏觀上均勻混合（大尺度

7、的混合）。252渦流擴散 由于射流中心與周圍液體交界處的速度梯度很大而產(chǎn)生強的剪切作用，對低黏度的液體形成大量旋渦。旋渦的分裂破碎及能量傳遞，使微團尺寸減小（最小尺寸可達微米級），從而達到小尺寸的微觀均勻組合。一均相液體的混合機理263分子擴散 均相液體在分子尺度的均勻混合靠分子擴散。但是槽內(nèi)液體強的湍動使微團尺寸的減小，大大加速了分子擴散。一均相液體的混合機理27二非均相物系的混合機理 對于非均相物系，為達到小尺度的宏觀混合，同樣應(yīng)強化湍動，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理4.1.1 攪拌設(shè)備4.1.2 攪拌作用下流體的流動4.1.3 混合

8、機理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（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)系式可表達為 ( , , , , )Pf n dg 2235() ()xyPd nn dKn dg通過量綱

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 對于一定幾何構(gòu)形的攪拌設(shè)備，通過實驗得到相應(yīng)的經(jīng)驗公式或算圖。攪拌功率計算的經(jīng)驗公式很多，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)攪拌功率的計算（自學(xué)）4.2.3 非均相

10、物系攪拌功率的計算（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，要滿足兩個必要條件：（1）所研究的體系必須是相當(dāng)單純的。對于攪拌過程來說，系統(tǒng)的抗拒力應(yīng)是黏性力、重力、界面張力三個力中的一個力所決定，而不是這三個共同決定的。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，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對應(yīng)相等的PN值。這樣通過測量試驗設(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）保持攪拌雷諾數(shù)Re相等（2）保持單位體積攪拌功率P/V不變（3）保持攪拌器流量和壓頭的比值q/H不變（4）保持攪拌器葉端速度nd不變二攪拌設(shè)備的放大40練 習(xí) 題 目思考題作