攪拌聚合釜內(nèi)流體的流動(dòng)與混合

攪拌聚合釜內(nèi)流體的流動(dòng)與混合機(jī)械攪拌式反應(yīng)器第一節(jié)概述機(jī)械攪拌反應(yīng)器攪拌器的分類按流體流動(dòng)形態(tài)軸向流攪拌器徑向流攪拌器混合流攪拌器按攪拌器葉片結(jié)構(gòu)平葉折葉螺旋面葉按攪拌用途低粘流體用攪拌器高粘流體用攪拌器攪拌器的主要用途：

混合：使兩種或多種互溶或不互溶液體技工藝要求混合均勻，如溶液、懸浮液、乳化等的配制。攪拌：使物料強(qiáng)烈地流動(dòng)，以提高傳熱、傳質(zhì)速率

懸?。菏剐」腆w顆粒在液體中均勻懸浮、防止沉降等。以達(dá)到加速溶解、分散：則使氣體、液體在流體中充分分散成細(xì)小的氣泡或液滴，增加接觸面，促進(jìn)傳質(zhì)或化學(xué)反應(yīng)，并滿足聚合物對(duì)粒度的要求。

攪拌反應(yīng)器應(yīng)具有的要求：

(1)推動(dòng)液體流動(dòng)，混勻物料。

(2)產(chǎn)生剪切力，分散物料，并使之懸浮。

(3)增加流體的湍動(dòng)，以提高傳熱速率。

(4)在高粘體系，可以更新表面，促使低分子物排除。

(5)加速物料的分散和合并，增大物質(zhì)的傳遞速率。

由于體系的粘度很大，攪拌轉(zhuǎn)速低，物料處于層流狀態(tài)，不可能有明顯的局部剪切作用?？刂埔蛩厥侨莘e循環(huán)速率及低轉(zhuǎn)速。

由于體系的粘度大，靠單一的徑向流和軸向流動(dòng)已不能適應(yīng)混合的需要，此時(shí)需要有較大的面積推動(dòng)力。隨著粘度的增大可依次選用下列攪拌器。

推進(jìn)式、錨式、螺桿、螺帶、特殊型高粘度攪拌器。

高粘度體系

a-錨式bc-框式d-螺帶式

攪拌器的功能提供工藝過(guò)程需要的能量和適宜的流動(dòng)狀態(tài)1、通過(guò)自身的旋轉(zhuǎn)把機(jī)械能傳遞給流體，形成槳葉附近高湍流充分混合區(qū)。2、推動(dòng)流體沿一定的路徑在釜內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，形成不同的“流型”第二節(jié)攪拌釜內(nèi)流體的流動(dòng)狀況

流體的流動(dòng)狀況，簡(jiǎn)稱流況，可以定義為“在整個(gè)攪拌容器中流體速度向量的方向”。在攪拌釜中流體的流況可以分為兩個(gè)層次：宏觀狀況與微觀狀況，它們對(duì)攪拌效果起著不同的作用。

宏觀狀況流動(dòng)也稱為宏觀流動(dòng)，而微觀狀況流動(dòng)則稱為微觀流動(dòng)。宏觀流動(dòng)是指流體以大尺寸(凝集流體、氣泡、液滴)在大范圍(整個(gè)釜內(nèi)空間)流動(dòng)狀況，所以也稱循環(huán)流動(dòng)。循環(huán)流動(dòng)存在三種典型的流況，徑向流動(dòng)、軸向流動(dòng)、切線流動(dòng)攪拌器的流型軸向流——液體軸向流入，軸向流出特點(diǎn)：攪拌器葉片與旋轉(zhuǎn)平面夾角小于90°

如：折葉槳、推進(jìn)式攪拌器徑向流——液體軸向流入，徑向流出特點(diǎn)：攪拌器葉片與旋轉(zhuǎn)平面夾角等于90°

如：平槳攪拌器切向流——物料粘度較低而攪拌器旋轉(zhuǎn)速度較高時(shí)，液體圍繞攪拌軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的區(qū)域稱為“圓柱狀回轉(zhuǎn)區(qū)”為消除圓柱狀回轉(zhuǎn)區(qū)，通常在釜內(nèi)設(shè)置擋板。

微觀流動(dòng)是指流體以小尺寸(小氣泡、液滴分散成更小的液滴)在小范圍(氣泡、液滴大小的空間)中的湍動(dòng)狀況。

微觀流動(dòng)是由于攪拌槳的剪切作用而引起的局部混合作用，它促使氣泡、液滴的細(xì)微化最后由于分子擴(kuò)散達(dá)到微觀混合。

微觀流動(dòng)的作用促使局部混合及異相表面更新，對(duì)促進(jìn)傳熱、傳質(zhì)、分散微粒也有利。在攪拌槳葉葉端附近及擋板處是微觀流動(dòng)作用最強(qiáng)烈處。微觀流動(dòng)也稱剪切流動(dòng)，它促使液體細(xì)微化達(dá)到分散作用。攪拌雷諾數(shù)與流態(tài)

在攪拌釜內(nèi)，常以槳葉的端速ND作為定性速度，所以攪拌雷諾數(shù)定義為：攪拌雷諾數(shù)不僅決定攪拌釜內(nèi)流體流動(dòng)的流態(tài)(層流、過(guò)渡流、湍流)，而且對(duì)攪拌器的特性和行為也有決定性作用。

A區(qū)間(NRe＜10)液體僅在槳葉附近呈滯流旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，槳葉無(wú)液體吐出，釜內(nèi)的其余部分為液體停滯區(qū)(即死角)。B區(qū)間(NRe～l0)當(dāng)雷諾數(shù)達(dá)數(shù)十時(shí)，自槳葉端開(kāi)始有吐出流產(chǎn)生，并引起整個(gè)釜內(nèi)流體的上下循環(huán)流動(dòng)(可能尚存在四周死角)，此時(shí)處于層流。C區(qū)間(NRel00～1000)此時(shí)處于過(guò)渡流態(tài)，即在槳葉周圍液體為湍流狀態(tài)，上下循環(huán)流動(dòng)為滯流，隨雷諾數(shù)增大，其湍動(dòng)程度增大。D區(qū)間(NRe＞1000)整個(gè)釜內(nèi)的上下循環(huán)流動(dòng)都處于湍流狀態(tài)。無(wú)擋板時(shí)會(huì)引起旋渦,有擋板時(shí)整釜會(huì)處于湍流狀態(tài)。當(dāng)槳葉直徑D與釜徑T之比D／T＜0.1時(shí)，釜內(nèi)流體雖為湍流狀態(tài)，但上下循環(huán)流不會(huì)遍及整個(gè)釜內(nèi)，易出現(xiàn)死角。攪拌槳葉的動(dòng)力特性、循環(huán)特性、混合特性，分別用無(wú)因次準(zhǔn)數(shù)表示。擋板與導(dǎo)流筒

1．擋板

當(dāng)流體粘度不大，攪拌轉(zhuǎn)速較高，而且槳葉放在釜的中心線時(shí)，液體將隨著槳葉旋轉(zhuǎn)的方向循著釜壁滑動(dòng)，釜內(nèi)液體在離心力作用下涌向釜壁，使液面沿襲壁上升，中心部分的液面下降，形成一個(gè)漩渦，通常稱打漩現(xiàn)象。打漩現(xiàn)象消除措施：

a.攪拌軸偏心安裝時(shí)，能減弱游渦，提高軸向循環(huán)速率;b.在釜內(nèi)安裝擋板可有效的消除游渦◆

擋板擋板的作用是避免旋渦現(xiàn)象，增大被攪拌液體的湍流程度，將切向流動(dòng)變?yōu)檩S向和徑向流動(dòng)，強(qiáng)化反應(yīng)器內(nèi)液體的對(duì)流和擴(kuò)散，改善攪拌效果。

攪拌反應(yīng)器的擋板結(jié)構(gòu)可有效地防止粘滯液體在擋板處形成死角，以防止固體顆粒的堆積。

在高粘度物料中使用槳式攪拌器時(shí)，可安裝橫擋板以增加摻合作用，擋板寬度可與攪拌葉同寬。2．導(dǎo)流筒

設(shè)置導(dǎo)流筒，既可提高釜內(nèi)流體的攪拌程度，加強(qiáng)槳葉對(duì)流體的直接剪切作用，同時(shí)又造成一定的循環(huán)流型，使釜內(nèi)所有物料均可通過(guò)導(dǎo)流筒內(nèi)的強(qiáng)烈混合區(qū)，提高混合效率。另外由于限定了循環(huán)路徑，減少了短路機(jī)會(huì)?！駥?dǎo)流筒的作用導(dǎo)流筒作用---提高混合效率

一方面提高了對(duì)液體的攪拌程度，加強(qiáng)了攪拌器對(duì)液體的直接機(jī)械剪切作用；另一方面由于限定了液體的循環(huán)路徑，確立了充分循環(huán)的流型，使器內(nèi)所有物料均能通過(guò)導(dǎo)流筒內(nèi)的強(qiáng)烈混合區(qū)，減少了走短路的機(jī)會(huì)。

●導(dǎo)流筒的組成導(dǎo)流筒是一個(gè)圓筒，安裝在攪拌器的外面。常用于推進(jìn)式和渦輪式攪拌器。導(dǎo)流筒第三節(jié)攪拌器的構(gòu)形及選擇攪拌器的構(gòu)形攪拌器是實(shí)現(xiàn)攪拌操作的設(shè)備總稱，從不同角度，可有不同的分類方法。

1．按槳葉構(gòu)形可分為槳式、渦輪式、推進(jìn)式、螺桿(螺軸)和螺帶式等；

2．按物料流動(dòng)的流況，可分為徑向流動(dòng)和軸向流動(dòng)；

3．按攪拌任務(wù)，又可分為液體混合或乳化、固體顆粒懸浮、氣—掖接觸、化學(xué)反應(yīng)、傳熱等。槳式攪拌器由槳葉、鍵、軸環(huán)、豎軸所組成。槳葉一般用扁鋼或不銹鋼或有色金屬制造。槳式攪拌器的轉(zhuǎn)速較低，一般為20～80r／min。槳式攪拌器直徑取反應(yīng)釜內(nèi)徑Di/3～2/3，槳葉不宜過(guò)長(zhǎng)，當(dāng)反應(yīng)釜直徑很大時(shí)采用兩個(gè)或多個(gè)槳葉。槳式攪拌器適用于流動(dòng)性大、粘度小的液體物料，也適用于纖維狀和結(jié)晶狀的溶解液，物料層很深時(shí)可在軸上裝置數(shù)排槳葉。1、式攪拌器主要用于流體的循環(huán)，不能用于氣液分散操作。2、折葉式比平直葉式功耗少，操作費(fèi)用低，故折葉槳使用較多。槳式攪拌器渦輪式攪拌器渦輪式攪拌器分為圓盤渦輪攪拌器和開(kāi)啟渦輪攪拌器；按照葉輪又可分為平直葉和彎曲葉。渦輪攪拌器速度較大，300～600r／min。渦輪攪拌器的主要優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)能量消耗不大時(shí)，攪拌效率較高，攪拌產(chǎn)生很強(qiáng)的徑向流。因此它適用于乳濁液、懸浮液等。渦輪式攪拌器（透平式葉輪）1、適用物料粘度范圍廣。2、剪切力較大，分散流體的效果好。3、直葉和彎葉渦輪攪拌器主要產(chǎn)生徑向流，折葉渦輪攪拌器主要產(chǎn)生軸向流。推進(jìn)式攪拌器推進(jìn)式攪拌器，攪拌時(shí)能使物料在反應(yīng)釜內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，所起作用以容積循環(huán)為主，剪切作用較小，上下翻騰效果良好。當(dāng)需要有更大的流速時(shí)，反應(yīng)釜內(nèi)設(shè)有導(dǎo)流筒。推進(jìn)式攪拌器直徑約取反應(yīng)釜內(nèi)徑Di的1/4～1/3，300～600r／min，攪拌器的材料常用鑄鐵和鑄鋼。推進(jìn)式攪拌器推進(jìn)式攪拌器的特點(diǎn)軸向流攪拌器常用于低粘流體的攪拌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便循環(huán)量大，攪拌功率小螺帶式攪拌器和螺桿式攪拌器螺帶式攪拌器，常用扁鋼按螺旋形繞成，直徑較大，常做成幾條緊貼釜內(nèi)壁，與釜壁的間隙很小，所以攪拌時(shí)能不斷地將粘于釜壁的沉積物刮下來(lái)。螺帶的高度通常取罐底至液面的高度。螺帶式攪拌器和螺桿式攪拌器的轉(zhuǎn)速都較低，通常不超過(guò)50r/min，產(chǎn)生以上下循環(huán)流為主的流動(dòng)，主要用于高粘度液體的攪拌。螺桿式攪拌器螺帶式攪拌器框式和錨式攪拌器框式攪拌器可視為槳式攪拌器的變形，其結(jié)構(gòu)比較堅(jiān)固，攪動(dòng)物料量大。如果這類攪拌器底部形狀和反應(yīng)釜下封頭形狀相似時(shí)，通常稱為錨式攪拌器?？蚴綌嚢杵髦睆捷^大，一般取反應(yīng)器內(nèi)徑的2/3～9/10，50～70r／min?？蚴綌嚢杵髋c釜壁間隙較小，有利于傳熱過(guò)程的進(jìn)行，快速旋轉(zhuǎn)時(shí)，攪拌器葉片所帶動(dòng)的液體把靜止層從反應(yīng)釜壁上帶下來(lái)；慢速旋轉(zhuǎn)時(shí)，有刮板的攪拌器能產(chǎn)生良好的熱傳導(dǎo)。這類攪拌器常用于傳熱、晶析操作和高粘度液體、高濃度淤漿和沉降性淤漿的攪拌。錨式攪拌器框式攪拌器錨式和框式攪拌器特點(diǎn)1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便。2、適用于粘度大、處理量大的物料。3、易得到大的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。4、可減少“掛壁”的產(chǎn)生。二、攪拌器的選用

攪拌器選用應(yīng)滿足下列要求：(1)保證物料的混合，(2)消耗最少的功率，(3)所需費(fèi)用最低，(4)操作方便，易于制造和維修。

選用攪拌器時(shí)一般考慮方法為：

(1)假如生產(chǎn)上對(duì)攪拌沒(méi)有特殊要求，則可參照生產(chǎn)時(shí)所使用的類似攪拌器經(jīng)驗(yàn)地—選定。

(2)當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程對(duì)攪拌有嚴(yán)格的要求，且又無(wú)類似過(guò)程的攪拌型式可供參考，則應(yīng)對(duì)設(shè)備，工藝過(guò)程的操作類別，攪拌的要求及經(jīng)濟(jì)性作全面的分析評(píng)價(jià)，找到操作的主要控制因素，然后選擇相適應(yīng)的攪拌器型式。

(3)對(duì)于過(guò)程開(kāi)發(fā)或生產(chǎn)規(guī)模很大的工程，比較精確可靠的方法是在一定的試驗(yàn)基礎(chǔ)上，研究出最佳的攪拌器槳葉形式、尺寸及操作條件，再用相似模擬放大方法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。選用攪拌器原則：

1．均相液體的混合均相液體的混合，主要控制因素是容積循環(huán)速率假如對(duì)達(dá)到完全混合的時(shí)間沒(méi)有嚴(yán)格要求，任何一般類型的攪拌器都可選用，當(dāng)然，槳式攪拌器因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可優(yōu)先予以考慮，但其混合效率稍差，如果要求快速混合，則可選用推進(jìn)式或渦輪式。

2．非均相液體的混合(分散操作)

混合的目的主要是使互不相溶的濃體能良好地分散。為保證液體能分散成細(xì)滴，要求攪拌器有較大的剪切力；為保證液滴在釜內(nèi)均勻地分散，要求有較大的容積循環(huán)速率；所以非均相液體混合的主要控制因素是液滴的大小(分散度)及容積循環(huán)速率。3.固體懸浮保證團(tuán)體顆粒均勻分散和不沉降的主要控制因素是容積循環(huán)速率及湍流強(qiáng)度。根據(jù)團(tuán)體顆粒的性質(zhì)及含固量選用攪拌器。4．氣體吸收及氣液相反應(yīng)這類操作主要保證氣體進(jìn)入液體后被打散，進(jìn)而能分散成更小的氣泡并能使氣泡均勻地分散，故控制因素是局部剪切作用、容積循環(huán)速率及高轉(zhuǎn)速。5．高粘度體系由于體系的粘度很大，攪拌轉(zhuǎn)速低，物料處于層流狀態(tài)，不可能有明顯的局部剪切作用。控制因素是容積循環(huán)速率及低轉(zhuǎn)速。由于體系的粘度大，靠單一的徑向流和軸向流動(dòng)已不能適應(yīng)混合的需要，此時(shí)需要有較大的面積推動(dòng)力。1、介質(zhì)的性質(zhì)

（1）介質(zhì)的粘度隨著介質(zhì)粘度增高，各種攪拌器使用的順序是：槳葉式、推進(jìn)式、渦輪式、框式和錨式、螺桿（帶）式（2）介質(zhì)的密度（3）介質(zhì)的腐蝕性

2、反應(yīng)過(guò)程的特性

間歇操作還是連續(xù)操作；吸熱反應(yīng)還是放熱反應(yīng)；是否結(jié)晶或有固體沉淀物產(chǎn)生等。3、攪拌效果和攪拌功率的要求攪拌器的選型57