1、2022年12月24日星期六第五章 搅拌聚合釜内 流体的流动与混合2022年12月24日星期六机械搅拌式机械搅拌式反应器反应器n第一节第一节 概概 述述2022年12月24日星期六机机械械搅搅拌拌反反应应器器2022年12月24日星期六2022年12月24日星期六2022年12月24日星期六2022年12月24日星期六接管等）（支座、人孔、手孔、其它结构传动装置密封装置搅拌器搅拌轴搅拌机内构件换热元件筒体搅拌容器总体结构2022年12月24日星期六搅拌器的分类搅拌器的分类按流体流动形态按流体流动形态轴向流搅拌器轴向流搅拌器径向流搅拌器径向流搅拌器混合流搅拌器混合流搅拌器按搅拌器叶片结构按搅拌器
2、叶片结构平叶平叶折叶折叶螺旋面叶螺旋面叶按搅拌用途按搅拌用途低粘流体用搅拌器低粘流体用搅拌器高粘流体用搅拌器高粘流体用搅拌器2022年12月24日星期六搅拌器的主要用途：搅拌器的主要用途：混合：混合：使两种或多种互溶或不互溶液体技工艺要求 混合均匀，如溶液、悬浮液、乳化等的配制。搅拌：搅拌：使物料强烈地流动，以提高传热、传质速率 悬浮悬浮：使小固体颗粒在液体中均匀悬浮、防止沉降等。以达到加速溶解、分散：分散：则使气体、液体在流体中充分分散成细小的气泡或液滴，增加接触面，促进传质或化学反应，并满足聚合物对粒度的要求。2022年12月24日星期六n 搅拌反应器应具有的要求搅拌反应器应具有的要求：(
3、1)推动液体流动，混匀物料。(2)产生剪切力，分散物料，并使之悬浮。(3)增加流体的湍动，以提高传热速率。(4)在高粘体系，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，增大物质的传递速率。2022年12月24日星期六 由于体系的粘度很大，搅拌转速低，物料处于层流状态，不可能有明显的局部剪切作用。控制因素是容积循环速率及低转速。由于体系的粘度大，靠单一的径向流和轴向流动已不能适应混合的需要，此时需要有较大的面积推动力。随着粘度的增大可依次选用下列搅拌器。推进式、锚式、螺杆、螺带、特殊型高粘度搅拌器。高粘度体系高粘度体系2022年12月24日星期六2022年12月24日星期六 a-
4、锚式锚式 bc-框式框式 d-螺带式螺带式2022年12月24日星期六 搅拌器的功能搅拌器的功能提供工艺过程需要的能量和适宜的流动状态提供工艺过程需要的能量和适宜的流动状态1、通过自身的旋转、通过自身的旋转把机械能传递给流体，把机械能传递给流体，形成桨叶附近高湍流形成桨叶附近高湍流充分混合区。充分混合区。2、推动流体沿一定、推动流体沿一定的路径在釜内循环流动，的路径在釜内循环流动，形成不同的形成不同的“流型流型”2022年12月24日星期六2022年12月24日星期六n第二节第二节 搅拌釜内流体的流动状况搅拌釜内流体的流动状况 流体的流动状况，简称流况，可以定义为“在整个搅拌容器中流体速度向量
5、的方向”。在搅拌釜中流体的流况可以分为两个层次：宏观状况与微观状况，它们对搅拌效果起着不同的作用。2022年12月24日星期六n宏观状况流动也称为宏观流动，而微观状况流动则称为微观流动。宏观流动宏观流动是指流体以大尺寸(凝集流体、气泡、液滴)在大范围(整个釜内空间)流动状况，所以也称循环流动。循环流动存在三种典型的流况，径向流动、轴向流动、切线流动 2022年12月24日星期六搅拌器的流型搅拌器的流型轴向流轴向流液体轴向流入，轴向流出液体轴向流入，轴向流出 特点：搅拌器叶片与旋转平面夹角小于特点：搅拌器叶片与旋转平面夹角小于90 如：折叶桨、推进式搅拌器如：折叶桨、推进式搅拌器径向流径向流液体
6、轴向流入，径向流出液体轴向流入，径向流出 特点：搅拌器叶片与旋转平面夹角等于特点：搅拌器叶片与旋转平面夹角等于90 如：平桨搅拌器如：平桨搅拌器切向流切向流物料粘度较低而搅拌器旋转速度较高时，液物料粘度较低而搅拌器旋转速度较高时，液体围绕搅拌轴体围绕搅拌轴 作旋转运动。作旋转运动。发生旋转运动的区域称为发生旋转运动的区域称为“圆柱状回转区圆柱状回转区”为消除圆柱状回转区，通常在釜内设置挡板。为消除圆柱状回转区，通常在釜内设置挡板。2022年12月24日星期六2022年12月24日星期六2022年12月24日星期六 微观流动微观流动是指流体以小尺寸(小气泡、液滴分散成更小的液滴)在小范围(气泡、
7、液滴大小的空间)中的湍动状况。微观流动是由于搅拌桨的剪切作用而引起的局部混合作用，它促使气泡、液滴的细微化最后由于分子扩散达到微观混合。微观流动的作用促使局部混合及异相表面更新，对促进传热、传质、分散微粒也有利。在搅拌桨叶叶端附近及挡板处是微观流动作用最强烈处。微观流动也称剪切流动，它促使液体细微化达到分散作用。2022年12月24日星期六n搅拌雷诺数与流态搅拌雷诺数与流态 在搅拌釜内，常以桨叶的端速ND作为定性速度，所以搅拌雷诺数定义为：搅拌雷诺数不仅决定搅拌釜内流体流动的 流态(层流、过渡流、湍流)，而且对搅拌器的特性和行为也有决定性作用。2022年12月24日星期六nA区间区间(NRe1
8、0)液体仅在桨叶附近呈滞流旋液体仅在桨叶附近呈滞流旋转流动，桨叶无液体吐出，釜内的其余部分为转流动，桨叶无液体吐出，釜内的其余部分为液体停滞区液体停滞区(即死角即死角)。nB区间区间(NRel0)当雷诺数达数十时，自桨叶当雷诺数达数十时，自桨叶端开始有吐出流产生，并引起整个釜内流体的端开始有吐出流产生，并引起整个釜内流体的上下循环流动上下循环流动(可能尚存在四周死角可能尚存在四周死角)，此时处，此时处于层流。于层流。2022年12月24日星期六nC区间区间(NRe l001000)此时处于过渡流态，此时处于过渡流态，即在桨叶周围液体为湍流状态，上下循环流即在桨叶周围液体为湍流状态，上下循环流动
9、为滞流，随雷诺数增大，其湍动程度增大。动为滞流，随雷诺数增大，其湍动程度增大。nD区间区间(NRe1000)整个釜内的上下循环流整个釜内的上下循环流动都处于湍流状态。动都处于湍流状态。无挡板时会引起旋涡无挡板时会引起旋涡,有挡板时整釜会处于湍流状态。有挡板时整釜会处于湍流状态。当桨叶直径当桨叶直径D与釜径与釜径T之比之比DT0.1时，釜内流体虽为时，釜内流体虽为湍流状态，但上下循环流不会遍及整个釜内，湍流状态，但上下循环流不会遍及整个釜内，易出现死角。易出现死角。2022年12月24日星期六n搅拌桨叶的动力特性、循环特性、混合特性，搅拌桨叶的动力特性、循环特性、混合特性，分别用无因次准数表示。
10、分别用无因次准数表示。2022年12月24日星期六n挡板与导流筒挡板与导流筒 1挡板挡板 当流体粘度不大，搅拌转速较高，而且桨叶当流体粘度不大，搅拌转速较高，而且桨叶放在釜的中心线时，液体将随着桨叶旋转的放在釜的中心线时，液体将随着桨叶旋转的方向循着釜壁滑动，釜内液体在离心力作用方向循着釜壁滑动，釜内液体在离心力作用下涌向釜壁，使液面沿袭壁上升，中心部分下涌向釜壁，使液面沿袭壁上升，中心部分的液面下降，形成一个漩涡，通常称的液面下降，形成一个漩涡，通常称打漩现打漩现象象。2022年12月24日星期六2022年12月24日星期六n打漩现象消除措施打漩现象消除措施：a.搅拌轴偏心安装时，能减弱游涡
11、，提 高轴向循环速率;b.在釜内安装挡板可有效的消除游涡2022年12月24日星期六 挡板挡板 挡板的作用是避免旋挡板的作用是避免旋 涡现象，增大被搅拌液体涡现象，增大被搅拌液体 的湍流程度，将切向流动的湍流程度，将切向流动 变为轴向和径向流动，强变为轴向和径向流动，强 化反应器内液体的对流和化反应器内液体的对流和 扩散，改善搅拌效果。扩散，改善搅拌效果。搅拌反应器的挡板结构搅拌反应器的挡板结构2022年12月24日星期六可有效地防止粘滞可有效地防止粘滞液体在挡板处形成液体在挡板处形成死角，以防止固体死角，以防止固体颗粒的堆积颗粒的堆积。在高粘度物料中使用在高粘度物料中使用桨式搅拌器时，可安桨
12、式搅拌器时，可安装横挡板以增加掺合装横挡板以增加掺合作用，挡板宽度可与作用，挡板宽度可与搅拌叶同搅拌叶同宽。宽。2022年12月24日星期六2022年12月24日星期六n2导流筒导流筒 设置导流筒，既可提高釜内流体的搅拌设置导流筒，既可提高釜内流体的搅拌程度，加强桨叶对流体的直接剪切作用，程度，加强桨叶对流体的直接剪切作用，同时又造成一定的循环流型，使釜内所有同时又造成一定的循环流型，使釜内所有物料均可通过导流筒内的强烈混合区，提物料均可通过导流筒内的强烈混合区，提高混合效率。另外由于限定了循环路径，高混合效率。另外由于限定了循环路径，减少了短路机会。减少了短路机会。2022年12月24日星期
13、六2022年12月24日星期六 导流筒的作用导流筒的作用 导流筒导流筒作用作用-提高混合效率提高混合效率 一方面提高了对液体的搅拌程度，加强了搅一方面提高了对液体的搅拌程度，加强了搅拌器对液体的直接机械剪切作用；另一方面由于拌器对液体的直接机械剪切作用；另一方面由于限定了液体的循环路径，确立了充分循环的流型，限定了液体的循环路径，确立了充分循环的流型，使器内所有物料均能通过导流筒内的强烈混合区，使器内所有物料均能通过导流筒内的强烈混合区，减少了走短路的机会。减少了走短路的机会。导流筒的组成导流筒的组成 导流筒是一个圆筒，安装在搅拌器的导流筒是一个圆筒，安装在搅拌器的外面。常用于推进式和涡轮式搅
14、拌器。外面。常用于推进式和涡轮式搅拌器。2022年12月24日星期六导流筒导流筒2022年12月24日星期六n第三节第三节 搅拌器的构形及选择搅拌器的构形搅拌器的构形及选择搅拌器的构形 搅拌器是实现搅拌操作的设备总称，从不搅拌器是实现搅拌操作的设备总称，从不同角度，可有不同的分类方法。同角度，可有不同的分类方法。1按桨叶构形可分为桨式、涡轮式、推进按桨叶构形可分为桨式、涡轮式、推进式、螺杆式、螺杆(螺轴螺轴)和螺带式等；和螺带式等；2按物料流动的流况，可分为径向流动和按物料流动的流况，可分为径向流动和轴向流动；轴向流动；3按搅拌任务，又可分为液体混合或乳化、按搅拌任务，又可分为液体混合或乳化、
15、固体颗粒悬浮、气固体颗粒悬浮、气掖接触、化学反应、掖接触、化学反应、传热等。传热等。2022年12月24日星期六桨式搅拌器桨式搅拌器 由桨叶、键、轴环、竖轴所组成。桨叶一般用扁钢或不锈钢或有色金属由桨叶、键、轴环、竖轴所组成。桨叶一般用扁钢或不锈钢或有色金属制造。桨式搅拌器的转速较低，一般为制造。桨式搅拌器的转速较低，一般为202080r80rminmin。桨式搅拌器直径取。桨式搅拌器直径取反应釜内径反应釜内径Di/3Di/32/32/3，桨叶不宜过长，当反应釜直径很大时采用两个或，桨叶不宜过长，当反应釜直径很大时采用两个或多个桨叶。多个桨叶。桨式搅拌器桨式搅拌器适用于适用于流动性大、粘度小的
16、流动性大、粘度小的液体物料，液体物料，也适用于也适用于纤维状和结晶状的溶纤维状和结晶状的溶解液，物料层很深时解液，物料层很深时可在轴上装置数排桨可在轴上装置数排桨叶。叶。2022年12月24日星期六1、式搅拌器主要用于流体的循环，、式搅拌器主要用于流体的循环，不能用于气液分散操作。不能用于气液分散操作。2、折叶式比平直叶式功耗少，操、折叶式比平直叶式功耗少，操 作费用低，故折叶桨使用较多。作费用低，故折叶桨使用较多。桨式搅拌器桨式搅拌器2022年12月24日星期六涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器分为圆盘涡轮涡轮式搅拌器分为圆盘涡轮搅拌器和开启涡轮搅拌器；搅拌器和开启涡轮搅拌器；按照叶轮又可
17、分为平直叶和按照叶轮又可分为平直叶和弯曲叶。涡轮搅拌器速度较弯曲叶。涡轮搅拌器速度较大，大，300300600r600rminmin。涡轮搅拌器的主要优点是当涡轮搅拌器的主要优点是当能量消耗不大时，搅拌效率能量消耗不大时，搅拌效率较高，搅拌产生很强的径向较高，搅拌产生很强的径向流。因此它流。因此它适用于乳浊液、适用于乳浊液、悬浮液等。悬浮液等。2022年12月24日星期六涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器（透平式叶轮）（透平式叶轮）2022年12月24日星期六1、适用物料粘度、适用物料粘度范围广。范围广。2、剪切力较大，分、剪切力较大，分散流体的效果好。散流体的效果好。3、直叶和弯叶涡轮、直叶和弯叶涡轮
18、搅拌器主要产生径搅拌器主要产生径向流，折叶涡轮搅拌向流，折叶涡轮搅拌器主要产生轴向流。器主要产生轴向流。2022年12月24日星期六 推进式搅拌器推进式搅拌器 推进式搅拌器，搅拌时能使物推进式搅拌器，搅拌时能使物料在反应釜内循环流动，所起料在反应釜内循环流动，所起作用以容积循环为主，剪切作作用以容积循环为主，剪切作用较小，用较小，上下翻腾效果良好上下翻腾效果良好。当需要有更大的流速时，反应当需要有更大的流速时，反应釜内设有导流筒。釜内设有导流筒。推进式搅拌器直径约取反应釜推进式搅拌器直径约取反应釜内径内径DiDi的的1/41/41/31/3，300300600r600rminmin，搅拌器的材
19、料常用铸铁，搅拌器的材料常用铸铁和铸钢。和铸钢。2022年12月24日星期六推进式搅拌器推进式搅拌器2022年12月24日星期六推进式搅拌器的特点推进式搅拌器的特点轴向流搅拌器轴向流搅拌器常用于低粘流体的搅拌常用于低粘流体的搅拌结构简单、制造方便结构简单、制造方便循环量大，搅拌功率小循环量大，搅拌功率小2022年12月24日星期六螺带式搅拌器和螺杆式搅拌螺带式搅拌器和螺杆式搅拌器器螺带式搅拌器，常用扁钢按螺螺带式搅拌器，常用扁钢按螺旋形绕成，直径较大，常做成旋形绕成，直径较大，常做成几条紧贴釜内壁，与釜壁的间几条紧贴釜内壁，与釜壁的间隙很小，所以搅拌时能不断地隙很小，所以搅拌时能不断地将粘于釜
20、壁的沉积物刮下来。将粘于釜壁的沉积物刮下来。螺带的高度通常取罐底至液面螺带的高度通常取罐底至液面的高度。的高度。螺带式搅拌器和螺杆式搅螺带式搅拌器和螺杆式搅拌器的转速都较低，通常不超拌器的转速都较低，通常不超过过50r/min50r/min，产生以上下循环，产生以上下循环流为主的流动，流为主的流动，主要用于高粘主要用于高粘度液体的搅拌。度液体的搅拌。2022年12月24日星期六螺杆式搅拌器螺杆式搅拌器螺带式搅拌器螺带式搅拌器2022年12月24日星期六框式和锚式搅拌器框式和锚式搅拌器 框式搅拌器可视为桨式搅拌器的变形，其结构比较坚固，搅动物料量大。如果这类搅拌器底部形状和反应釜下封头形状相似时
21、，通常称为锚式搅拌器。框式搅拌器直径较大，一般取反应器内径的2/39/10，5070rmin。框式搅拌器与釜壁间隙较小，有利于传热过程的进行，快速旋转时，搅拌器叶片所带动的液体把静止层从反应釜壁上带下来；慢速旋转时，有刮板的搅拌器能产生良好的热传导。这类搅拌器常用于传热、常用于传热、晶析操作和高粘度液体、高浓度淤浆和沉降性淤浆的搅晶析操作和高粘度液体、高浓度淤浆和沉降性淤浆的搅拌拌。2022年12月24日星期六锚式搅拌器锚式搅拌器2022年12月24日星期六框式搅拌器框式搅拌器2022年12月24日星期六锚式和框式搅拌器特点锚式和框式搅拌器特点1、结构简单，制造方便。、结构简单，制造方便。2、
22、适用于粘度大、处理量大的物料。、适用于粘度大、处理量大的物料。3、易得到大的表面传热系数。、易得到大的表面传热系数。4、可减少、可减少“挂壁挂壁”的产生。的产生。2022年12月24日星期六二、搅拌器的选用二、搅拌器的选用 n 搅拌器选用应满足下列要求搅拌器选用应满足下列要求：(1)保证物料的混合，保证物料的混合，(2)消耗最少的功率，消耗最少的功率，(3)所需费用最低，所需费用最低，(4)操作方便，易于制造和维修。操作方便，易于制造和维修。2022年12月24日星期六n选用搅拌器时一般考虑方法为选用搅拌器时一般考虑方法为：(1)假如生产上对搅拌没有特殊要求，则可参照生产假如生产上对搅拌没有特
23、殊要求，则可参照生产时所使用的类似搅拌器经验地时所使用的类似搅拌器经验地选定。选定。(2)当生产过程对搅拌有严格的要求，且又无类似过当生产过程对搅拌有严格的要求，且又无类似过程的搅拌型式可供参考，则应对设备，工艺过程的操程的搅拌型式可供参考，则应对设备，工艺过程的操作类别，搅拌的要求及经济性作全面的分析评价，找作类别，搅拌的要求及经济性作全面的分析评价，找到操作的主要控制因素，然后选择相适应的搅拌器型到操作的主要控制因素，然后选择相适应的搅拌器型式。式。(3)对于过程开发或生产规模很大的工程，比较精确对于过程开发或生产规模很大的工程，比较精确可靠的方法是在一定的试验基础上，研究出最佳的搅可靠的
24、方法是在一定的试验基础上，研究出最佳的搅拌器桨叶形式、尺寸及操作条件，再用相似模拟放大拌器桨叶形式、尺寸及操作条件，再用相似模拟放大方法进行设计计算。方法进行设计计算。2022年12月24日星期六n选用搅拌器原则：选用搅拌器原则：1均相液体的混合均相液体的混合 均相液体的混合，主要控制因素是容积均相液体的混合，主要控制因素是容积循环速率假如对达到完全混合的时间没有循环速率假如对达到完全混合的时间没有严格要求，任何一般类型的搅拌器都可选严格要求，任何一般类型的搅拌器都可选用，当然，桨式搅拌器因结构简单可优先用，当然，桨式搅拌器因结构简单可优先予以考虑，但其混合效率稍差，如果要求予以考虑，但其混合
25、效率稍差，如果要求快速混合，则可选用推进式或涡轮式。快速混合，则可选用推进式或涡轮式。2022年12月24日星期六2非均相液体的混合非均相液体的混合(分散操作分散操作)混合的目的主要是使互不相溶的浓体能混合的目的主要是使互不相溶的浓体能良好地分散。为保证液体能分散成细滴，良好地分散。为保证液体能分散成细滴，要求搅拌器有较大的剪切力；为保证液滴要求搅拌器有较大的剪切力；为保证液滴在釜内均匀地分散，要求有较大的容积循在釜内均匀地分散，要求有较大的容积循环速率；所以非均相液体混合的主要控制环速率；所以非均相液体混合的主要控制因素是液滴的大小因素是液滴的大小(分散度分散度)及容积循环速率。及容积循环速
26、率。2022年12月24日星期六3.固体悬浮固体悬浮 保证团体颗粒均匀分散和不沉降的主要保证团体颗粒均匀分散和不沉降的主要控制因素是容积循环速率及湍流强度。根控制因素是容积循环速率及湍流强度。根据团体颗粒的性质及含固量选用搅拌器。据团体颗粒的性质及含固量选用搅拌器。4气体吸收及气液相反应气体吸收及气液相反应 这类操作主要保证气体进入液体后被打这类操作主要保证气体进入液体后被打散，进而能分散成更小的气泡并能使气泡散，进而能分散成更小的气泡并能使气泡均匀地分散，故控制因素是局部剪切作用、均匀地分散，故控制因素是局部剪切作用、容积循环速率及高转速。容积循环速率及高转速。2022年12月24日星期六n
27、5高粘度体系高粘度体系 由于体系的粘度很大，搅拌转速低，物由于体系的粘度很大，搅拌转速低，物料处于层流状态，不可能有明显的局部剪料处于层流状态，不可能有明显的局部剪切作用。控制因素是容积循环速率及低转切作用。控制因素是容积循环速率及低转速。速。由于体系的粘度大，靠单一的径向流由于体系的粘度大，靠单一的径向流和轴向流动已不能适应混合的需要，此时和轴向流动已不能适应混合的需要，此时需要有较大的面积推动力。需要有较大的面积推动力。2022年12月24日星期六 1、介质的性质、介质的性质 （1）介质的粘度）介质的粘度 随着介质粘度增高，各种搅拌器使用的顺序是：桨叶式、推随着介质粘度增高，各种搅拌器使用
28、的顺序是：桨叶式、推进式、涡轮式、框式和锚式、螺杆（带）式进式、涡轮式、框式和锚式、螺杆（带）式 （2）介质的密度）介质的密度 （3）介质的腐蚀性）介质的腐蚀性 2、反应过程的特性、反应过程的特性 间歇操作还是连续操作；吸热反应还是放热反应；是否结晶间歇操作还是连续操作；吸热反应还是放热反应；是否结晶或有固体沉淀物产生等。或有固体沉淀物产生等。3、搅拌效果和搅拌功率的要求、搅拌效果和搅拌功率的要求搅拌器的选型搅拌器的选型2022年12月24日星期六 搅拌器的选型搅拌器的选型 主要根据物料性质、搅拌目的及各种搅拌物料性质、搅拌目的及各种搅拌器的性能特征器的性能特征来进行。按物料粘度选型按物料粘度
29、选型 对于低粘度液体，应选用小直径、高转速搅拌器，如推进式、涡轮式；对于高粘度液体，就选用大直径、低转速搅拌器，如锚式、框式和桨式。2022年12月24日星期六按搅拌目的选型按搅拌目的选型（1 1）对低粘度均相液体混合，主要考虑循环流量，）对低粘度均相液体混合，主要考虑循环流量，各种搅拌器的循环流量按从大到小顺序排列：推各种搅拌器的循环流量按从大到小顺序排列：推进式、涡轮式、桨式。进式、涡轮式、桨式。（2 2）对于非均相液）对于非均相液-液分散过程，首先考虑剪切作液分散过程，首先考虑剪切作用，同时要求有较大的循环流量，各种搅拌器的用，同时要求有较大的循环流量，各种搅拌器的剪切作用按从大到小的顺序排列：涡轮式、推进剪切作用按从大到小的顺序排列：涡轮式、推进式、桨式。式、桨式。2022年12月24日星期六搅拌器的选用搅拌器的选用
