化工原理 第4章 攪拌

2021/6/271第四章

攪拌

（STIRRING）4.1概述4.2攪拌設(shè)備

攪拌設(shè)備結(jié)構(gòu)（組成）

攪拌的基本流型與型態(tài)

攪拌的基本攪拌漿型

攪拌器的結(jié)構(gòu)變化攪拌模式的變化4.3攪拌功率4.4攪拌應(yīng)用實例2021/6/272(1)攪拌的定義：使兩種或多種物料進(jìn)行混合的操作。

以液體為主體的攪拌操作，常常將被攪拌物料分為液-液、氣-液、固-液、氣-液-固等四種情況。攪拌既可以是一種獨(dú)立的流體力學(xué)范疇的單元操作，以促進(jìn)混合為主要目的，如進(jìn)行液-液混合、固-液懸浮、氣-液分散、液-液分散和液-液乳化等；又往往是完成其他單元操作的必要手段，以促進(jìn)傳熱、傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)為主要目的，如在攪拌設(shè)備內(nèi)進(jìn)行流體的加熱與冷卻、萃取、吸收、溶解、結(jié)晶、聚合等操作。4.1概述

2021/6/273(2)攪拌分類：使兩種或多種互溶的液體分散液-液體系的分散與混合（萃取、金渣）氣-液體系的分散與混合(氣泡微細(xì)化、吸收、精煉)固-液體系的分散與混合(懸浮液、種分、KR脫硫等)氣-液-固系的分散與混合（碳化過程）加速化學(xué)反應(yīng)、傳熱、傳質(zhì)等過程的進(jìn)行。攪拌可以同時達(dá)到幾個目的，例如用氧化鋁種分過程中，攪拌使氫氧化鋁精種顆粒和生成的氫氧化鋁晶體懸浮于液體之中，同時又加速了化學(xué)反應(yīng)、傳熱、傳質(zhì)過程的進(jìn)行。

2021/6/274使物料混合均勻強(qiáng)化傳熱、傳質(zhì)使氣體在液相中很好地分散使固體粒子（如催化劑）在液相中均勻地懸浮使不相溶的另一液相均勻懸浮強(qiáng)化相間的傳質(zhì)（如吸收等）強(qiáng)化傳熱(3)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。(4)攪拌的作用：2021/6/275槽體---通常為圓筒形，底有平的、橢圓的，錐形底和方槽因不利于流動不大采用。攪拌槳---核心部件驅(qū)動裝置---通常由交流電機(jī)、齒輪減速機(jī)或皮帶輪減速裝置構(gòu)成，使攪拌槳達(dá)到規(guī)定的轉(zhuǎn)速。內(nèi)部構(gòu)件---擋板或?qū)Я魍矆D4.1攪拌設(shè)備結(jié)構(gòu)圖4.2攪拌設(shè)備

4.2.1攪拌設(shè)備結(jié)構(gòu)2021/6/276自強(qiáng)不息知行合一軸向流(Axial-flow)

液體在攪拌槽內(nèi)形成的總體流動為軸向和切向的大循環(huán)，湍動程度不高，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，攪動范圍廣、轉(zhuǎn)速低、壓頭小，適于高粘度液體的攪拌。4.2.2攪拌的基本流型與型態(tài)4.2軸向流2021/6/277自強(qiáng)不息知行合一徑向流(Radial-flow)液體在槽內(nèi)作切向和徑向的渦旋運(yùn)動，總體流動較復(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。4.3徑向流2021/6/278切向流(

Tangentialflow)

液體在離心力作用下涌向器壁，中心部分液面下降，形成一個大旋渦。轉(zhuǎn)速越高，形成的旋渦越深。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，并把混合局限在局部區(qū)域內(nèi)，導(dǎo)致不良的混合性能。4.4切向流2021/6/279攪拌槽內(nèi)流體流動型態(tài)流動型態(tài)判定參數(shù)：攪拌雷諾數(shù)D---攪葉輪直徑，m；

、

----物料密度kg/m3、黏度kg/m

s；n---攪拌槳轉(zhuǎn)速，1/s。式中：nD--槳葉的葉端速度例如：標(biāo)準(zhǔn)六直葉渦輪槳Re＜10層流Re＞104湍流10＜Re＜104過渡流----層流、湍流2021/6/27104.2.3攪拌的基本攪拌漿型2021/6/27112021/6/2712擋板：為了防止打旋現(xiàn)象的出現(xiàn)和加強(qiáng)湍流程度，在槽內(nèi)安裝檔板。過多的檔板將減少總體流動，并把混合局限在局部區(qū)域內(nèi)，導(dǎo)致不良的混合性能。4.2.4檔板、導(dǎo)流筒導(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，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。2021/6/27134.2.4基本攪拌模式的變化在無擋板槽中，攪拌槳偏心安裝可以有效地進(jìn)行攪拌。2021/6/2714自強(qiáng)不息知行合一泵出流量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，有時大出幾倍。

在湍流區(qū)域

(Re>103)：4.3.1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

u

nd，故4.3攪拌功率

2021/6/2715自強(qiáng)不息知行合一攪拌器本質(zhì)上是一個泵，任何葉輪提供的功率都會產(chǎn)生泵送流量及壓頭，其功率可表示為：N相同時，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。小直徑、高轉(zhuǎn)速的葉輪更多功率消耗于湍動。2021/6/2716自強(qiáng)不息知行合一4.3.2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，通過實驗關(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2021/6/2717自強(qiáng)不息知行合一——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=02021/6/2718自強(qiáng)不息知行合一將

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)。Betas的Np-Re關(guān)系曲線四葉折葉渦輪的Np-Re關(guān)系曲線Np2021/6/2719自強(qiáng)不息知行合一層流區(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。2021/6/2720自強(qiáng)不息知行合一4.4攪拌裝置的放大

(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)模實驗，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。4.4.1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)動相似：對應(yīng)點有相同速度比，且有相同的運(yùn)動方向；動力相似：對應(yīng)點上各種力(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。2021/6/2721自強(qiáng)不息知行合一問題：如何保持幾何相似的大小兩攪拌槽中流體動力學(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，不可能滿足動力相似。實踐中應(yīng)根據(jù)過程特性，設(shè)計好模型，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)行綜合評價、修正某些幾何條件。Re相等：Fr相等：We相等：2021/6/2722自強(qiáng)不息知行合一4.4.2放大準(zhǔn)則

(1)保持單位體積功率消耗(N/V)

相等用于流體物性不變，放大比不太大，攪拌效果主要依賴于流體的湍動強(qiáng)度的情況。在充分湍流區(qū)(2)保持葉端速度不變對幾何相似系統(tǒng)即保持單位體積功耗的葉輪扭矩相等。適用于需要較高(H/Q)的操作。(3)保持雷諾數(shù)Re不變2021/6/2723自強(qiáng)不息知行合一(4)保持弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)Fr不變(5)保持韋伯準(zhǔn)數(shù)We不變

攪拌裝置的放大過程非常復(fù)雜，應(yīng)根據(jù)具體工藝條件的要求，選定合適的放大準(zhǔn)則，以便得到較為理想的放大效果。2021/6/2724某生物堿提取生產(chǎn)過程中需要用到的攪拌器，已在符合典型結(jié)構(gòu)（有擋板）的模型試驗中取得滿意的結(jié)果；攪拌槽直徑T＝0.225m，而生產(chǎn)規(guī)模T’=2.7m。為進(jìn)行逐級放大試驗，分別又建造了兩個較上一級模型為大的典型構(gòu)型攪拌槽，用同樣的料液進(jìn)行實驗，其尺寸及達(dá)到同樣工藝效果時的轉(zhuǎn)速見表。求生產(chǎn)裝置設(shè)定的轉(zhuǎn)速。攪拌槽號槽徑/T葉輪直徑/m轉(zhuǎn)速/r.min-11230.2250.450.900.0750.150.301275632320例題4-12021/6/2725解：為了找出在放大中保持?jǐn)?shù)值恒定的放大判據(jù)，對提出的五個判據(jù)用實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，因有擋板，故可不考慮Fr準(zhǔn)數(shù)，對余下的四個判據(jù)的分析如下攪拌槽號D2nDn2DnD2n31237.214.228.812.2×1045.99×1043.07×10495.694.896.011.7×1065.68×1062.95×106可見，Dn不變，即應(yīng)保持葉輪末端的切線速度不變，故在生產(chǎn)中直徑為2.7m時，對符合標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)型的攪拌器，其直徑

d=2.7/3=0.9(m)這時，葉輪轉(zhuǎn)速應(yīng)為：n’=nD/D’=1275×0.075÷0.9=106(r/min)2021/6/2726自強(qiáng)不息知行合一操作目的攪拌物系攪拌效果表示法均勻混合調(diào)和均相互溶液系混合時間θM或NΘM=N*θM非均相分散液-液相系均勻分散（乳化）時間θM；分散相液滴的比界面積a，或滴徑分布，或平均滴徑d32氣-液相系均勻分散時間θM；氣泡的比界面積a，或氣泡的平均直徑dB和氣泡直徑分布固-液相系懸浮狀態(tài)，懸浮臨界轉(zhuǎn)速Nc；懸浮固-液濃度或比表面積a非均相傳質(zhì)溶解（固-液相系）溶解速度或平均溶解速度以固體粒表面積為基準(zhǔn)的液膜傳質(zhì)系數(shù)kc，總傳質(zhì)系數(shù)K萃取（液-液相系）萃取速度，萃取效率，液滴比表面積a；總?cè)莘e傳質(zhì)系數(shù)Kv或液滴內(nèi)（外）表面為基準(zhǔn)的液膜傳質(zhì)系數(shù)kCd吸收（氣-液相系）吸收速度，氣泡比表面積a總?cè)莘e吸收系數(shù)Kv，膜傳質(zhì)系數(shù)kg，k1傳熱固-液相系傳熱速度Q（kJ/h）,單位容積傳熱速率Qv(kJ/m3.h)液膜傳熱系數(shù)αL，總傳熱系數(shù)K4.5攪拌應(yīng)用實例

4.5.1操作目的和攪拌效果表示法2021/6/27274.5.2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。2021/6/2728

不同轉(zhuǎn)速對液體示蹤劑分散效果的影響圖液體示蹤劑，我們用的是植物油，密度0.93g/cm3。1.轉(zhuǎn)速越高分散效果越好，并且油滴的尺寸越小，分散區(qū)域也越廣；2.液態(tài)示蹤劑聚集于槽內(nèi)上半部

5070100120150170液體示蹤劑實驗2021/6/2729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。4.5.3氣-液系統(tǒng)2021/6/2730自強(qiáng)不息知行合一圖4.22脫硫率隨氣泡直徑的變化曲線（S=20ppm）隨著氣泡尺寸的減小脫硫率顯著提高鐵水包數(shù)值模擬預(yù)測流場跡線，尋找氣泡微細(xì)化的根源氣-液機(jī)械攪拌實例——脫硫背景下的氣泡微細(xì)化研究圖4.23物理模擬實驗裝置簡圖物理模擬實驗水模型實驗用攪拌槳2021/6/2731中心攪拌偏心攪拌中心攪拌與偏心攪拌氣泡細(xì)化與分散的靜態(tài)圖（100rpm）2021/6/2732圖4.25不同攪拌模式下的熔池內(nèi)部的氣泡分散狀態(tài)圖不同攪拌模式下熔池內(nèi)部的氣泡分散狀態(tài)實驗條件：四槳葉攪拌槳，攪拌槳直徑22cm，轉(zhuǎn)速100rpm，氣體流量2.5m3/h，攪拌槳浸入深度28cm中心單向攪拌中心間歇攪拌轉(zhuǎn)3s，停0.5s中心雙向攪拌正轉(zhuǎn)3s，反轉(zhuǎn)3s偏心單向攪拌2021/6/2733自強(qiáng)不息知行合一脫硫率隨氣泡直徑的變化曲線（S=20ppm）隨著氣泡尺寸的減小脫硫率顯著提高鐵水包數(shù)值模擬預(yù)測流場跡線，尋找氣泡微細(xì)化的根源脫硫背景下的氣泡微細(xì)化研究水模型實驗用攪拌槳水模型實驗2021/6/2734自強(qiáng)不息知行合一圖4.26中心攪拌與偏心攪拌的模擬流場跡線圖（100rpm）

熔池內(nèi)流場跡線圖中心攪拌偏心攪拌2021/6/2735

300t鐵水包內(nèi)中心攪拌與偏心攪拌的模擬流場跡線圖（100rpm）

脫硫背景下的氣泡微細(xì)化研究2021/6/2736自強(qiáng)不息知行合一研究屬湍流（低粘流體）研究，故代表性的選取DT-6槳（徑向槳）和CBY槳（軸向槳）兩種槳型

（a）DT-6槳（b）CBY槳圖4.27兩種槳型外觀圖無導(dǎo)流桶，CBY在上無導(dǎo)流桶，CBY在下氣-液體系雙層槳攪拌研究2021/6/2737火法煉銅中的氧氣底吹熔煉是一種熔池熔煉技術(shù)，原料從底吹爐頂部加入，高壓富氧空氣以近音速從底部氧槍口射流噴出，與熔池作用形成細(xì)小的氣泡，推動高溫熔體向上和兩側(cè)循環(huán)翻滾，并使熔體與氣泡之間充分接觸混合。該方法具有更為優(yōu)越的傳質(zhì)、傳熱功能，噴入氧氣得到極高的利用率。圖4.28底吹射流熔池內(nèi)部流場跡線圖

氣-液體系氣體攪拌(射流)研究圖4.29氧氣底吹熔煉爐水模型及所用到的噴嘴

2021/6/2738圖4.30底吹爐水模型不同直徑噴嘴的射流噴吹不同直徑噴嘴的射流噴吹直徑2.5mm直徑3.0mm直徑3.5mm直徑4.0mm直徑4.5mm2021/6/27391倍聲速1.3倍聲速1.6倍聲速圖4.31底吹爐水模型不同速度的射流噴吹不同速度的射流噴吹2021/6/2740底吹爐水模型雙噴嘴14°夾角對稱噴吹射流實例2021/6/2741自強(qiáng)不息知行合一4.5.4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)時的攪拌速度。它葉輪的大小和設(shè)計關(guān)系極大。實際操作中，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。2021/6/2742種分槽的機(jī)械攪拌物理水模型實驗裝置圖數(shù)值模擬幾何模型示意圖晶種分解過程是精制的過飽和鋁酸鈉溶液在添加氫氧化鋁晶種、降低分解度和不斷攪拌的條件下分解析出Al(OH)3的過程，簡稱種分過程。它是拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的關(guān)鍵工序之一，它不僅影響產(chǎn)品氧化鋁的數(shù)量和質(zhì)量，而且直接影循環(huán)效率及其它工序。它的目的是為了得到質(zhì)量良好的氫氧化鋁和分子比值較高的種分母液，以提高拜耳法的循環(huán)效率。2021/6/2743

標(biāo)準(zhǔn)Intermig槳改進(jìn)Intermig槳

圖標(biāo)準(zhǔn)和改進(jìn)Intermig槳結(jié)構(gòu)Intermig槳由主槳葉和副槳葉組成，副槳葉為雙層。其特點是當(dāng)攪拌器旋轉(zhuǎn)時，槳葉的根部和端部分別把流體向相反方向推進(jìn)，促進(jìn)流體形成軸向循環(huán)。屬于混流式攪拌器。改進(jìn)后Intermig槳主槳葉向下傾斜一定角度，同時下層副槳葉也有所加長，改進(jìn)后混合效果大大提高2021/6/2744攪拌槽內(nèi)固-液懸浮狀態(tài)主要考慮兩種狀態(tài)：臨界離底懸浮狀態(tài)：通常指槽底部固體顆粒都處于運(yùn)動狀態(tài),顆粒在槽底的停留時間不超過1~2秒。達(dá)到這一固體顆粒臨界離底懸浮狀態(tài)的轉(zhuǎn)速為Njs。均勻懸浮狀態(tài):由于