1 / 29

第 3 章 液体的搅拌

第 3 章 液体的搅拌. 3.1 概述 3.2 混合机理 3.3 搅拌器的性能 3.4 搅拌功率 3.5 搅拌器的放大 3.6 其他混合设备. 3.1 概述. 搅拌的目的 ( 1 )加快互溶液体的混合; ( 2 )使液体以液滴形式分散于另一种不互溶液体中; ( 3 )使气体以气泡形式分散于液体中; ( 4 )使固体颗粒在液体中悬浮; ( 5 )加强冷热液体间的混合以强化液体与器壁的传热。 一种搅拌器在实际操作时具有不同作用, 例如,气液相催化反应器。 机械搅拌器 :工业上为了达到搅拌目的。. 3.1 概述.

gerda
Télécharger la présentation

第 3 章 液体的搅拌

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. 第 3 章 液体的搅拌 3.1 概述 3.2 混合机理 3.3 搅拌器的性能 3.4 搅拌功率 3.5 搅拌器的放大 3.6 其他混合设备

  2. 3.1 概述 • 搅拌的目的 • (1)加快互溶液体的混合; • (2)使液体以液滴形式分散于另一种不互溶液体中; • (3)使气体以气泡形式分散于液体中; • (4)使固体颗粒在液体中悬浮; • (5)加强冷热液体间的混合以强化液体与器壁的传热。 • 一种搅拌器在实际操作时具有不同作用,例如,气液相催化反应器。 • 机械搅拌器:工业上为了达到搅拌目的。

  3. 3.1 概述 • 3.1.1 搅拌器的类型 • 3.1.2 混合效果的度量 • 调匀度 • 分隔尺度 • 宏观混合与微观混合

  4. 3.1.1 搅拌器的类型 3.1 概述 • 常见的搅拌器结构。 • 工作原理分两大类型:旋桨式和涡轮式。 • 旋桨式的工作原理与轴流泵叶轮相同,流量大压头低,液体作轴向和切向运动; • 涡轮式的工作原理与离心泵叶轮相似,流量小压头高,液体作径向和切向运动; 大部分为旋桨式,主要有:平直叶和折叶桨式搅拌器,2个叶片;锚式和框式搅拌器搅拌器,螺带式搅拌器。 其它有气流、静态混合、射流混合、管道混合。

  5. 3.1.2 混合效果的度量 3.1 概述 • 搅拌操作以物料混合为目的,搅拌效果的评价准则为调匀度(均相)和分隔尺度(非均相)。 • 调匀度(均相物系) • A、B混合的浓度cA0 • 某时刻取样的浓度为cA,调匀度I表示两者的偏差程度 传热、传质、反应的评价准则? I <1 平均调匀度表示m个样品的混合程度

  6. 3.1.2 混合效果的度量 3.1 概述 • 分隔尺度 • 以液滴或气泡形式分散于另一种不互溶的液体中。调匀度不能反映混合状态,与取样的大小有关。取样体积大均匀,体积小可能不均匀。 • 分隔尺度:气泡、液滴和固体颗粒的大小,直径分布。 • 宏观混合与微观混合 • 混合效果的度量与考察尺度有关-混合尺度:设备尺寸、微团、最小旋涡尺度、分子尺度-分子扩散。

  7. 3.2 混合机理 • 3.2.1 搅拌器的两功能 • 釜内的总体流动与大尺度的混合 • 强剪切或高度湍动与小尺度的混合 • 3.2.2 均相液体的混合机理 • 低粘度液体的混合 • 高粘度及非牛顿流体的混合 • 3.2.2 非均相物系的混合机理 • 液滴或气泡的分散 • 固体颗粒的分散

  8. 3.2.1 搅拌器的两功能 3.2 混合机理 • 釜内的总体流动与大尺度的混合 • 搅拌器的旋转带动流体作切向圆周运动,同时作轴向或径向的流动,这是大尺度的混合。 • 旋桨式:产生轴向流动-液体往下推动-射出。 • 涡轮式:产生径向流动-液体离心力抛出-射出。

  9. 3.2.1 搅拌器的两功能 3.2 混合机理 • 强剪切或高度湍动与小尺度的混合 • 低粘度流体,高速射流核心与周围流体因速度梯度形成强剪切,对低粘度液体产生大量旋涡,旋涡分裂使微元分散、尺度减小。 • 高粘度流体,层流流动,搅拌桨推动液体与周围运动缓慢的流体形成强剪切,强剪切使微元分散、尺度减小。 • 微元分散形成较小的尺度,达到小尺度的混合。

  10. 3.2.2 均相液体的混合机理 3.2 混合机理 • 低粘度液体的混合 • 总体流动将液体破碎成较大液团带至设备各处,小尺度的混合是高度湍动液流的旋涡造成,不是桨叶直接打击的结果。 • 不同尺度和不同强度的旋涡对液团有不同程度的破碎作用,旋涡尺度小,破碎作用大,微元小。 • 旋涡尺度和强度与流体总体流动湍动有关。流体总体流动湍动越高,旋涡尺度小,数量越多,搅拌越好。

  11. 3.2.2 均相液体的混合机理 3.2 混合机理 • 高粘度及非牛顿流体的混合 • 高粘度流体为层流操作,混合机理主要是总体流动。同时桨叶端部的高剪切分割液团,达至宏观的混合。 • 桨叶的结构,低转速,大直径搅拌器。 • 非牛顿流体的混合 • 剪切稀化,即高速度梯度使流体粘度减小,易于流动,促使流体混合。选择低转速,大直径搅拌器。

  12. 3.2.2 非均相物系的混合机理 3.2 混合机理 • 液滴或气泡的分散 • 分散相和连续相-破碎液体或气体为分散相。 • 液滴或气泡的分散依靠高度湍动。 • 界面张力使液滴团聚(表面积最小),抵抗液滴变形或破碎。如果克服界面张力,液滴将变形。 • 总体流动高度湍动,存在着方向迅速变换的湍流脉动,液滴产生相对速度很大的绕动。绕动结果,沿液滴表面产生不均匀的压强分布和表面剪应力,将液滴压扁并扯碎。湍动程度越大,液滴尺度越小。

  13. 液滴或气泡的分散 3.2.2 非均相物系的混合机理 • 实际搅拌过程:大液滴的破碎和小液滴的合并,导致液滴的不均匀分布,实际液滴尺寸分布取决于破碎和合并的抗衡。 • 流体湍动程度不均也是造成液滴尺寸分布不均的重要因素。叶片不同区域液滴尺寸不同。 • 使液滴尺寸分布均匀的方法: • 1. 设备内湍动程度分布均匀; • 2. 液体中加入表面活性剂或保护胶,使液体不易合并。 • 气体的分散:分散比液体困难,一般2~5 mm。

  14. 3.2.2 非均相物系的混合机理 3.2 混合机理 • 固体颗粒的分散 • 细颗粒的分散 • 固体表面发生润湿过程,液体取代气体进入颗粒间的间隙,颗粒团聚被流体动力所打散。搅拌不改变颗粒的大小,达到小尺度的宏观混合。 • 粗颗粒的分散 • 搅拌慢,颗粒沉于釜底,降低固液接触面。 • 悬浮临界转速:全部颗粒离开釜底悬浮起来的转速。实际操作搅拌转速大于临界转速,保证两相有充分接触界面。

  15. 3.3 搅拌器的性能 • 3.3.1 几种常见搅拌器的性能 • 桨式搅拌器 • 涡轮搅拌器 • 大叶片低转速搅拌器 • 3.3.2 强化湍动的措施 • 提高搅拌转速 • 阻止容器内液体的圆周运动 • 导流筒

  16. 3.3.1 几种常见搅拌器的性能 3.3 搅拌器的性能 • 旋桨式搅拌器 • 直径小,转速大,叶片端部的圆周速度为5~15m/s,适用低粘度流体的搅拌。 • 旋桨产生轴向流动,液体流向釜底,折回返入旋桨入口。 • 适用大尺寸的调匀, • 固体的悬浮,形成大 • 循环量的总体流动。

  17. 几种常见搅拌器的性能 3.3 搅拌器的性能 • 涡轮搅拌器 • 工作原理与双吸式叶轮相似,直径小,转速大,端部切线速度为3~8m/s,适用低粘度和中等粘度流体的搅拌。 • 涡轮搅拌器产生出口速度大,产生激烈的旋涡运动和很大的剪切力,使液体微团较细分散。 • 适用小尺寸均匀混合,不适用易分层的物料和重固体物料的混合。

  18. 几种常见搅拌器的性能 锚式 3.3 搅拌器的性能 • 大叶片低转速搅拌器 • 旋桨式搅拌器和涡轮搅拌器不适用高粘度流体,原因是转速大,阻力损失大,湍动程度随距离迅速下降。 • 桨式搅拌器:转速小桨式大(0.5~0.8D),可用于较高粘度液体的搅拌,液位高,在轴上安装数个桨式搅拌器。 • 锚式和框式搅拌器:直径略小于容器,转速很小,在桨叶外延和容器内壁间产生较大的剪切作用,适用粘度很高的液体搅拌;但不产生轴向流动,混合不均。 框式 桨式 涡轮

  19. 3.3.2 强化湍动的措施 3.3 搅拌器的性能 湍动强化-搅拌器产生的压头大,阻力损失大。 • 提高搅拌转速 • 搅拌转速提高,搅拌器产生的压头大,因为压头H与转速n2成正比。 • 阻止容器内液体的圆周运动 • 旋桨式搅拌器和涡轮搅拌器产生快速圆周运动,使轴心处液体下凹,降低容器的有效容积,严重使空气吸入,破坏正常操作。 • (1)搅拌器内装挡板 • 阻止液体圆周运动,挡板后产生旋涡,提高混合效果,轴心处液体下凹基本消失,对轴向径向流动不影响。 • (2)破坏回路的对称性 • 搅拌器偏心或倾斜安装,破坏循环回路的对称性,增加旋转运动的阻力,增加湍动,提高混合效果,消除液面下凹现象。

  20. 3.3.2 强化湍动的措施 • 导流筒 • 严格控制液体流动方向,消除短路和死区。同时抑制圆周运动,增加湍动程度、提高混合效果。 • 旋桨式搅拌器安装在外面。 • 涡轮搅拌器安装在上方。 • 特别是易悬浮的固体混合是非常有效的。

  21. 3.4 搅拌功率 • 3.4.1 搅拌器的混合效果与功率消耗 • 3.4.2 功率曲线 • 3.4.3 搅拌器功率的分配

  22. 3.4.1 搅拌器的混合效果与功率消耗 3.4 搅拌功率 • 搅拌器的功率与泵相同,功率为 • P=ρgHqV • 为了达到一定的混合效果,有足够大的流量和压头,即搅拌器的功率足够大。 • 低粘度液体:与泵设计不同,不是提高效率,而是提高功率的消耗,因此搅拌器的单位体积能耗是判断搅拌效率的标准。 • 搅拌器能耗的利用:能耗用于液体输送和液体湍动,搅拌器的选择非常重要。 • 快速均匀-提高输送量;液体湍动,提高液体的破碎度。

  23. 3.4.2 功率曲线 3.4 搅拌功率 • 过程复杂,通过经验关联。 • 影响因素:D、液体高度h、搅拌器离底部高度h1、挡板数和宽度b 、叶片形状长度l和宽度B、液体的性质、转速,通过无因次关联。 • P=f(ρ,μ,n,d,α1,α2,α3) • α1= D/d,α2=h/d,α3=l/d,均为常数 K-功率特征数,搅拌雷诺数ReM

  24. 3.4.2 功率曲线 3.4 搅拌功率 • 上式简化 • P=Kρn3d5 K=φ(ReM) • 将功率准数K与雷诺准数绘在双对数坐标图上即为功率曲。 或 • lgK=lgC+m lgReM • 在层流时(ReM <10),m=-1, P=Cμn2d3 • 高度湍流 (ReM >104),P与ReM无关。 P=Kρn3d5 K为常数 • 对于气液体混合需要修正 • 启动功率较大,对于小型搅拌器影响很大。

  25. 3.4.3 搅拌器功率的分配 3.4 搅拌功率 • 搅拌目的:大尺度混合,流量大,压头低;快速分散,流量小,压头大;不同的搅拌目的,有不同的选择。 • 流量取决于面积与速度的积 • qV ∝ nd·d2 • 压头与速度平方成正比 • H ∝ (nd)2 • H与qV的关系为 • 在高度湍流,功率P指定,n3d5为一定,则 即等功率下,提高直径降低转速有利于大尺度的调匀,减小直径提高转速有利于微观混合,湍动程度提高。

  26. 3.5 搅拌器的放大 • 搅拌器的设计: • (1)搅拌器的类型和搅拌釜的形状,满足工艺过程的混合要求; • (2)确定搅拌器的尺寸、功率和转速。 • 搅拌器的类型和搅拌釜的形状通过实验确定。 • 方法:通过在不同的小型搅拌装置,加入与生产相同物料,改变转速进行实验,从中确定满足混合效果的搅拌器类型。然后进行放大,按一定放大准则确定尺寸、转速和功率。

  27. 放大准则(物料相同) 3.5 搅拌器的放大 • (1)搅拌雷诺数(ρnd2/μ)不变 • (2)单位体积能耗(P/V0)不变 • (3)叶片端部切向速度πnd不变 • n1d1 = n2d2 • (4)流量与压头之比(qV/H)不变 具体哪个放大好, 通过实验放大确定

  28. 逐级放大实验 3.5 搅拌器的放大 • 逐级放大试验步骤:在三个几何相似大小不同的小型或中型试验装置中,改变搅拌转速进行试验,获得混合效果,判断上面四个放大准则中最为理想的,确定大型搅拌器的尺寸和转速。 • 如果四个放大准则都不适用,进一步探索放大规律,再进行放大。 • 大型搅拌器的功率可通过小型试验装置的功率曲线确定。

  29. 3.6 其它混合设备 • 静态混合器 • 用于各种物系的混合、分散、传质、传热、化学反应、pH值控制和粉体混合。特点是没有运动部件,维修方便,操作连续,费用低。 • 管道混合器 • 管路机械搅拌装置,在搅拌腔内有一级或二级叶轮,用于低粘度液体搅拌,同时在腔内设有挡板或多孔板,防止液体旋转。 • 射流混合 • 射流由喷嘴射出,造成很大有速率梯度形成旋涡。旋涡导致射流对周围流体的夹带,引起流体的总体流动,当喷嘴安装位置不同,产生不同的总体流动。

More Related