化工原理第03章.ppt

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1、3.1 概述概述 工业背景工业背景(录像录像)3.1.1 搅拌的目的搅拌的目的(录像录像)和方法和方法目的目的(1)均相互溶液体的混合均相互溶液体的混合(2)多相物体的分散和接触多相物体的分散和接触 气泡分散于液体中气泡分散于液体中 液滴分散于不互溶液体中液滴分散于不互溶液体中 (动画动画)(录像录像)固体颗粒悬浮于液体中固体颗粒悬浮于液体中（催化剂）（催化剂）(3)强化传热：强化传热：(4)冷热液体混合、强化液体与器壁的传热；冷热液体混合、强化液体与器壁的传热；第第3章章 液体搅拌（动量传递）液体搅拌（动量传递）方法方法 机械搅拌机械搅拌 气流搅拌、射流搅拌、静态混合、管道混合气流搅拌、射流

2、搅拌、静态混合、管道混合3.1.2 搅拌器的类型搅拌器的类型按工作原理可分按工作原理可分两大类两大类：旋桨式旋桨式：旋桨：旋桨(动画动画)（工作原理类似（工作原理类似轴流泵叶轮轴流泵叶轮 轴向、切向运动）轴向、切向运动）特点特点大流量、低压头；大流量、低压头；涡轮式涡轮式：涡轮：涡轮(图图)、平直叶、平直叶(动画动画)（工作原理类似（工作原理类似离心泵叶轮离心泵叶轮，径向、切向运动），径向、切向运动）特点特点小流量、高压头；小流量、高压头；螺带式螺带式(动画动画)、锚式、锚式(动画动画)、框式、框式(动画动画)特点特点适应于高黏度的流体；适应于高黏度的流体；3.1.3 混合效果的度量混合效果的

3、度量（1）调匀度）调匀度 I使完全均匀混合后，平均体积浓度为：使完全均匀混合后，平均体积浓度为：任意地取样分析浓度，则定义调匀度：任意地取样分析浓度，则定义调匀度：当当CACA0显然，显然，I1，完全均匀时，完全均匀时，I=1调匀度调匀度只能反映某局部的混合均匀效果，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，整体混合且其值与取样量的多少有关，整体混合效果用效果用平均调匀度：平均调匀度：（2）分隔尺度）分隔尺度分散物质分散物质微团尺寸微团尺寸（分隔尺度分隔尺度）的大小与调匀度）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，应同时作为搅拌效果的描述指标，对不同的物系，其可

4、能达到的尺度：其可能达到的尺度：互溶液体：互溶液体：分子尺度；分子尺度；不互溶液体：只能达到微团尺度，搅拌越激烈，不互溶液体：只能达到微团尺度，搅拌越激烈，（或气液）或气液）微团尺度微团尺度 越小；越小；液固系统：液固系统：只能大尺度；只能大尺度；对多相分散物系，对多相分散物系，分隔尺度分隔尺度（气泡、液滴和固体（气泡、液滴和固体颗粒的大小和直径分布）是搅拌的重要指标。颗粒的大小和直径分布）是搅拌的重要指标。（3）宏观混合与微观混合）宏观混合与微观混合设备尺度设备尺度混合混合总体流动总体流动旋涡尺度旋涡尺度混合混合剪切力场剪切力场（液滴大小分布、气泡大小分布）（液滴大小分布、气泡大小分布）分子

5、尺度分子尺度混合混合分子扩散分子扩散3.2 混合机理混合机理3.2.1 搅拌器的搅拌器的两个功能两个功能（1）产生强大的总体流动（循环流动）产生强大的总体流动（循环流动）（2）产生强剪切或高度湍动）产生强剪切或高度湍动注意注意：流体不是靠桨叶直接打碎的，而是靠高剪：流体不是靠桨叶直接打碎的，而是靠高剪 切力场撕碎的。切力场撕碎的。3.2.2 均相液体的混合机理均相液体的混合机理（1）低黏度液体的混合）低黏度液体的混合 总体流动总体流动+高度湍动高度湍动 最小液团尺寸为最小液团尺寸为10m量级量级（2）高黏度及非牛顿流体的混合）高黏度及非牛顿流体的混合 多处于层流状态多处于层流状态混合机理主要依

6、赖于混合机理主要依赖于 充分的总体流动。充分的总体流动。3.2.3 非均相物系的混合机理非均相物系的混合机理（1）液滴或气泡的分散）液滴或气泡的分散界面张力是抗力，界面张力是抗力，大不易分散大不易分散稳定时，液滴破碎与合并达动态平衡稳定时，液滴破碎与合并达动态平衡液滴大小分布不均的原因：液滴大小分布不均的原因：叶片附近叶片附近剪切强度大、液滴小；剪切强度大、液滴小；边角处边角处剪切强度小、液滴大。剪切强度小、液滴大。措施：措施：尽量使釜内湍动程度均匀；尽量使釜内湍动程度均匀；加少量保护胶或表面活性剂，使液滴难以合并。加少量保护胶或表面活性剂，使液滴难以合并。（2）固体颗粒的分散）固体颗粒的分散

7、 细颗粒细颗粒打散颗粒团聚体打散颗粒团聚体 粗颗粒粗颗粒全部颗粒离底悬浮全部颗粒离底悬浮 操作转速应大于悬浮临界转速操作转速应大于悬浮临界转速（3）搅拌器的性能）搅拌器的性能3.3.1 常用搅拌器的性能常用搅拌器的性能（1）旋桨式搅拌器旋桨式搅拌器(录像录像)qV大，大，H小小，轴向流出，轴向流出叶片端速度叶片端速度515m/s适于低黏度液体适于低黏度液体10Pas（2）涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器(录像录像)qV小，小，H大大，径向流出，径向流出叶片端速度叶片端速度38m/s适于中等黏度液体适于中等黏度液体50Pas（3）大叶片低转速搅拌器大叶片低转速搅拌器(录像录像)锚式、框式、螺带式锚式、框

8、式、螺带式 端部速度端部速度0.51.5m/s 适于高黏度液体、颗粒悬浮液适于高黏度液体、颗粒悬浮液 能防止器壁沉积现象能防止器壁沉积现象（4）性能综述性能综述(录像录像)3.3.2 强化过程的工程措施强化过程的工程措施 不利因素不利因素抑制；有利因素抑制；有利因素调动调动3.3.2.1 不利因素不利因素（1）打旋打旋 卷入空气卷入空气 电机负荷电机负荷不稳定不稳定 液体溢出液体溢出（2）流体走短路）流体走短路 qV不足不足 有死区有死区（3）阻力不足）阻力不足能量加不进、打滑能量加不进、打滑 3.3.2.2 工程措施工程措施(1)提高转速提高转速提高流量提高流量qV、压头压头H(2)阻止容器

9、内液体的圆周运动阻止容器内液体的圆周运动 加挡板加挡板消除打旋，增加阻力消除打旋，增加阻力 四块挡板四块挡板全挡板全挡板 (录像录像)偏心安装偏心安装 破坏循环回路破坏循环回路 的对称性的对称性 (录像录像)(3)装导流筒装导流筒避免短路及死区避免短路及死区旋浆式加导流筒后的搅拌状态涡轮式加导流筒后的搅拌状态3.4 搅拌功率搅拌功率3.4.1 混合效果与功率消耗混合效果与功率消耗功率消耗功率消耗 P=gHqV 大尺度：大尺度：qv大；小尺度：大；小尺度：H大；大；P大大 对搅拌器对搅拌器,要求要求能消耗更多的功率能消耗更多的功率（如设置挡板）（如设置挡板）,以获得较好的搅拌效果。（与泵不同）以

10、获得较好的搅拌效果。（与泵不同）搅拌器设计：搅拌器设计：不是设法提高效率不是设法提高效率，而是设法增加，而是设法增加功率功率P改善混合效果改善混合效果能量合理有效利用能量合理有效利用与桨形、尺寸选择有关与桨形、尺寸选择有关如需要快速分布，要有大流量；如需要快速分布，要有大流量；如需要高破碎度，要有高湍动。如需要高破碎度，要有高湍动。所以搅拌装置要针对性地设计。所以搅拌装置要针对性地设计。3.4.2 功率曲线功率曲线(录像录像)(1)影响因素影响因素P=f(d,n,h,D)无量纲化无量纲化几何相似条件下，对应边成同一比例，几何相似条件下，对应边成同一比例，都相同，都相同，此时，此时，（2）功率曲

11、线）功率曲线 功率准数功率准数K与搅拌雷诺数与搅拌雷诺数ReM的关系的关系实验结果为：实验结果为：应用条件：几何相似应用条件：几何相似功率功率 P=Kn3d53.4.3 搅拌功率的分配搅拌功率的分配当当P=Kn3d5为一定值时为一定值时 或或小直径，高转速小直径，高转速强剪切力场，有利于微观混合强剪切力场，有利于微观混合大直径，低转速大直径，低转速大流量，有利于大尺度的调匀大流量，有利于大尺度的调匀转速与直径可根据需要而人为调整转速与直径可根据需要而人为调整3.5 搅拌器的放大搅拌器的放大3.5.1 放大过程（设计）放大过程（设计）小试小试中试中试工业设计，逐级放大工业设计，逐级放大设计中要解

12、决：设计中要解决：（1）搅拌器的类型、搅拌釜的形状搅拌器的类型、搅拌釜的形状 看工艺过程特点看工艺过程特点（2）几何尺寸、转速几何尺寸、转速n、功率功率P 看放大准则看放大准则几何相似放大几何相似放大便于用同一根功率曲线便于用同一根功率曲线3.5.2 放大准则放大准则（1）不变，不变，（2）单位体积能耗单位体积能耗 不变，不变，,（3）叶片端部切向速度不变，叶片端部切向速度不变，（4）不变，不变，具具体体要要看看混混合合效效果果，可可能能这这四四个个准准则则都都不不适适用，须找新的放大规律。用，须找新的放大规律。3.6 其他混合设备其他混合设备(1)静态混合器静态混合器(录像录像)(2)管道混

13、合器管道混合器(动画动画)(3)射流混合器射流混合器(动画动画)(4)气流搅拌器气流搅拌器(录像录像)射流现象射流现象 作用作用 夹带夹带 剪切剪切,脉动脉动工业背景工业背景 返回返回搅拌的目的搅拌的目的 返回返回搅拌釜搅拌釜 返回返回搅拌釜结构搅拌釜结构 返回返回旋桨旋桨 返回返回螺带式螺带式 返回返回锚式锚式 返回返回框式框式 返回返回涡轮涡轮 返回返回平直叶平直叶 返回返回旋桨式搅拌器旋桨式搅拌器 返回返回涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器 返回返回大叶片低转速搅拌器大叶片低转速搅拌器 返回返回性能综述性能综述 返回返回加挡板加挡板 返回返回偏心安装偏心安装 返回返回功率曲线功率曲线 返回返回静态混合器静态混合器 返回返回管道混合器管道混合器 返回返回射流混合器射流混合器 返回返回气流搅拌器气流搅拌器 返回返回