化工原理第三章 液体的搅拌.doc

第三章 液体的搅拌
一、搅拌目的和方法
1、搅拌目的
均相混合： 互溶液体的混合
非均相混合：不互溶液体的分散、接触
液、液
气、液的分散、接触
固体颗粒在液体中悬浮接触（cat）
传热
2、方法
机械搅拌 （图3-1）
气流搅拌、射流搅拌、静态混合、管道混合

二、搅拌器的类型与选用（表3-1）
根据工作原理分类：
旋浆式：（工作原理类似轴流泵叶轮
轴向、切向运动）
大流量、低压头
涡轮式：（工作原理类似离心泵叶轮，
径向、切向运动）
小流量、高压头

三、混合效果的度量
（传热：传热系数；反应：转化率）
1、调匀度：使完全均匀混合后，平均浓度

在搅拌器内任意地取样分析浓度，则定义调匀度：
（当时）
（当时）
显然，I<1，完全均匀时，I=1
调匀度只能反映某局部的混合均匀效果，且其值与取样量的多少有关，整体混合效果用平均调匀度：

2、混合尺度（分隔尺度） 图3-2
分散物质微团尺寸（分隔尺度）的大小与调匀度应同时作为搅拌效果的描述指标，对不同的物系，其可能达到的尺度：
互溶液体： 分子尺度
不互溶液体：只能达到微团尺度，搅拌越激烈，
微团尺度越小
液固系统： 只能大尺度

四、混合机理
1、 大尺度的混合机理：（混合均匀）
对微团尺度无要求，只要求微团均匀分布在容器内各处，要求搅拌器能产生强大的循环流量（总体流动），并且无流动死角。
（总体流动：图3-3、3-4）

2、小尺度混合机理
A .微团的形成：由于流体内部的剪切力使液滴
变形，碎成小液滴，湍动越激烈，
剪切力越大，微团尺度越小。
高压头——大 小尺度
大流量——混合均匀

B .互溶液体的混合机理:
分子尺度的混合，只能靠分子扩散完成。搅拌
只是将大液滴-->小液滴，即微团分散成小尺度，缩短达到分子尺度的时间，加快混合速度。

C. 不互溶液体的混合机理:
总体流动只能获得较大的液滴和较好的均匀性，要得到小尺度的混合，须增加液滴与连续相的相对速度（剪切力）和表面压力，使液滴破碎。
所以，大尺度混合只须大的总体流量，而对湍动要求不高。为达到小尺度混合均匀，除产生强大的总体流动 ，还须产生强大湍动。总体流动的湍流程度越高，液滴尺寸越小。

3 、液滴尺度的分布
表面张力----小液滴合并
剪切力-----大液滴破碎 （抗衡）
当容器内湍动不均匀时，则液滴分布不均匀，为使
液滴分布均匀，采取的措施：
A. 设法使容器内湍动分布均匀
B. 加表面活性剂，改变液滴的表面张力
（如高分子单体聚合）

五、搅拌器的两大功能
1． 产生强大的总体流动（循环流动）
2． 产生高度的湍流（强剪切力）
几种常用搅拌器的性能：
（1） 旋浆式搅拌器
（循环量大，湍动弱，圆周运动）
悬桨产生轴向流动，大尺寸调匀
（2） 涡轮式搅拌器
（两路循环，湍动强，圆周运动）
桨叶外缘造成激烈的旋涡运动和很大的剪切力，液体微团分散细，适合于小尺度均匀的混合过程。
（3）大叶片低速搅拌器 （适合高粘度）
（包括浆式，锚式，框式，螺带式等）
浆式：径向范围大，轴向流动范围不大
螺带式：径向范围大，轴向流动范围大

六、强化湍动的措施
湍动程度以搅拌器产生的压头反映，
湍动——阻力损失
1． 提高搅拌器的转速 H∝n2
2． 阻止容器内液体的圆周运动
按装挡板（图3-5）
偏心安装（破坏对称性）（图3-6）
3． 装导流筒（图3-7）

七、搅拌功率
1. 搅拌功率：搅拌器消耗的能量用于向液体提供能量。

大尺度：qv大 小尺度：H大 P大
对搅拌器,要求能消耗更多的功率（如设置挡板）,以获得较好的搅拌效果。（与泵不同）
搅拌器设计：不是设法提高效率η
而是设法增加功率P
能量利用

2 .功率曲线
影响功率的因素有：
搅拌器直径d，叶片数，容器直径D，
液体高度h，搅拌器离底距离，档板数。

因次分析法：
对几何相似的搅拌装置：

功率准数K ：

搅拌雷诺数 ： ，
图3-9：

层流区：

湍流区:
,K常数,

3 .搅拌功率的分配
流量取决于面积（）与速度（）

(压头正比于速度的平方)

结论：若希望达到大尺度混合时，应选择旋浆式
的搅拌器和大直径低速度的搅拌器，反之，则应
选择涡轮式和小直径高转速的搅拌器。

八、搅拌器的放大
1.搅拌器的研究及设计要解决的问题
A .搅拌器的类型，几何形状与尺寸
B. 搅拌器的操作转速、输入功率
2.放大原则
A.保持放大前后雷诺数相等
即
B.保证放大前后单位容积流体的功率相等
即
C.保持叶片端部切向速度相等
即
D.保持放大前后V/H相等
即

九、放大原则的确定
具体采用何种原则由中试确定，无论选用何种
放大原则都要以放大后混合效果与小实验时的
混合效果等价为根本准则。

十、其他混合设备
静态混合器（图3-10）
管道混合器
射流混合
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