化工原理第四章攪拌

化工原理第四章攪拌第1頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月第四章攪拌Chapter4Agitationandmixing主講人：魏安建班級(jí)：化工一班第2頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月概述(Introduction)攪拌的用途：(1)使兩種或多種互溶的液體分散；(2)不互溶的液體之間的分散與混合；(3)氣體與液體的混合；(4)使固體顆粒懸浮于液體之中；(5)加速化學(xué)反應(yīng)、傳熱、傳質(zhì)等過程的進(jìn)行。攪拌可以同時(shí)達(dá)到幾個(gè)目的，例如用硫酸浸取磷礦漿制取磷酸過程中，攪拌使磷礦顆粒和生成的磷石膏晶體懸浮于液體之中，同時(shí)又加速了化學(xué)反應(yīng)、傳熱、傳質(zhì)過程的進(jìn)行。攪拌方式：機(jī)械攪拌、氣流攪拌、射流攪拌、靜態(tài)混合、管道混合等。攪拌的定義：使兩種或多種物料進(jìn)行混合的操作。第3頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月由攪拌槽，攪拌器和若干附件組成。攪拌裝置攪拌器是攪拌裝置的核心部件，由它將機(jī)械能傳遞給液體。攪拌器作用類似于泵的葉輪，通常攪拌器又稱之為葉輪。第4頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月通用尺寸及葉片端部速度：S/d=1Z=3一般5~15m/s，最大25m/s常見攪拌器類型螺旋槳式通用尺寸及葉片端部速度：S/d=1B/d=0.1Z=1-2(2指雙螺帶)外緣盡可能與釜內(nèi)壁接近螺帶式第5頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月通用尺寸及葉片端部速度：d/B=4-10Z=21.5~3m/s常見攪拌器類型槳式通用尺寸及葉片端部速度：B/d=1/12d＇/d=0.05-0.08d＇=25-50mmd＇為攪拌器外緣與釜內(nèi)壁距離0.5-1.5m/s錨式和框式第6頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)圓盤平直葉(2)圓盤彎葉(3)開啟平直葉(4)開啟彎葉常見攪拌器類型渦輪式第7頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月常見攪拌器類型軸流式(Axial-flow)液體在攪拌槽內(nèi)形成的總體流動(dòng)為軸向和切向的大循環(huán)，湍動(dòng)程度不高，適用于低粘度的互溶液體的混合、固體顆粒的懸浮以及強(qiáng)化槽內(nèi)的傳熱等。螺旋槳式：直徑小、轉(zhuǎn)速高、流量大、壓頭低。螺帶式：旋轉(zhuǎn)半徑大，攪動(dòng)范圍廣、轉(zhuǎn)速低、壓頭小，適于高粘度液體的攪拌。第8頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月常見攪拌器類型徑向流式(Radial-flow)液體在槽內(nèi)作切向和徑向的渦旋運(yùn)動(dòng)，總體流動(dòng)較復(fù)雜。適用于攪拌中等和低粘度的液體，特別適用于不互溶液體的分散、氣體和固體的溶解、液相反應(yīng)及傳熱等操作，對于易分層的物系則不適用。渦輪式：轉(zhuǎn)速高，葉片寬，與螺旋漿式比較流量小、壓頭高。平葉片漿式：葉片較長、轉(zhuǎn)速較慢，產(chǎn)生的壓頭較低?？捎糜谳^高粘度液體的攪拌。錨式和框式：旋轉(zhuǎn)半徑更大(僅略小于反應(yīng)槽的內(nèi)徑)，攪動(dòng)范圍很大，轉(zhuǎn)速更低，產(chǎn)生的壓頭更小，適用于較高粘度液體的攪拌，也常用來防止器壁產(chǎn)生沉積現(xiàn)象。第9頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月檔板、導(dǎo)流筒(Baffleanddrafttube)打旋現(xiàn)象：液體在離心力作用下涌向器壁，中心部分液面下降，形成一個(gè)大旋渦。轉(zhuǎn)速越高，形成的旋渦越深。后果：有效容積降低，且?guī)缀醪划a(chǎn)生軸向混合，攪拌效果下降。嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)負(fù)壓，從表面吸入空氣，使攪拌器不能正常操作。解決方法：在槽內(nèi)安裝檔板。過多的檔板將減少總體流動(dòng)，并把混合局限在局部區(qū)域內(nèi)，導(dǎo)致不良的混合性能。第10頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月檔板、導(dǎo)流筒(Baffleanddrafttube)

導(dǎo)流筒：引導(dǎo)液體流入和流出攪拌器的園形導(dǎo)筒?？煽刂埔后w的流向和速度，減少短路機(jī)會(huì)，提高混合效果。特別是含有固體顆粒的液體可得到均勻的懸浮。解決方法：對小容器，攪拌器偏心或偏心傾斜安裝可破壞循環(huán)回路的對稱性。第11頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月攪拌槽內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)攪拌雷諾數(shù)：流型與攪拌方式、葉輪、槽、檔板等幾何特征以及流體性質(zhì)，轉(zhuǎn)速等因素有關(guān)。對攪拌器在槽中心的攪拌：切向流、軸向流、徑向流。對混合起主要作用的是軸向流與徑向流。例如：八直葉渦輪有檔板的標(biāo)準(zhǔn)攪拌槽：1＜Re＜10，葉輪附近為滯流旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，其余部分為停滯區(qū)；Re＞10，葉端有泵出流，引起槽內(nèi)上下循環(huán)流，滯流；100＜Re<1000，過渡流，葉輪周圍液體為湍流狀態(tài)，而上下循環(huán)流仍為滯流；Re>103，整個(gè)槽內(nèi)都呈湍流。第12頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月混合機(jī)理(1)分子擴(kuò)散：在分子尺度的空間內(nèi)進(jìn)行；(2)湍流擴(kuò)散：由旋渦分裂運(yùn)動(dòng)引起，在渦旋尺度(微團(tuán))空間內(nèi)進(jìn)行。(3)主體對流擴(kuò)散：包括一切不屬于分子運(yùn)動(dòng)或渦旋運(yùn)動(dòng)所引起的擴(kuò)散過程。在大液團(tuán)空間內(nèi)進(jìn)行?？傮w流動(dòng)將液體分割成大尺度液團(tuán)(大尺度混合)；大尺度液團(tuán)在渦旋作用下變形破裂成微團(tuán)(微團(tuán)間混合)；渦旋的變形破裂增加和更新了液團(tuán)高低濃度區(qū)域之間的接觸表面，促進(jìn)了分子擴(kuò)散。要達(dá)到微團(tuán)的最終消失，即分子尺度上的完全均勻混合，只有依靠分子擴(kuò)散。多數(shù)混合過程三種機(jī)理同時(shí)存在。湍流擴(kuò)散系數(shù)約為分子擴(kuò)散系數(shù)的105~107倍，湍流攪拌中，湍流混合占主導(dǎo)作用。第13頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月均相物系的混合機(jī)理低粘度液體的混合機(jī)理：由于強(qiáng)剪切作用，大渦旋的分裂使液團(tuán)分散成小尺度旋渦。由于粘滯阻力，能量全部轉(zhuǎn)化為熱能而耗散。葉輪附近剪切力大，湍動(dòng)最為激烈，液體的混合作用主要發(fā)生在葉輪附近的混合區(qū)中。對于低粘度的互溶液體的混合，提供足夠的循環(huán)量是主要的，剪切強(qiáng)度次之。高粘度液體的混合機(jī)理：在湍流區(qū)域，葉輪效率差。在滯流區(qū)域，混合作用依賴充分的總體流動(dòng)。應(yīng)使用大直徑攪拌器，如框式、錨式和螺帶式等。第14頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月非均相物系的混合機(jī)理不互溶的液-液體系統(tǒng)一相為分散相(液滴)，另一相為連續(xù)相。葉輪附近，湍動(dòng)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。在遠(yuǎn)離葉輪區(qū)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、再分散過程不僅增加了接觸面積，更新了液滴的表面，而且也使連續(xù)相中擴(kuò)散阻力減少，強(qiáng)化了相際傳質(zhì)。在混合液中加入少量的保護(hù)膠和表面活性劑，可使液滴難于凝聚，液滴趨于均勻。第15頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月非均相物系的混合機(jī)理氣-液系統(tǒng)氣相為分散相，以氣泡的形式分散于液相之中，其分散原理與液滴相同；氣-液界面張力大于液-液界面張力，分散更加困難，氣泡的直徑大于液滴直徑；氣液密度差大，大氣泡受到的浮升力大，易溢出液體表面；氣-液攪拌器一般應(yīng)選擇產(chǎn)生強(qiáng)剪切作用的攪拌器，但對于發(fā)酵罐等生化反應(yīng)器，由于微生物細(xì)胞對剪切作用比較敏感，較強(qiáng)的剪切作用會(huì)損害微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)，因此需采用產(chǎn)生較小剪切作用的攪拌器。第16頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月非均相物系的混合機(jī)理固-液體系攪拌目的一是使固體顆粒在液體中均勻懸浮，二是降低固體顆粒表面的液膜厚度，減少擴(kuò)散阻力，加速固體顆粒的溶解以及化學(xué)反應(yīng)。懸浮臨界轉(zhuǎn)速：所有固體顆粒全部懸浮起來(流化)時(shí)的攪拌速度。它葉輪的大小和設(shè)計(jì)關(guān)系極大。實(shí)際操作中，攪拌轉(zhuǎn)速必須大于臨界轉(zhuǎn)速，保證固液兩相的接觸界面。第17頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月攪拌混合效果攪拌效果可有不同的表達(dá)方式。若為強(qiáng)化化學(xué)反應(yīng)，可用轉(zhuǎn)化率來衡量，若為傳熱與傳質(zhì)，則可用傳熱系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)的大小來衡量。I——混合指數(shù)或混合百分?jǐn)?shù)。若取n個(gè)樣品，則平均混合百分?jǐn)?shù)為CA<CA0CA>CA0設(shè)容器中有體積分別為VA和VB兩種液體，則A的平均濃度為：第18頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月攪拌功率泵出流量Q：葉輪直接排出的液體體積流量，(m3/s或m3/h)。循環(huán)量Q’：所有參與循環(huán)的液體體積流量。由于葉輪排出液流的夾帶作用，Q’>Q，有時(shí)大出幾倍。在湍流區(qū)域(Re>103)：攪拌槽內(nèi)葉輪的泵出流量、壓頭及功率湍流區(qū)：NQ與Re無關(guān)，為一常數(shù)泵出流量準(zhǔn)數(shù)NQ=Q/nd3循環(huán)流量準(zhǔn)數(shù)NQ’=Q’/nd3葉輪對單位重量液體所作的功即壓頭H。H與速度u的平方成正比，而

und，故第19頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月攪拌槽內(nèi)葉輪的泵出流量、壓頭及功率攪拌器本質(zhì)上是一個(gè)泵，任何葉輪提供的功率都會(huì)產(chǎn)生泵送流量及壓頭，其功率可表示為：N相同時(shí)，既可產(chǎn)生大流量、低壓頭，也可產(chǎn)生高壓頭、小流量；葉輪提供給液體的全部功率用于產(chǎn)生流量和壓頭；不同工藝過程對Q及H要求不一樣，例：低粘度均相液體的混合需要泵送流量大而氣-液混合需要強(qiáng)剪切作用。要功率消耗小，攪拌效果好，就應(yīng)根據(jù)工藝要求正確地配置好攪拌裝置，合理地分配功率消耗。功率相等條件下，大直徑、低轉(zhuǎn)速葉輪更多的功率消耗于總體流動(dòng)。小直徑、高轉(zhuǎn)速的葉輪更多功率消耗于湍動(dòng)。第20頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月功率關(guān)聯(lián)式及功率曲線由于攪拌槽內(nèi)液體的運(yùn)動(dòng)狀況很復(fù)雜，影響功率的因素很多。不能由理論分析法，常利用因次分析方法，通過實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)。對幾何相似的攪拌裝置，各形狀因子均為常數(shù)。P0——功率準(zhǔn)數(shù)Re——攪拌雷諾準(zhǔn)數(shù)，表征液體流動(dòng)類型Fr——弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)，表征打旋?！皹?biāo)準(zhǔn)”構(gòu)型攪拌裝置第21頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月功率關(guān)聯(lián)式及功率曲線——功率函數(shù)若將形狀因子S1,S2,．．．Sn考慮進(jìn)去，則式中k為與流態(tài)區(qū)間有關(guān)，與幾何構(gòu)型有關(guān)的常數(shù)。若攪拌器中沒有發(fā)生打旋現(xiàn)象，則不考慮Fr的影響，即y=0第22頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月功率關(guān)聯(lián)式及功率曲線將或P0與Re標(biāo)繪在雙對數(shù)坐標(biāo)上，就可得到功率曲線。對一具體幾何構(gòu)型只有一條功率曲線，與攪拌槽大小無關(guān)。第23頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月功率關(guān)聯(lián)式及功率曲線層流區(qū)：Re<10湍流區(qū)：Re>104過渡區(qū)：10＜Re<104對有檔板攪拌裝置對無檔板攪拌裝置，Re>300，由于打旋現(xiàn)象，F(xiàn)r不能忽略：、是與葉輪形式，直徑及攪拌槽直徑有關(guān)的常數(shù)，其值可查閱有關(guān)手冊。第24頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月攪拌裝置的設(shè)計(jì)(1)由工藝要求，確定攪拌器的類型及攪拌槽的幾何形狀；(2)通過小規(guī)模實(shí)驗(yàn)，確定攪拌裝置的具體幾何構(gòu)形，然后放大，確定具體尺寸、轉(zhuǎn)速和功率。攪拌裝置的放大幾何相似：全部相應(yīng)的尺寸有相同比例(幾何構(gòu)形相同)；運(yùn)動(dòng)相似：對應(yīng)點(diǎn)有相同速度比，且有相同的運(yùn)動(dòng)方向；動(dòng)力相似：對應(yīng)點(diǎn)上各種力(慣性力、流體粘滯力、表面張力和重力)的比例相等(Re、Fr、We相同)。雷諾數(shù)Re：慣性力與粘滯力之比；弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)Fr：慣性力與重力之比；韋柏準(zhǔn)數(shù)We=n3d2/

：慣性力與界面張力之比。第25頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月攪拌裝置的放大問題：如何保持幾何相似的大小兩攪拌槽中流體動(dòng)力學(xué)狀態(tài)相似(Re、Fr、We為常數(shù))？以上關(guān)系相互矛盾，即在幾何相似條件下，不可能滿足動(dòng)力相似。實(shí)踐中應(yīng)根據(jù)過程特性，設(shè)計(jì)好模型，在幾何相似的前提下，分別以某一準(zhǔn)數(shù)作為放大準(zhǔn)則來確定裝置尺寸、轉(zhuǎn)速和功率，再對過程效果及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)、修正某些幾何條件。Re相等：Fr相等：We相等：第26頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月放大準(zhǔn)則(1)保持單位體積功率消耗(N/V