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搅拌釜式反应器搅拌釜式反应器

发布时间:2020-07-12 14:04

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  第五章 搅拌聚合釜内流体的流动与混合 学习目的与意义 物料的运动、热量的交换、物质的传递总是与 化学反应同时进行。 ?反应速率由浓度、温度、时间等决定; ?流动与混合决定物料浓度、温度、停留时间分 布等; ?搅拌决定流动与混合。 5.1 概述 ? 搅拌釜:装有搅拌器的釜式反应器。据统计, 约占聚合反应器的80% 其它具有搅拌装置的容器: 原料配制槽、加料罐、 凝聚罐、浆料沉析槽、贮槽 ? 机械搅拌作用:混合、搅动、悬浮、分散 混合:体系中的不同物质混合均匀。 搅动:物料强烈流动,提高传热、传质速率。 悬浮:细小颗粒在液体中均匀悬浮,防止沉降、加速溶解等。 分散:气体或液体在液体中充分分散成细小气泡或液滴,促 进传质和反应,控制粒度。 搅拌釜应具有的功能: ? ? ? ? ? 推动液体流动,混匀物料; 提供剪切力,分散物料并使之悬浮; 增加流体湍动,提高传热速率; 加速物料的分散和合并,增大物质传递速率; 高粘体系,更新表面,促使低分子物蒸出。 5.2 搅拌釜 一、基本结构 筒体 搅拌容器 换热元件 夹套 内盘管 内构件 搅拌釜 搅拌机 搅拌器 搅拌轴 密封装置 传动装置 1-电动机 2-减速机 3-机架 4-人孔 5-密封装置 6-进料口 7-上封头 8-筒体 9-联轴器 10-搅拌轴 11-夹套 12-载热介质出口 13-挡板 14-螺旋导流板 15-轴向流搅拌器 16-径向流搅拌器 17-气体分布器 18-下封头 19-出料口 20-载热介质进口 21-气体进口 搅拌釜式反应器 搅拌釜式反应器 二、搅拌容器 ⒈ 容器 作用: 为物料反应提供合适的空间。 结构: 筒体—圆筒 封头—椭封应用最广 搅拌容器 接管—进出料/排气/控制点接管/传感器 换热元件—夹管/内盘管 支座—考虑容器大小和安装位置 小型:悬挂式 大型:裙式支承式 装料系数: 一般取0.6 ~ 0.85 如物料在反应过程中呈泡沫或沸腾状态→取0.6 ~ 0.7 如物料在反应过程中比较平稳→取0.8 ~ 0.85 容积: Volume 直立式搅拌容器: 筒体和下封头两部分容积之和 卧式搅拌容器: 筒体和左右两封头容积之和 搅拌设备筒体的高径比: 确定筒体直径、高度 几种搅拌设备筒体的高径比 种类 一般搅拌罐 聚合釜 发酵罐类 罐内物料类型 液-固相、液-液相 气-液相 悬浮液、乳化液 发酵液 高径比 1~1.3 1~2 2.08~3.85 1.7~2.5 ⒉ 换热元件 tj t D Dj D Dj t D D Dj tj Dj (a) 圆筒型 (b) U型 整体夹套 (Integral Jacket) (a)螺旋形角钢互搭式 (b)角钢螺旋形缠绕 型钢夹套 (Section Steel Jacket) b1 半圆管横截面重心 (a) 半圆管 t1 e2 b2 D 半圆管夹套 弓形管横截面重心 (b)弓形管 b2 半圆管夹套 t1 b1 L3 t1 L2 b (a)螺旋形缠绕 半圆管夹套的安装 L3 L D t1 (b)平行排管 半圆管夹套的安装 D1 D2 t1 夹套向内折边与筒 体贴合好, 再进行 焊接的结构 b t2 A A向 折边式蜂窝夹套 D1 D2 e t1 dmin 用冲压的小锥体 或钢管做拉撑体。 蜂窝孔在筒体上 呈正方形或三角 形布置 短管支撑式蜂窝夹套(Short- tube-support Alveolate Jacket) b D 螺旋形盘管 (Spiral Coil) d D 对称布置的几组 竖式蛇管: 传热 挡板作用 d 竖式蛇管 (Vertical Snake Pipe) 各种碳钢夹套的适用温度和压力范围 夹套型式 整体夹套 U型 圆筒型 型钢夹套 蜂窝夹套 短管支撑式 折边锥体式 半圆管夹套 最高温度/℃ 350 300 200 200 250 350 最高压力/MPa 0.6 1.6 2.5 2.5 4.0 6.4 5.3 搅拌釜内流体的流动状况 1. 循环流动与剪切流动 流体的流动状况(流况): 在整个搅拌容器中流体速度向量的变化。针对搅拌 釜的流况,可分为两个层次:宏观状况与微观状况。 一)宏观状况流动: 液滴)在大范围内(整个釜内空间)中的流 动状况,也称为循环流动。 三种典型的流况: 径向流动 宏观流动,流体以大尺寸(凝集流体、气泡、 轴向流动 切线流动 (a)径向流 (a) 径向流 流体流动方向垂直于 搅拌轴,沿径向流动, 碰到容器壁面分成二 股流体分别向上、向 下流动,再回到叶端, 不穿过叶片,形成上、 下二个循环流动。 (b)轴向流 (b) 轴向流 流体流动方向平行于 搅拌轴,流体由桨叶 推动,使流体向下流 动,遇到容器底面再 向上翻,形成上下循 环流。 (c)切向流 (c) 切向流 无挡板的容器内,流 体绕轴作旋转运动, 流速高时液体表面会 形成漩涡,流体从桨 叶周围周向卷吸至桨 叶区的流量很小,混 合效果很差。 二)微观状况流动: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、液滴大小的 空间)中的湍动状况。 剪切流动:由于搅拌桨的剪切作用而引起的局部混合作用。 1.使气泡、液滴细化,由于分子扩散达到微观混合; 2.流体具有一定粘度时,流速增加,产生速度梯度,使液体变 形,形成湍动,产生小漩涡,对周围的流体微元产生剪切,形 成更细的液滴; 3.桨叶附近及挡板处微观流动作用最强烈。 结论: 不管搅拌桨叶形式的差别,都存在循环 流动和剪切流动,只是比例不同。 ? ? 循环型桨叶:以循环流动为主; 剪切型桨叶:以剪切流动为主。 5.3.2 搅拌雷诺数与流态 为了定量研究搅拌桨叶的特性,常用无因 次准数描述,主要有: ? ? 1.搅拌雷诺数:代表釜内流体的粘性大小; 2.功率准数:动力特性; ? ? 3.排出流量数:循环特性; 4.混合时间数:混合特性; ? 5.努塞尔准数:传热特性。 搅拌雷诺数:在搅拌釜内,以桨叶的端速ND作为定 性速度,搅拌雷诺数定义为: N Re ? ? D?? ? ? D ? DN ? ? ? ?ND ? ? 2 D为桨叶直径,N为搅拌器转速,ρ为流体密 度,μ为流体粘度。 ? ? ? ? NRe10, 液体在桨叶附近呈滞流旋转流动,桨叶无液 体吐出,釜内其余部分为流体停滞区(死角); NRe~10, 桨叶端有吐出流产生,并引起整个釜内流体 的上下循环流动,处于层流; NRe100~1000,处于过渡流,桨叶周围流体为湍流状态, 上下循环仍然为滞流,雷诺数增大,湍动程度增大; NRe1000,整个釜内上下循环流动都处于湍动状态, 无挡板时会引起漩涡,当D(桨叶直径)/T(釜径)0.1时, 釜内流体虽为湍流,但上下循环流不会遍及整个釜 内,易出现死角。 功率准数 P NP ? 3 5 ?N D 排出流量数 N qd qd ? 3 ND 混合时间数 N?M ? N? M 结论:搅拌桨叶特性与流体流态有密切关系, 在设计搅拌桨叶、釜型及釜内部构件时应注 意: ? ? 1.釜内没有死角,任何地方都有流体流动; 2. 依操作目的,使釜内形成有效的流况和适 当的流态。 5.3.3 挡板与导流筒 作用—改善反应器内液体流动状态 类型—挡板与导流筒 ⒈挡板 (Baffle Plate) 目的—消除打漩和提高混合效果。 打漩— 物料粘度小,搅拌转速高,液体随桨叶旋转,在离心 力作用下涌向内壁面并上升,中心部分液面下降,形 成漩涡,称为打漩区。 打漩后果—a.打漩时几乎不产生轴向混合,而是使多相系统 P148 分层或分离 b.随转速增加,漩涡中心下凹到与桨叶接触, 外面 空气进入桨叶被吸到液体中,使其密度减小, 混 合效果降低。 c.一部分叶轮在空气中运转→使流体对搅拌器振动 阻尼作用↓→搅拌器振动↑ 轴向流 作用—a.将切向流→变为 径向流 b.使被搅动液体的湍流程度↑ →改善搅拌效果↑ 挡板形式—纵向挡板 宽度w—容器直径的1/12~1/10 数量z —一般在容器内壁面均匀安装4块挡板 挡板 挡板 全挡板条件—当再增加挡板数和挡板宽度,而功率消耗不再 增加时,称为全挡板条件。 全挡板条件与挡板数量和宽度有关。 永田冶进提出了全挡板条件: ? w Di ? 1.2 ? z ? 0.35 注意: a.传热蛇管可部分或全部代替挡板, b.装有垂直换热管时一般可不再安装挡板。 ⒉ 导流筒 (Diversion Canister) 结构 (Structure): a.上下开口圆筒,安装于容器内。 b.通常导流筒上端低于静液面,筒身上开孔或槽,当 液面降落后流体仍可从孔或槽进入导流筒。 c.导流筒将搅拌容器截面分成面积相等的两部分,导 流筒直径约为容器直径的70%。 d.当搅拌器置于导流筒之下,且容器直径又较大时, 导流筒的下端直径应缩小,使下部开口小于搅拌器的 直径。 作用 (Function): a.导流,可以为流体限定一个流动路线,防止短路 b.使筒内液体搅拌程度↑→混合效率↑ c.迫使流体高速流过加热面→利于传热 应用 (Application) 常用于涡轮式、桨式、推进式搅拌器中。 (a) 涡 轮 式 或 桨 式搅拌器,导流 筒置于桨叶的 上方 (b) 推 进 式 搅 拌 器导流筒套在桨 叶外面,或略高 于桨叶 导流筒 (Diversion Canister) 5.4 搅拌器的构型及选择 一)搅拌器的构型 桨叶构型:桨式、涡轮式、推进式……; 物料流况:径向流动、轴向流动; 搅拌任务:液体混合、乳化、固体颗粒悬浮、气-液接 触…… 常用的搅拌器: 平 按叶面结构分为 折 叶 叶 桨式、涡轮式、框式和 锚式的桨叶都有平叶和 折叶二种结构 推进式、螺杆式和螺带 式的桨叶为螺旋面叶 螺旋面叶 按搅拌 用途分为 低粘流体 用搅拌器 高粘流体 用搅拌器 低粘流体搅拌器有: 推进式、长薄叶螺旋桨、桨式、 开启涡轮式、圆盘涡轮式、布鲁 马金式、板框桨式、三叶后弯式、 MIG 和改进MIG等。 高粘流体搅拌器有: 锚式、框式、锯齿圆盘式、 螺旋桨式、螺带式(单螺带、 双螺带)、螺旋—螺带式等。 搅拌器在容器内安装方式: (a) 垂直偏心式 (b) 底插式 (c) 侧插式 (d) 斜插式 (e) 卧式 桨叶旋转时,平板桨面与轴平行,液体仅以切线方向离开桨叶,主要 是水平液流,所以搅动不激烈。为了增强轴向流动,可将平桨倾斜一 定角度而成斜,此时桨叶面与轴不平行,旋转时液流除切线方向离开 桨叶外还有向上或向下的垂直液流,所以搅拌较为激烈。 新型 立式 搅拌 最大叶片式 泛能式 叶片组合式 扭格子式 锥螺 (VCR) 前进式(AR) EKATO同轴 多臂行星式 真空乳化釜 新型卧式搅拌 HVR SCR (三菱重工) 砂磨机 LIAS-AP 瑞士LIST全相型 BIVOLAK (住友重机全相型) CONTERNA (德国连续 捏和机) 桨式搅拌器 (Paddle Agitator) 结构最简单 叶片用扁钢制成,焊 接或用螺栓固定在轮 毂上,叶片数是2、3 或4 片,叶片形式可 分为平直叶式和折叶 式两种。 桨式搅拌器常用参数 常用尺寸 d/D=0.35~0.8 b/d=0.1~0.25 常用运转 条件 折叶式有 轴向、径 常用介质 粘度范围 流动状态 备注 当d/D=0.9以上, 并设置多层桨叶 小于2Pa· s 低转速时水平环 向流为主;转速 Bn=2 向和环向 分流作用 高时为径向流; 有挡板时为上下 循环流 时,可用于高粘 度液体的低速搅 拌。在层流区操 作,适用的介质 粘度可达100Pa· s, v=1.0~3.0m/s 折叶式 θ=45°,60° 折叶式有轴向、 径向和环向分流 作用 注:n-转速; v-叶端线速度; Bn-叶片数;b-桨叶宽度; d-搅拌器直径;D-容器内径:θ -折叶角。 桨式搅拌器特点 1)平桨主要为切向流,搅动不激烈,混合效果差, 转速高时会形成漩涡; 2)斜桨增加了轴向流动,混合效果增加; 3)剪切作用较强; 4)常用于低粘流体搅拌。 推进式搅拌器 (Propulsion Agitator) 常用于低粘流体中。 标准推进式搅拌器有三瓣叶 片,其螺距与桨直径d相等。 它直径较小,d/D=1/4~1/3, 叶端速度一般为 7~10 m/s, 最高达15 m/s。 推进式搅拌器常用参数 常用运转条 件 常用介 质粘度 范围 流动状态 备注 常用尺寸 d/D=0.2~0.5 (以0.33居多) p/d=1,2 n=100~ 500r/min v=3~15m/s 小于 2Pa· s 轴流型,循环速 采用挡板或导流 最高转速可达 端线速度可达 率高,剪切力小。 1750r/min:最高叶 Bn=2,3,4 (以3居多) p-螺距 筒则轴向循环更 强 25m/s。转速在 500r/min以下,适 用介质粘度可达 50Pa.s 推进式搅拌器的特点 轴向流搅拌器 循环量大,搅拌功率小 常用于低粘流体的搅拌 结构简单、制造方便 涡轮式搅拌器 (Turbine Agitator) 涡轮式搅拌器(又称透 平式叶轮),是应用较 广的一种搅拌器,能有 效地完成几乎所有的搅 拌操作,并能处理粘度 范围很广的流体。 涡轮式搅拌器常用参数 型式 常用尺寸 d/D=0.2~0.5 (以0.33居多) b/d=0.2 Bn=,3,4,6,8 开式 (以6居多) 涡轮 折叶式 θ=30°,45°,60° 后弯式 ? =30°,50°,60° ? 后弯角 常用运转条件 n=10~ 300r/min v=4~10m/s 折叶式 v=2~6m/s 常用介质 粘度范围 小于 50Pa· s, 折叶和后 弯叶小于 10Pa· s 流动状态 备注 平直叶、 最高转速 后弯叶为 可达 径向流型。 600r/min 在有挡板 圆盘上下 时以桨叶 液体的混 为界形成 合不如开 上下两个 式涡轮 循环流。 折叶的还 有轴向分 流,近于 轴流型 盘式 d:l:b=20:5:4 涡轮 d/D=0.2~0.5 (以0.33居多) Bn=4,6,8 θ=45°,60° ? =45° n=10~ 300r/min v=4~10m/s 折叶式 v=2~6m/s 小于 50Pa· s, 折叶和 后弯叶 小于 10Pa· s 涡轮式搅拌器特点 ? ? ? 1、适用物料粘度范围广。 2、剪切力较大,分散流体的效果好。 3、直叶和弯叶涡轮搅拌器主要产生径向流, 折叶涡轮搅拌器主要产生轴向流。 锚式搅拌器 (Anchor Agitator) 结构简单。 适用于粘度在100Pa·s 以下的流体搅拌,当流 体粘度在10~100Pa·s 时,可在锚式桨中间加 一横桨叶,即为框式搅 拌器,以增加容器中部 的混合。 锚式搅拌器常用参数 常用尺寸 常用运转条件 常用介质粘 度范围 流动状态 备注 为了增大搅拌范 d/D=0.9~0.98 n=1~100r/min 小于100Pa· s 不同高度 b/D=0.1 h/D=0.48-1.0 v=1~5m/s 上的水平 环向流 围,可根据需要 在桨叶上增加立 叶和横梁 锚式和框式搅拌器特点 1、结构简单,制造方便。 2、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。 4、可减少“挂壁”的产生。 螺杆式搅拌器 螺带式搅拌器 桨式、推进式、涡轮式和锚式搅拌 器在搅拌反应设备中应用最为广泛,据 统计约占搅拌器总数的75~80%。 二)搅拌器的选用 ? ? ? ? 1)保证物料的混合; 2)消耗最少的功率; 3)所需费用最低; 4)操作方便,易于制造和维修。 给定搅拌任务,搅拌装置和操作条 件的选择和设计没有成熟方法。 搅拌目的 搅拌器选型依据 物料粘度 搅拌容器容积的大小 选用时除满足工艺要求外,还应考虑功耗低、 操作费用省,以及制造、维护和检修方便等因素。 1. 按搅拌目的选型: 搅拌目的与推荐的搅拌器形式 搅拌目的 挡板条件 无挡板 互溶液体的混合及在其 中进行化学反应 有导流筒 有或无导流筒 有或无挡板 固-液相分散及在其中溶 解和进行化学反应 推荐形式 三叶折叶涡轮、六叶折叶开启 涡轮、桨式、圆盘涡轮 流动状态 湍流 (低粘流体) 三叶折叶涡轮、六叶折叶开启 涡轮、推进式 桨式、螺杆式、框式、螺带式、 层流 锚式 (高粘流体) 桨式、六叶折叶开启式涡轮 湍流 三叶折叶涡轮、六叶折叶开启 (低粘流体) 涡轮、推进式 螺带式、螺杆式、锚式 层流 (高粘流体) 有导流筒 有或无导流筒 液-液相分散(互溶的液 体)及在其中强化传质 和进行化学反应 有挡板 三叶折叶涡轮、六叶折叶开启 湍流 涡轮、桨式、圆盘涡轮式、推 (低粘流体) 进式 搅拌目的与推荐的搅拌器形式(续) 有挡板 液-液相分散(不互 有反射物 溶的液体)及在其 中强化传质和进行 有导流筒 化学反应 有或无导流筒 有挡板 有反射物 气-液相分散及在其 中强化传质和进行 有导流筒 化学反应 有导流筒 无导流筒 圆盘涡轮、六叶折叶开启涡轮 湍流 (低粘流体) 三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、 推进式 三叶折叶涡轮 螺带式、螺杆式、锚式 圆盘涡轮、闭式涡轮 湍流 (低粘流体) 三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、 推进式 三叶折叶涡轮 螺杆式 锚式、螺带式 层流 (高粘流体) 层流 (高粘流体) 2. 按搅拌器型式和适用条件选型: 推进式搅拌器——用于低粘度流体的混合,循环能力强, 动力消耗小,可应用到很大容积的搅 拌容器中。 涡轮式搅拌器——应用范围较广,各种搅拌操作都适用, 但流体粘度不宜超过50Pa·s。 桨式搅拌器 ——结构简单,在小容积的流体混合中应 用较广,对大容积的流体混合,循环 能力不足。 锚式、螺杆式、螺带式——适用于高粘流体的混合。 3. 从反应物相来看,搅拌器的选择原则: 1)均相液体的混合(充分混合) 慢速混合→桨式;快速混合→推进式或涡轮式。 2)非均相液体的混合(分散操作) 为保证液滴在釜内均匀的分散,要求有较大的局部剪切作用和容 积循环速率。应选用开式平直叶涡轮。 3)固体悬浮物 保证固体颗粒均匀分散和不沉降的主要控制因素:容积循环速 率及湍流强度。 (1)当固体粒子较大,固液密度差较大,固/液比<30%时, 选用开式涡轮; (2)粒子较小,固液密度差较小,固/液比<60~90%时, 常选用平桨; (3)固液密度差较小,固/液比<50%时,常选用推进式。 4)气体吸收及气液相反应 控制因素:局部剪切作用、容积循环速率及高转速。应选 用圆盘式涡轮。 5)高粘度体系 控制因素:容积循环速率及低转速。 随着粘度的增大可依次选用下列搅拌器: 涡轮、锚式、框式、螺杆、螺带、特殊型高粘度搅拌器 搅拌器型式和适用条件 搅拌器 型式 流动状态 对 流 循 环 湍 流 扩 散 剪 切 流 低 粘 度 混 合 涡轮式 桨式 推进式 折叶开 启涡轮 式 布鲁马 金式 锚式 螺杆式 螺带式 ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ 1?100 1?50 1?50 1?100 0.5?50 0.5?50 100 100 100 ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ 1?100 10?300 50 ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ 高粘 度液 混合 传热 反应 ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ 1?100 1?200 1?1000 1?1000 10?300 10?300 10?500 10?300 50 50 2 50 搅拌目的 分 溶 固 散 解 体 悬 浮 气 体 吸 收 结 传 晶 热 液 相 反 应 搅拌容 器容积 /m3 转速范围 /(r/min) 最高 粘度 /(Pa.s) 注:有◆者为可用,空白者不详或不合用 5.5 搅拌功率的计算 Calculation of the Stirring Power 搅拌器所需功率由三方面组成: ? 1)搅拌器所消耗的能量,即搅拌器推动液体 流动所需要的能量,简称搅拌器轴功率; ? 2)搅拌轴封所消耗的能量; ? 3)机械传动所消耗的能量。 轴功率: 指搅拌器以一定转速进行搅拌时,对 液体做功并使之发生流动所需的功率。 计算搅拌功率的目的: a.设计或校核搅拌器和搅拌轴的强度和刚度 b.选择电机和减速机等传动装置 c.搅拌功率是搅拌机械设计的基本数据。 区分: 搅拌器功率: 即搅拌功率 搅拌作业功率: 搅拌器使搅拌槽内的液体以最 佳方式完成搅拌过程所需的功率 5.5.1 搅拌过程的因次分析 影响搅拌功率的因素: a.搅拌器的几何尺寸与转速:搅拌器直径、桨叶宽度、 桨叶倾斜角、转速、单个搅拌器叶片数、搅拌器距离 容器底部的距离等 b.搅拌容器的结构:容器内径、液面高度、挡板数、 挡板宽度、导流筒的尺寸等。 c.搅拌介质的特性:液体的密度、粘度。 d.重力加速度 搅拌功率P与上述因素的函数关系: P ? f ( N , D, ? , ? , g ) 或指数形式: a b c N-搅拌器转速; D-搅拌器桨叶直径; ρ-液体密度; μ-液体黏度; g-重力加速度 P ? KN D ? ? g d 千克 ? 米 ?米 ?秒 秒2 秒-1 米 千克 米3 e 米 秒2 千克? 米/秒2 千克 ? 秒 ? 米2 米?秒 P ? KN D ? ? g a b c d e 根据因次关系,可得: ML 1 a b M C M d L e ? ( ) ( L) ( 3 ) ( ) ( 2 ) 3 t Lt t L t 根据因次一致性,可得: 2 ?ND ?d DN ?e P ? K?N D ( ) ( ) ? g 2 2 3 5 2 2 ? ND DN ? K?N 3 D 5 ( )p( )q ? g 2 2 ρ ND DN P = KρN 3 D5 ( )p( )q μ g P 搅拌功率准数 N P ? ?N 3 D 5 搅拌雷诺数 N Re ? D?? ? ? D ? DN ? ? ? 2 ?ND 2 ? ? 搅拌弗雷德准数 N Fr DN ? g N p ? KN ? N p Re q Fr N p ? KN ? N p Re q Fr 若以功率函数Φ表示,则: ? ? NP / N 功率准数的变化 q Fr ? f ( N Re ) 5.5.2 均相流体搅拌功率计算 ? 功率曲线:功率函数或功率准数随搅拌雷诺数 的变化曲线 NRe 104 105 106 注意:各种搅拌器的功率准数与雷诺数关系大体相似,对于一个 具体的几何构型只有一条功率曲线,与搅拌釜的大小无关。 双对数坐标 算术坐标系统:就是普通的笛卡儿坐标,横纵的刻度都是是等 距的。(举例来说:如果每1cm的长度都代表2,则刻度按照 顺序0,2,4,6,8,10,12,14……) 对数坐标:坐标轴是按照相等的指数变化来增加的,(举例 来说:如果每1cm代表10的1次方增加,则坐标轴刻度依次为 1,10,100,1000,10000……) 双对数坐标系统:指两个坐标轴是对数坐标。 102 101 NP 100 10-1 100 101 102 103 NRe 104 105 106 功率曲线(AB段): 搅拌器功率曲线的直线; 搅拌层流区,粘性力占优势的粘性流动; 重力影响可忽略,即不考虑NFr的影响。 ? ? NP / N 3 5 q Fr ? f ( N Re ) 2 2 ρND p DN q P = KρN D ( ) ( ) μ g N P ? ? ? KN 2 ?1 Re P ? K?N D p=-1 3 结论:层流时,在一定的搅拌转速下,功率消 耗与液体粘度成正比,与液体密度无关。 102 101 NP 100 10-1 100 101 102 103 NRe 104 105 106 (2)NRe=10~103(BC段): ? ? ? 功率曲线为一下凹曲线; 流体从层流过渡到湍流,搅拌过渡区; 各种尺寸或各种构型的桨叶的BC段不一样; 102 101 NP 100 10-1 100 101 102 103 104 105 106 NRe (3)NRe103(CD段): ? 功率曲线呈一水平直线,即Np与NRe无关,NP为常数, 保持不变; ? 湍流区,全挡板时,液体不形成漩涡,可不考虑重 力影响; P ? K1 ?N D 3 5 的搅拌功率与液体密度成正 比,而与液体粘度无关。 结论:湍流时,全挡板釜 102 101 NP 100 10-1 100 101 102 103 NRe 104 105 106 ? ? NP / N ? ? ? q Fr ? f ( N Re ) (4)无挡板釜(CE段): NRe300时,液体不形成漩涡, 可不考虑重力的影响; NRe300时,产生漩涡,重力影 响显著,指数q≠0,由下式估算: ? ? lg N Re q? ? 查表可得!P155 100 50 P155 10 5 1 5 10 5 102 5 103 5 104 5 105 NRe=D2Nρ/μ 不同搅拌器的功率曲线块挡板 (BW/T=0.10)的反应釜内,反应液的密度为1300kg/m3, 粘 度 为 13×10 - 3Pa?s , 今 用 一 三 叶 推 进 式 搅 拌 器 (D=0.4m,S/D=1) 以 300 转 / 分的转速进行搅拌,计算: (1)搅拌轴功率消耗 (2)若改用同样直径的六叶平直圆盘涡轮,转速不变, 搅拌功率是多少? (3)若釜内不设挡板,仍采用六叶平直圆盘涡轮时, 其搅拌功率是多少? ? 解: N Re 300 2 1300 ? ? 0.4 ?ND 2 4 60 ? ? ? 8 ? 10 ? 13 ? 10 -3 内装有4块挡板→查P154图5-12可知:CD段 P ? K1?N D 3 5 三叶推进式搅拌器(D=0.4m,S/D=1)→查P155表5-1可知: K1=0.32 P ? 0.32?N D ? 533 W 3 5 若改用同样直径的六叶平直圆盘涡轮,转速不变, 查P155表5-1可知:K1=6.3 ? 300? 5 P ? K1?N D ? 6.3 ?1300? ? W ? ? ?0.4? ? 10480 ? 60 ? 3 5 3 ? ? NP / N 另一种方法: q Fr ? f ( N Re ) q?0 ? ? NP / N q Fr NP ? ? ? N N Re q Fr q?0 N Re 300 2 1300 ? ? 0.4 ?ND 2 4 60 ? ? ? 8 ? 10 ? 13 ? 10 -3 查图5-13中的曲线 NP ? ? ? Nq Fr ? ? ? 0.32 P NP ? ?N 3 D 5 P ? N P ?N 3D5 ? 300? 5 ? 0.32?1300? ? ? 0.4 ? ? 60 ? ? 533W ? 0.53KW 3 (2)根据图5-13曲线 P ? N P ?N D 3 5 3 ? 300? 5 ? 6.3?1300? ? ? ? 0.4 ? 60 ? ? 10480W? 10.5KW (3)q ? 0 无挡板 ? ? lg N Re q? ? D / T ? 0.4 / 1.2 ? 0.333 NRe300 查表得: ? ? 1.0,? ? 40.0 ? ? lg N Re 1.0- lg80000 q? ? ? -0.0976 ? 40 N Fr ? 300? 0.4? ? ? 2 DN ? 60 ? ? 1.02 ? ? g 9.81 q Fr -0.0976 2 NP ? ? ? N ? 1.2?1.02? 3 5 ? 1.2 P ? NP ?N D ? 1.99kW ? 桨式搅拌器搅拌功率 永田进治经验公式: 无挡板 0.66 103 ? 1.2 N Re A p ( 0.35?b / T ) 1.2 NP ? ? B( 3 ) ( H / T ) (sin ? ) 0.66 N Re 10 ? 3.2 N Re 其中:A ? 14 ? (b / T )? ? 670( D / T ? 0.6) 2 ? 185 B ? 10?1.3?4(b / T ?0.5) ?1.14 D / T ? 2 p ? 1.1 ? 4(b / T ) ? 2.5( D / T ? 0.5) 2 ? 7(b / T ) 4 考虑了釜径T,桨叶宽度b,桨叶倾角?,釜内流体深度H 10 ? 1.2 N A NP ? ? B( 3 N Re 10 ? 3.2 N 3 0.66 Re 0.66 Re ) (H / T ) p ( 0.35?b / T ) (sin? ) 1.2 结论: (1):当NRe很大时,A/NRe项很小,可忽略不计; (2):当NRe很小时, A/NRe项很大,经验式右边 第二项可忽略,此时,NP与H、θ无关。 ? ? 临界雷诺数代替搅拌雷诺数(NRe),可计算有挡板 时的桨式搅拌器搅拌功率。 临界雷诺数( NRec) :层流向湍流过渡的雷诺数; ? 二页平桨(θ=900)时: N Re c ? 25 D b /T 2 ? ( ? 0.4) ? [ ] b /T T 0.11(b / T ) ? 0.0048 二页斜桨(θ≠900)时: N Re ? ? 10 4(1?sin ? ) ? N Re c 实验经验结论 等效桨:各种桨叶的桨叶宽度、叶片数、搅 拌层数的乘积相等,它们所消耗的 搅拌功率近似相等(湍流区)。 Attention: ? ? ? 有挡板条件下所计算的搅拌功率常高于实测值; 等效桨处理法仅限于无挡板且低粘度条件; 深槽多层桨功率计算误差较大。 全挡板条件(Full Baffle Plate Condition): ? 釜内设置挡板,流体阻力增加,搅拌功率增加,当挡板设 置到一定程度时,功率增到最大。此时称全挡板条件。 ? 以挡板系数KB来表征挡板程度: K B ? ( BW / T ) ? 1.2 ? nB BW:挡板宽度 T:釜径 nB:挡板块数 ? ? ? 当KB=0.35时,称为全挡板条件; 当KB=0时,无挡板; KB=0~0.35部分挡板条件; 4块BW/T=0.1的挡板可近似当作全挡板处理。 挡板程度与功率准数关系: N P ? ( K B / K BF ) 0.43 ? N PF KB,KBF——部分挡板和全挡板条件时的挡板系数 永田公式(部分挡板功率准数): N PF ? N P 1.2 2 ? [1 ? 2.9( BW / T ) ? nB ] N PF ? N P? 5.5.3 非均相流体搅拌功率计算 ? 处理方法 (Treating Method):一般可采用均相液体 搅拌功率分析计算方法加以修正。 一)气-液体系 ? 液体中通入空气,降低了液体的有效密度,因此降 低了搅拌功率。 永田经验公式 六叶涡轮搅拌釜: 2 2 Pg ? ND DN q 4.38 0.115 1.96 ( D / T ) lg ? 192( D / T ) ( ) ( ) ( ) 3 P0 ? g ND 六叶平直涡轮全挡板搅拌釜(Calderbank经验式): Pg P0 ? 1 ? 1.26G, G ? 3.6 ? 10?2 Pg P0 ? 0.62 ? 1.85G;3.6 ? 10?2 ? G ? 11? 10?2 通气系数: G ? q / ND 3 ? 大量通入气体时,开始出现大气泡,功率消 耗不再明显变化,该状态称为“液泛”。 ? 同时,实验表明,功率消耗还与引入气体的 方式有关。 二)液-液、液-固体系 ? 处理方法:采用混合物的平均物性,套用计算均 相体系搅拌功率的方法进行计算。 液-液体系 (1)密度 ? m ? x?1 ? y? 2 (2)粘度(经验式) 不互溶液体(敞口槽) ?m ? ? ? ? x 1 y 2 不互溶液体(封闭槽) 6 xO ? O ?m ? [1 ? ] xW ?W ? ? O ?W 无挡板,水相体积比40% 1.5 xW ?W ?m ? [1 ? ] xO ?W ? ? O ?O 无挡板,水相体积比40% 1.5? d ?m ? [1 ? ? d ] 1? ?d ?c ? ?d 互溶液体混合时: ?C 有挡板 分子分率 ? 1/ 3 m ? x? 1/ 3 1 ? y? 1/ 3 2 液-固体系 (1)密度 与液-液体系相同 ? m ? x?1 ? y? 2 (2)粘度 固体粒子能自由流动: 固体粒子体积分率 4 ?m ? ? L (1 ? 0.5? s ) /(1 ? ? s ) , ? s ? 0.5 固体粒子不能自由流动: ?L ? ?s ? L 0.469 ? 0.46 ? 0.00158 ( ) ? 0.79? s ?m ? ?L R 浆料粘度计算: R=ρL/ ρS ? m ? ? L [1 ? 2.5? ? 7.54? ] 2 ? ? 0.6Cs ? s 浆料质量浓度g/ml 浆料沉降率ml/g 液-固悬浮体系常用公式: ?m ? 1 ? xv 1.8 ( ) xvb ?L 固-液相体积比 沉降后沉积层的固-液 体积比 ? 液-液、液-固体系 液-液体系 , 液-固体系 密度 敞口槽 ?m ? x?1 ? y?2 ?m ? ?1x ? ?2y 6.0 x0 ?0 ?m ? [1 ? ] xw ? w ? ?0 无挡板,水相体积比40% ?m ? x?1 ? y?2 当固体粒子为“能自由流动”时: ?w ?m ? ?L (1 ? 0.5?s ) /(1 ? ?s )4 当固体粒子为“不能自由流动”时: 粘度 封闭槽 ?m ? ?0 x0 [1 ? 1.5 xw ? w ] ? w ? ?0 ? L ? ?s ? ?L ? ? 0.460? 0.00158 ? ? ?m ? ? L ? R? 料浆粘度计算: 0.469 ? 0.79?s 无挡板,水相体积比40% ?m ? ?c 1.5?d [1 ? ?d ] 1 ? ?d ?c ? ? d 有挡板 ?m ? ?L [1 ? 2.5? ? 7.54? 2 ] 5.5.4 非牛顿流体的搅拌 Non-Newtonian Fluid 釜内流体粘度难确定: 1. 2. 非牛顿流体的表观粘度随剪切速率变化而变化; 搅拌釜内的剪切速率随桨叶和釜的几何形状和搅 拌转速等参数而变化; 3. 釜内各点的剪切速率往往不同。 表观粘度法(Metzner):用非牛顿流体的表观粘度代 替牛顿流体的粘度计算搅拌雷诺数。 Metzner等人大量实验,针对不同构型的搅拌器在多种 非牛顿流体中的搅拌功率进行了测量; 1. 采用表观粘度后非牛顿流体与牛顿流体的功率曲 线在层流和湍流区域几乎重合; 非牛顿流体的功率曲线在过渡流区域则低于牛顿 流体。 有挡板NRe大于103或无挡板NRe大于105时,功率 曲线. 为了方便计算搅拌釜内流体的表观粘度,假设搅拌 釜内存在一个平均剪切速率: ? av ? k s N 所以表观粘度: ? ?a ? K psu (ks N ) 相应的表观雷诺数: 2 2 n?1 N Re(n) ?D N ? k ?ND ? ? ?a K psu 2? n 1? n s 为了更加接近实际情况,考虑了更多的因素, Calderbank对表观雷诺数进行了修正: N Re ? ?ND (?N ) 2 1? n K psu 4n n ( ) 3n ? 1 其中,β为常数,由经验确定。 浆型、叶片数、挡板数、T/D、流型指数等 系数β的确定: 1)一般桨型(除锚式),n1时: ? ? 11? 10% T / D ? 1 .5 nP ? 4, 全挡板 2)锚式,n1,T/D1.4时: 9(T / D) ? ? 9.5 ? ? 10% 2 (T / D) ? 1 3)n1,T/D3.0,全挡板时: 2 22(T / D) ?? ? 15% 2 (T / D) ? 1 2 再定义修正功率准数: ?0.5 L P ? W e ?1 NP ? ( ) ( ) 3 5 0.67 ?N D De (nP ? N S ) 锚式NS=2 ,其它桨叶NS=1,ΔW为桨叶与釜壁接近系数。 锚式,T/D≤1.3时: 1 ?W ? (T / D ) ? 1 一般桨叶,T/D≥1.3时: ?W ? 3.33 N ~ N 根据 P Re 功率曲线,可计算非牛顿流体搅 (其 N Re ? 10 拌功率。 ? 50 由图5-15,5-16可知,当 N Re (锚式)或 它桨叶)时,功率曲线为直线,处于层流区域: N ? 6.3 / N P Re 非牛顿流体搅拌器选型: ? ? 釜壁流体的流动情况; 最低雷诺数; ? ? 双层桨叶比单层桨叶搅拌效果好; 同一类型桨叶,增大桨叶直径可增强搅拌 效果; 斜叶桨叶比平直浆页效果好; ? ? 推进器式搅拌效果较差。 5.6 搅拌器的流动特性及转速 5.6.1 搅拌的循环特性 循环特性:在搅拌作用下,流体在釜内按一 定的流况作循环流动,这种作用称为搅拌器 的流动特性。 流体循环过程: 桨叶旋转 液体从中心吸入 从叶端排出 桨叶排出流量(qd):单位时间内从桨叶排出 的流量。 qd ? N qd ? ND 排出流量数 或泵送准数 3 ? ? 是搅拌剧烈程度的反映! 是搅拌雷诺数的函数。 循环流 qc 同伴流 qi qd 湍流产生 qc ? qd ? qi 排出流 其中,qc和qd可由实验测定 注意:层流时:qc=qd; 湍流时: qcqd. 循环流量数: qd ? N qd ? ND 3 3 qc ? qd ? qi N qc ? qc / ND 湍流时: N qc ? N qd 1 ? 0.16[(T / D) ? 1] 2 ? ? 影响Nqd和Nqc的主要因素: 1.雷诺数 全挡板釜,当NRe103,D/T=0.25~0.508时: N qd ? N qd? N Re ? 20 ? N Re N qc N Re ? N qc? ? 65 ? N Re Nqd∞和Nqc∞分别表示NRe很高时(充分湍流)的排除流量数和 循环流量数 2.桨叶特性 ? 全挡板,湍流时: 2.5 0.7 p Nqd ∝( D / T ) ( b / T ) ? n np为桨叶片数,b为桨叶宽度 ? 挡板系数增大时,排出流量数增大: N qdF ? N qd N qdF ? N qdN K BF ? K B 3 ?( ) K BF ? K BN NqdF,Nqd,NqdN分别为全挡板,部分挡板,无挡板是的排出流量数; KBF,KB,KBN分别为全挡板,部分挡板,无挡板时的挡板系数 ? 循环特性的另外表征参数: 单位时间循环次数 N c ? qc / V ? N qc ? ND V 循环时间 3 1 tc ? Nc qc-循环流 V-搅拌釜内流体的体积 循环次数可以判别搅拌程度: ? 普通搅拌: N c ? 3 ~ 5次 / 分 N c ? 5 ~ 10次 / 分 ? 强烈搅拌: 习惯上:用功率准数Np与排出流量数Nqd的 比值判断桨叶的流动特性: 输出效率 ? 循环型桨叶: N P / N qd ? 1 ~ 2 N P / N qd ? 3 ? 剪切型桨叶: 5.6.2 搅拌转速 ? 混合型搅拌:本体聚合、溶液聚合 ? ? 悬浮型操作:悬浮聚合 搅拌任务尺度:搅拌体系中物料量的大小 ? 搅拌任务难度:达到搅拌效果所需要克服的 “阻力”,如两种物料的密度差和粘度差、悬 浮粒子的沉降等 一)混合搅动型搅拌转速的确定 ? 搅拌强烈程度度分级依据:密度差、粘度差。 总体流速 m/min 搅拌效果 搅拌级别 1 2 3 4 5 6 7 8 1.8 3.7 5.5 7.3 9.2 11.0 12.8 14.6 适用于密度及粘度差很小的液体 2级:密度差0.1,粘度差100倍的液体混合均匀,液面 平坦 3~6级适合于多数间歇反应 6级搅拌:密度差0.6,粘度差10000倍的液体混合均匀 沉降速度1.2m/min的微量固体(1%)保持悬浮 粘度小时,液面呈波浪形 7~10级要求较高 10级搅拌:密度差0.6,粘度差10000倍的液体混合均匀 沉降速度1.8m/min的微量固体2%)保持悬浮 粘度小时,液面产生大波浪 9 10 16.5 18.3 混合及搅动型搅拌装置设计: ? ? 1)根据生产任务确定搅拌釜容积和釜径T; 2)选定桨叶直径与釜径比值D/T,初步求出桨叶直 径D; D/T的比值一般在0.2~0.8之间,实际使用时常用的 D/T比值范围如下: 平桨: 0.5~0.83 ? 涡轮: 0.33~0.40 ? 推进器:0.1~0.33 ? ? ? 3)根据所需搅拌程度确定搅拌等级和总体流速u; 4)计算桨叶的排出流量qd; qd ? u( ? ? ?T 4 2 ) 5)运用雷诺准数NRe和排出流量数Nqd关系图,计算搅 拌桨叶转速N; 6)对桨叶直径进行粘度校正,校正因数CF列于表5-6; ? De ? D / C F ? 7)计算搅拌桨叶的轴功率消耗。 P164 例5-2 二)颗粒悬浮型搅拌转速的确定 ? 极限沉降速率(ut):任何粒子在流体中沉降, 均受到拉拽力(摩擦力)作用,当拉拽力与 重力平衡时,粒子在流体中沉降时的加速度 为零,此时的沉降速率称为极限沉降速率。 难以确定准确的计算公式,可通过查找经验图获得。 不同搅拌级别的搅拌效果(颗粒悬浮) 搅拌级别 搅拌效果 1~2 1~2级搅拌只适用于颗粒悬浮要求最低的情况 1级搅拌的能力:使具有一定沉降速度的颗粒全部在容器中运 动,使沉积在容器底部边缘的颗粒作周期性的悬浮 3~5级搅拌适用于多数化工过程对颗粒悬浮的要求,固体溶解 3级搅拌的能力:使具有一定沉降速度的颗粒全部离开器底, 在一定程度上悬浮,至少使1/3料层(液位)高度的浆料保持 均匀悬浮,使浆料容易从器底处放出。 6~8级搅拌使颗粒悬浮的程度接近均匀 6级搅拌的能力:使95%料层高度的浆料保持均匀悬浮,使浆 料可以方便地在80%料层高度处放出 9~10级搅拌可以使颗粒悬浮达到最均匀的程度 9级搅拌的功能:使98%料层高度的浆料保持悬浮,用溢流的 方式可以方便地将浆料放出 3~5 6~8 9~10 搅拌级别与颗粒沉降速度、桨叶直径、转速关系: 悬浮程度(搅拌级别) ? N D / ud n m 桨叶转速越高,直径越大,棋牌app沉降速率越小, 获得的悬浮程度越高; ? 搅拌级别与D、N、ud关系图5-20。 ? ? ? 9.28?10 N 3 3.75 D 2.81 / ud 悬浮型搅拌装置设计: ? 1)先假设颗粒雷诺数值处于层流或湍流,分别计 算密度差(ρp-ρ)/μ或(ρp-ρ)/ρ; ? 2)根据颗粒直径dp及密度差由图查取极限沉降速 率ut; ?3)当悬浮体系的粘度较高时,颗粒间容易 发生粘合,此时,其沉降速率将大于单个颗 粒的沉降速率。 校正设计沉降速率: u d ? f W ? ut fW,颗粒沉降校正因素,可查表。 4)选定搅拌桨叶形式及桨叶直径,确定 D/T; ? 5)选定搅拌等级; ? 6)计算搅拌桨叶转速: ? ? ? ud 1 / 3.75 N ?[ ] 3 2.81 9.28 ? 10 D ? 7)校正颗粒雷诺数NRe(p); N Re( p ) ? d p ? ut ? ? ? N Re( p) ? 0.3, 层流状态 N Re( p) ? 1000 , 湍流状态 ? 8)计算搅拌轴功率消耗。 高聚物生产中设计搅拌装置的参考标准,表5-9,P168 例5-3 5.7 搅拌器的混合特性 5.7.1 混合机理及混合特性 在搅拌釜中,通过桨叶的旋转把机械能传递给 釜内物料,造成液体强制对流,混合过程是在强制 对流作用下的强制扩散过程。 对流扩散:桨叶将动能传递给周围液体,产生 高速湍动液流,液流推动周围液体,使全部液体在 釜内循环流动,由此产生的全釜范围内的扩散称主 体对流扩散。 涡流扩散:高速流体与低速或静止流体界面存在速 度梯度,形成剪切力,产生漩涡,形成局部范围 内物料快速而紊乱的对流运动,由漩涡运动造成 的局部范围内的对流扩散称为涡流扩散。 分子扩散:简称扩散,在浓度差或其他推动力的作 用下,由于分子、原子等的热运动所引起的物质 在空间的迁移现象,是质量传递的一种基本方式。 ? 大多数混合过程,主体对流扩散、涡流扩 散、分子扩散是同时存在的; 高粘液体层流,主要为分子扩散和对流扩 散的综合作用; 涡流搅拌操作中涡流扩散占重要地位:一 般流体分子扩散系数约为10-9~10-10m2/s,而 涡流扩散系数则为 10-3~10-4m2/s 。 ? ? 混合时间( θ M ):评定搅拌器的混合能力的参数, 指经过搅拌使物料达到规定均匀程度所需要的时 间。 ? ? ? ? ? 全面评价搅拌器的混合性能的四个无因次参数: C1:混合时间数; C2:达到规定混合程度时,流体所受的剪切量; C3:搅拌器旋转一次,流体所受的剪切量; C4 :在一定的流体粘度和混合时间下,搅拌器所 需要的单位体积混合能,称为混合效率数。 (1)无因次数C1 C1 ? ? M N ? ? ? ? 湍流时,涡轮、桨式、推进器式搅拌器的 C 1 为常数; 层流时, D/T 接近 1 的螺带式及螺杆导流筒搅拌器的 C1为常数; 层流时,桨式、 D/T=0.3~0.5的涡轮式搅拌器,釜内 有很大的停滞区,θM不定, C1不定; 过渡流区,所有搅拌器的 C 1 值随雷诺数的增加而降 低, C1越小,说明混合速率越大。 (2)无因次数C2 C2 ? ? M P / ? V 剪切 速率 量纲 单位体积功; ? 达到规定混合程度时,流体所受的剪切量; ? (3)无因次数C3 C3 ? P / ? / N V ? 搅拌器旋转一次,流体所受的剪切量。 (4)无因次数C4 C4 ? C ? (? M PV )? M / ? ? WV ? M / ? 2 2 WV单位体积混合能; ? 在一定的流体粘度和混合时间下,搅拌器 所需要的单位体积混合能; ? 比较混合效率的指标:称为混合效率数。 ? 5.7.2 混合时间计算 方法一:实验测定 1.在搅拌釜内瞬间加入一定量的微量示踪 液体,测量其浓度变化; 2.利用两个被混液体在性质上的变化(温 度、电导率、折光率、pH值、氧化还原 电势等)的差异测定混合时间。 方法二:经验公式 ? 1)Norwood经验式: 2 2/3 N?M ? ? M ( ND ) g 1/ 6 c D 1/ 2 /H 1/ 2 T 3/ 2 适用条件: 低粘度流体;有挡板;涡轮搅拌器。 ? 2)山本一夫经验式: 3 0.5 ?13( D / T ) 2 1 ?M ? kN[(D / T ) ? N qd ? 0.21( D / T )(N P / N qd ) ](1 ? e ) K=0.1~0.15 适用条件: D/T=0.06~0.8; Np=2~6; b/D=0.125~0.33; NRe105 ? 3)ГЛУЗ经验式: N? M ? C[ ? (4? ) 1? n N 2? n D 2 K psu ] a 适用条件: 牛顿流体、幂率流体;n=0.5~1.0。 5.8 搅拌釜中的分散过程 ? 实际生产中所涉及到的分散及合并过程: 乳液聚合、悬浮聚合、界面缩聚等 ? 分散、合并对聚合过程、产品质量、特别 是聚合物的颗粒特性有重要影响。 5.8.1 搅拌釜内的液-液分散与合并 ? 一些实验现象: 搅拌,使之分散成液滴,再投入少量染色 单体,继续搅拌可以观察到染色分散液滴 1)在溶有少量分散剂的水中,加入单体并 数目增加。 ? 2)悬浮聚合: 在开始在聚合体系中加入不含引发剂的单 体使之分散均匀,然后加入溶有引发剂的 单体少量,当悬浮聚合结束时,发现所有 的单体液滴都聚合固化。 搅拌 单体 破裂 合 并 表面张力 聚集 分散 分散剂生成的分 子层保护胶体 分散剂的 稳定作用 平衡 扩大 …… … … ? 大的液滴在剪切下作用下被拉成条形,然后被击散成 小珠滴。 这是一种不稳定的状态 ?随着聚合程度增加,液滴内的粘度逐渐增长。当聚合 转化率达20-70%时,软而呈胶状的液滴变得具有很大的 粘性,加上自加速效应出现,会使液滴凝聚成大块,甚 至粘附在搅拌器上使聚合过程失败。 这一阶段称为悬浮聚合的危险期。 处理方法:必须对搅拌速度、悬浮剂用量、 水油比等加以控制。 ?结论: 搅拌釜内水相中的单体液滴不是独立存在 的,而是反复地进行着两个以上液滴合并成 大液滴(合并),继而一个液滴再分散成两 个以上的液滴(分散)的过程。 一)分散 ? 分散:较大液滴分裂成两个以上的液滴 的过程叫分散。 引起分散的作用力:液滴的剪切应力; ? ? ? 抑制分散的作用力:表面张力、粘性力; 不同机理分类:剪切分散、湍流分散。 最大液滴直径:搅拌釜内流体在一定剪切应 力作用下所形成的最大液滴的直径。 Wec ? ?v d pmax / ? 2 ? (5-61) Wec:临界Weber准数。 1)剪切分散 ? ? 液滴分散的推动力:粘性剪切力。 粘性:流体流动时产生内摩擦力的性质称为 流体的粘性。 粘性剪切力:流体流动时产生的内摩擦力。 ? 速度差导致形变 剪切液滴 分裂 剪切分散示意图 ? 形变度(G): B L G ? ( L ? B) /( L ? B) G ? ( L ? B) /( L ? B) 显然: 无形变时,G=0; 无限变形时,G=1; 经验值:G=0.5时,L/B=3:1,液滴才会分裂成 小液滴,此时形变度称为临界形变度。 Wec ? ?v d pmax / ? 2 剪切分散时: v ? ND ? 代入式(5-61),得: d pmax ? K? / N D ? 2 2 d pmax ? K? / N D ? 2 2 结论: 1.剪切分散控制时:液滴最大直径与搅拌转速 平方成反比; 对于大多数悬浮体而言,粘性剪切分散一般 可忽略;P173 高粘度体系主要是粘性剪切分散控制。 2)湍流分散 ? 湍流分散:也称为涡流分散,釜内流体处 于湍流时就存在湍流分散, 分散机理:流体湍动形成很多小漩涡,小 漩涡对周围的液体微元产生剪切作用,使 其被撕裂成微液滴。 ? 速度差直接撕裂 分裂 湍流分散示意图 ? 各向同性(isotropy) :如果一个物体的物理 性质与其测量方向无关, 那么就说这物体 是各向同性的。 各向异性(anisotropy) :如果一个物体的物 理性质随其测量方向发生变化, 那么就说 这物体是各向异性的。 ? ?各向同性湍流分散:桨叶附近,小涡流的方向 近似为圆周方向,液滴被沿着圆周方向大小不 同的剪切力撕成更小的液滴。 ?各向异性湍流分散:釜壁附近,小涡流方向发 生改变,液滴被不同方向上的剪切力撕成更小 的液滴。 湍流分散控制时的最大液滴直径: d pmax ? K (? / ? ) ( N D ) 1/ 5 3 2 ?2 / 5 ?P ?2 / 5 V 或: d pmax ?N D ?3 / 5 ?3 / 5 ?K ( ) ? Wec D ? 2 3 d pmax ? N ?1.2 D ?0.8 湍流分散与剪切分散的区别: ? 分散推动力:剪切分散为液滴内部剪切力,湍 流分散为作用于液滴表面的涡流所产生的剪切 力; 控制阻力:剪切分散为液滴内部的粘滞阻力, 湍流分散为作用于液滴表面的表面张力; 分散相相对粘度较低时,湍流分散控制;分散 相相对粘度较高时,剪切分散控制。 ? ? 剪切分散时,液滴直径: d P / D ? k (? d / ?c ) ? d / ? d ? 10 m / s ?4 2 0.37 N Re ?3 / 4 剪切分散与湍流分散的判断方法: 湍流分散 剪切分散 ? d / ? d ? 5 ?10 m / s ?3 2 二)合并 按机理分类: ? 布朗运动引起的合并; ? 层流速度差引起的合并; ? 湍流引起的合并; 搅拌釜中以湍流引起的合并为主。 按照合并速度: ? 快速合并:碰撞即合并。 ? 缓慢合并:有稳定因素存在下的合并。 合并三步骤: 碰撞 挤出连续相 融合 合并控制时,液滴直径: d p ? K? ?3 / 8 ? ?1 / 4 A(h) 3/ 8 ?P V ?1 / 4 ε:逸散能,分离单位质量流体所消耗的平均能量 A(h):分离凝聚粒子所需能量的函数。 ? 实验发现:桨叶附近逸散能很大,而远离桨 叶的地方逸散能很小; 桨叶附近主要是液滴分散,远离桨叶附近区 域主要是合并; 分散与合并过程同时并存。 ? ? 5.8.2 搅拌对聚合物颗粒特性的影响 一)聚合物颗粒特性表示方法: 平均粒径法: 算术平均粒径: 表面积平均粒径: 体积平均粒径: d av ? ? (ni d i ) / ? ni d S ? (? ni d i / ? ni )1 / 2 2 ? ? d V ? (? ni d i / ? ni )1 / 3 3 ? 体积面积平均直径: d 32 ? ? ni d i 3 / ? ni d i 2 质量平均直径: d 43 ? ? ni d i / ? ni d i 4 ? 3 ? 液-液分散时,d32使用最广。 粒径分布图法:P175 粒径分布的特征值: ? 标准偏差和离散度表示: ?s ? ? (d i ? d W ) ? fi 2 ? ? ? ?s / dW ? ? 偏差系数表示: d 85 ? d15 CV ? d 50 二)搅拌对粒径及粒径分布的影响: ? ? 相关因素:分散剂性质与用量;搅拌强度。 搅拌时液滴直径与液-液分散受何种控制有关: 纯湍流分散(忽略合并): ?2 / 5 d pmax ? K (? / ? )1 / 5 ( N 3 D 2 ) ?2 / 5 ? P V ? 粘性剪切分散: 合并控制: d p d pmax ? ( ND) ?2 ? max ?P V ?1/ 4 作业 ? 在一直径为2m的圆筒形槽内,装有密度 为 1250kg/m3、粘度为 0.25Pa.s 的液体, 其深度为 1.5m 。今用 D=1m, b=0.4m, np=2, ?=90o的桨式叶轮以100转/分的速 度进行搅拌,求所需功率。(按均相流体 考虑)。