流體力學(xué)學(xué)習(xí)資料總結(jié)攪拌演示文稿第一頁，共三十一頁。第1章流體力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)第2章流體粘性第3章流體運(yùn)動(dòng)第4章流體攪拌4-2攪拌功率計(jì)算4-3攪拌器的流動(dòng)特性及轉(zhuǎn)速確定4-1攪拌反應(yīng)器的選用第二頁，共三十一頁。場(chǎng)論

張量梯度散度旋度壓縮性易流動(dòng)性粘性質(zhì)量力表面力（壓強(qiáng)剪切力）運(yùn)動(dòng)粘度動(dòng)力粘度

粘溫關(guān)系流體類型

牛頓流體非牛頓流體擬（假）塑性流體流體運(yùn)動(dòng)描述-拉格朗日法/歐拉法流量流速流線跡線流面流管流束層流湍流雷諾準(zhǔn)數(shù)伯努利方程式

攪拌器類型軸向流徑向流切向流打旋擋板導(dǎo)流筒…………場(chǎng)論

張量梯度散度旋度壓縮性易流動(dòng)性粘性質(zhì)量力表面力（壓強(qiáng)剪切力）運(yùn)動(dòng)粘度動(dòng)力粘度

粘溫關(guān)系流體類型

牛頓流體非牛頓流體擬（假）塑性流體流體運(yùn)動(dòng)描述-拉格朗日法/歐拉法流量流速流線跡線流面流管流束層流湍流雷諾準(zhǔn)數(shù)伯努利方程式

攪拌器類型軸向流徑向流切向流打旋擋板導(dǎo)流筒…………第三頁，共三十一頁。4-1攪拌反應(yīng)器的選用攪拌反應(yīng)器作用：1）推動(dòng)液體流動(dòng)，混勻物料2）產(chǎn)生剪切力，分散物料，并使之懸浮3）增加流體的湍動(dòng)，提高傳熱效率4）加速物料的分散與合并，增大物質(zhì)的傳遞速率……攪拌反應(yīng)器內(nèi)流體流動(dòng)狀況：宏觀流動(dòng)：指流體以大尺寸（凝集流體、氣泡、液滴）在大范圍（整個(gè)釜內(nèi)空間）中的流動(dòng)狀況，也稱循環(huán)流動(dòng)（軸向、切向、徑向）微觀流動(dòng)：指流體以小尺寸（小氣泡、液滴分散成小微滴）在小范圍（氣泡、液滴大小空間）中湍流狀況，微觀流動(dòng)是由于攪拌槳的剪切作用而引起的局部混合作用，它促使氣泡、液滴細(xì)微化，最后由于分子擴(kuò)散達(dá)到微觀混合。第四頁，共三十一頁。槳式攪拌器：槳葉構(gòu)形為平槳、斜槳、錨形槳或框形槳；平槳轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)主要是水平液流，攪拌不激烈；斜槳除水平液流外，還有向上或向下的垂直液流，攪拌較激烈；對(duì)于高黏度液體攪拌，一般把形狀做成錨式或框式，與釜壁間隙小，轉(zhuǎn)速低，剪切作用小，但是攪拌范圍大，不易產(chǎn)生死區(qū)，特別是必須通過釜壁傳熱時(shí)，可以利用槳葉刮掃來防止攪拌器與釜壁間產(chǎn)生滯流層，促進(jìn)傳熱。粘度高于103Pa.s時(shí)，由于功率消耗太大，不宜采用。不同類型攪拌器特點(diǎn)：推進(jìn)式攪拌器：攪拌時(shí)，流體的由槳葉上方吸入，而由下方以圓筒狀螺旋形排出，即驅(qū)使流體向下流動(dòng)，軸向分速度使液體沿軸向流動(dòng)，待流至釜底再沿壁折回至螺旋槳上方，形成軸向循環(huán)流動(dòng)，同時(shí)也存在部分徑向運(yùn)動(dòng)。適用于液體黏度低，液量大的液體攪拌，利用較小的攪拌功率通過高速轉(zhuǎn)動(dòng)的槳葉獲得良好的攪拌效果。由于其剪切作用不大，循環(huán)性能好，屬于循環(huán)型攪拌器，與平槳合用，可增加剪切作用。第五頁，共三十一頁。渦輪式攪拌器：又稱透平攪拌器，有開式和閉式兩類。根據(jù)槳葉形狀，有平直葉片、彎曲葉片、傾斜葉片等。從流動(dòng)情況分析，物料被抽吸后，在離心力作用下，液體作切向和徑向流動(dòng)，并以很高的絕對(duì)速度從出口沖出。出口液體的徑向分速度使液體流向壁面，然后分成上、下兩路回流入攪拌槳葉，形成徑向流況的循環(huán)流動(dòng)，徑向流動(dòng)方向主要與釜壁和轉(zhuǎn)軸垂直，并在釜壁和轉(zhuǎn)軸附件折轉(zhuǎn)而向上、下垂直流動(dòng)，此時(shí)既有垂直液流，又有徑向液流，使液體有良好的從頂?shù)降椎姆D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而有利于液體混合。渦輪式攪拌器有較大的剪切力，可以使液體微團(tuán)分散的很細(xì)，適用于低黏度到中等黏度液體的混合、液-液分散、液-固懸浮及促進(jìn)良好的傳熱、傳質(zhì)或化學(xué)反應(yīng)平直葉片剪切作用較大，彎葉是指葉片朝著流動(dòng)方向彎曲，可以降低功率消耗，，但是其剪切作用沒有直葉的好，適用于含有易碎固體顆粒的液體攪拌。斜槳的排液能力不如其他渦輪大，但由于旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的軸向流動(dòng)分量，有助于固體顆粒的懸浮。第六頁，共三十一頁。螺桿及螺帶式攪拌器：當(dāng)攪拌粘度大于10Pa.s的液體時(shí)，不宜采用槳式、渦輪式、推進(jìn)式攪拌器，此時(shí)攪拌功率消耗明顯增大，可用螺桿和螺帶式攪拌器。螺桿攪拌器又稱螺軸式攪拌器，通常將螺桿槳置于釜中心，釜內(nèi)設(shè)置離壁擋板或?qū)Я魍玻岣吒獌?nèi)液體的攪拌強(qiáng)度并造成一定的循環(huán)流行，提高混合效率。螺帶攪拌器適用于黏度極高的場(chǎng)合（如達(dá)103Pa.s）。螺桿/螺帶式攪拌器旋轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)螺帶迫使液體向下運(yùn)動(dòng)，外螺帶則迫使液體由下向上的運(yùn)動(dòng)，從而可使液體充分混合，不致產(chǎn)生停滯區(qū)。外螺帶還可以與釜內(nèi)壁很好地吻合，直接刮掃釜壁上的液體，有利于夾套式攪拌釜的傳熱。第七頁，共三十一頁。1、均相液體混合：主要控制因素是容積循環(huán)速率槳式攪拌器因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可優(yōu)先考慮，但其混合效率稍差，如果要求快速混合，可選用推進(jìn)式或渦輪式，湍流操作時(shí)，一般加擋板為宜。按工藝過程操作類別選用攪拌器的原則：2、非均相液體混合：主要控制因素是液滴大小（分散度）及容積循環(huán)速率為保證液體能分散成細(xì)滴，要求攪拌器有較大的剪切力；為保證液滴在釜內(nèi)均勻地分散，要求有較大的容積循環(huán)速率；渦輪式槳葉具有較大局部剪切作用和容積循環(huán)效率，對(duì)此類操作效果較好。其中以開式平直葉渦輪剪切作用最大，其液滴分散度最大。當(dāng)分散黏度較大液體時(shí)，考慮用彎葉渦輪，以減少動(dòng)力消耗。3、固體懸浮：保證顆粒均勻和不沉降主要因素是容積循環(huán)速率及湍流強(qiáng)度根據(jù)顆粒性質(zhì)及固含量選用攪拌器，當(dāng)固體粒子較大，固液密度差較大，固/液比＜30%，通常選用開式渦輪；粒子較小，固液密度差較小，固/液比60%~90%時(shí)，常選用平槳；推進(jìn)式適用于固液密度差小，固/液比＜50%時(shí)的攪拌。第八頁，共三十一頁。4、氣體吸收及氣液相反應(yīng)：保證氣體進(jìn)入液體后被打散，進(jìn)而能分散成更小氣泡并均勻分散，故控制因素是局部剪切作用、容積循環(huán)速率及高轉(zhuǎn)速

這類操作以圓盤式渦輪最理想，特別是在湍流區(qū)操作時(shí)，使用圓盤式渦輪可以防止氣體由噴氣圈進(jìn)入后，從攪拌槳葉中央固體旋轉(zhuǎn)部處走短路，降低吸收效果。5、高黏度體系：由于體系黏度很大，攪拌轉(zhuǎn)速低，物料處于層流狀態(tài)，不可能有明顯地局部剪切作用，控制因素是容積循環(huán)速率及低轉(zhuǎn)速由于體系黏度很大，攪拌轉(zhuǎn)速低，物料處于層流狀態(tài)，不可能有明顯的局部剪切作用。體系黏度大，靠單一徑向流和軸向流已不能適應(yīng)混合的需要，此時(shí)需要有較大的面積推動(dòng)力，隨著黏度增大可依次選用：透平、錨式、框式、螺桿、螺帶、特殊型高粘度攪拌器。聚合后期的高粘度操作：①變速攪拌裝置，以適應(yīng)不同階段的攪拌要求②多釜串聯(lián)，每釜按不同黏度設(shè)置合適的攪拌器及操作條件攪拌雷諾數(shù)不夠時(shí)，就可能出現(xiàn)在近釜壁處的液體處于停滯狀態(tài)，降低攪拌效果，如果是釜壁液體流動(dòng)所需要的最低雷諾數(shù)較小，表明該攪拌槳葉的攪拌效果好第九頁，共三十一頁。攪拌器選型表攪拌器適用液體范圍總之，攪拌器選用遠(yuǎn)非理論上可以加以推定，大量是依靠實(shí)踐與經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)！！！第十頁，共三十一頁。4-2攪拌功率計(jì)算攪拌器功率計(jì)算的用途：1）、衡量攪拌強(qiáng)度的主要物理量2）、攪拌器機(jī)械設(shè)計(jì)的基本依據(jù)3）、電機(jī)選用的重要依據(jù)

攪拌系統(tǒng)中，幾何因素（釜徑、槳葉寬度、擋板尺寸、液深）與槳葉直徑成正比，故影響攪拌功率的幾何因素可以歸結(jié)為攪拌器直徑的影響；攪拌功率與各影響因素間的函數(shù)關(guān)系式為：P=f(N,d,ρ,μ,g)式中P為攪拌功率,W；N為葉輪轉(zhuǎn)速，r/s；D為葉輪直徑，m；ρ為液體密度，kg/m3；μ為液體粘度，Pa·s；g為重力加速度，9.81m/s2。A、均相液體的攪拌功率：第十一頁，共三十一頁。攪拌功率的因次分析推導(dǎo)：第十二頁，共三十一頁。Np為功率準(zhǔn)數(shù)，是反應(yīng)攪拌功率的準(zhǔn)數(shù)；NRe為攪拌雷諾數(shù)，是反映物料流動(dòng)狀況對(duì)攪拌功率影響的準(zhǔn)數(shù)；NFr為弗勞德數(shù)，即流體的慣性力與重力之比，是反映重力對(duì)攪拌功率影響的準(zhǔn)數(shù)。K為系統(tǒng)的總形狀系數(shù)，反映系統(tǒng)的幾何構(gòu)型對(duì)攪拌功率的影響；p,q為指數(shù)，其值與物料流動(dòng)狀況及攪拌器型式和尺寸等因素有關(guān)。第十三頁，共三十一頁。第十四頁，共三十一頁。（1）層流區(qū)：攪拌時(shí)釜內(nèi)物料不會(huì)發(fā)生打旋現(xiàn)象，則重力對(duì)攪拌功率的影響可忽略，此時(shí)q=0，此時(shí)φ=Np；此時(shí)直線斜率近似-1，p=-1代入得：

則P=????N3D5

或

P=??1??N2D3

（K1為與攪拌器結(jié)構(gòu)型式有關(guān)常數(shù)）不同攪拌器K1、K2值(換表)第十五頁，共三十一頁。（2）過渡區(qū)：符合全擋板條件時(shí)，可不考慮打旋現(xiàn)象的影響，按照（1）中層流區(qū)公式計(jì)算攪拌功率；若NRe>300且釜內(nèi)未設(shè)置擋板，則重力影響不能忽略。

式中α，β為攪拌器型式和尺寸有關(guān)的的常數(shù)（3）湍流區(qū)：釜內(nèi)未設(shè)置擋板，物料會(huì)發(fā)生打旋現(xiàn)象，按照（2）中公式計(jì)算功率；若設(shè)置擋板，物料不發(fā)生打旋現(xiàn)象，故重力影響可以忽略；此時(shí)Φ值幾乎與NRe無關(guān)，即Φ為常數(shù)，從而有：攪拌器的α和β值（換表）

P=K2ρN3D5式中K2為與攪拌器結(jié)構(gòu)型式有關(guān)的常數(shù)第十六頁，共三十一頁。全擋板的概念：擋板數(shù)增加，動(dòng)力消耗也增加。當(dāng)擋板數(shù)增加到一定程度時(shí)，攪動(dòng)功率P增加到最大值，此時(shí)這種條件稱為“全擋板條件”。通常以擋板系數(shù)KB來表征擋板程度。式中，Bw為擋板寬度，T為釜徑，nB

為擋板塊數(shù)。當(dāng)KB=0.35時(shí)，稱為全擋板條件，當(dāng)KB=0時(shí)，為無擋板條件；在0~0.35之間時(shí)稱為部分擋板條件。通常釜內(nèi)安裝4塊Bw/T=0.1的擋板可近似看做全擋板條件處理。通常用KBF、KB、KBN分別為全擋板，部分擋板以及無擋板時(shí)的擋板系數(shù)。第十七頁，共三十一頁。B、非均相液體的攪拌功率關(guān)鍵是求出平均密度、平均黏度！！！

第十八頁，共三十一頁。

②氣-液非均相攪拌（經(jīng)驗(yàn)式(Calderbank的研究結(jié)果)）通氣時(shí)的攪拌功率可用下式計(jì)算:式中Ng為通氣時(shí)的攪拌功率，W；N為不通氣時(shí)的攪拌功率，W；Q為操作狀態(tài)下的通氣量，m3/s，n為葉輪轉(zhuǎn)速，r/s,d為葉輪直徑，m。第十九頁，共三十一頁。C、非牛頓液體的攪拌功率假塑性流體→粘度可變問題：難于確定釜內(nèi)流體的粘度和計(jì)算攪拌功率解決：計(jì)算NRe時(shí)表觀粘度μa代替粘度對(duì)象：非牛頓流體的攪拌功率的研究絕大多數(shù)是以層流為研究對(duì)象第二十頁，共三十一頁。非牛頓型液體的表觀黏度可用下式計(jì)算:式中μa為非牛頓型液體表觀黏度，Pa·s；K為稠度系數(shù)，取決于流體的溫度和壓力；m為流變指數(shù)，反映與牛頓型流體的差異程度。對(duì)于牛頓型流體，m=1；B為與攪拌器結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，其中K值，m，

及B參考下表。第二十一頁，共三十一頁。一、攪拌器的循環(huán)特性（qd、Nqd、Nqc、Nc、tc

）排出流量qd（泵送能力）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)從槳葉排出的流量排出流量qd與該液體離開槳葉的平均速度和槳葉掃過的面積的乘積有關(guān)。qd

∝ūAA∝D2，ū∝πND所以：qd

∝πND3即：qd=NqdND3Nqd=qd/ND3Nqd稱為排出流量數(shù)或泵送準(zhǔn)數(shù)，反映了攪拌的劇烈程度，是攪拌雷諾數(shù)NRe的函數(shù)4-3攪拌器的流動(dòng)特性及轉(zhuǎn)速的確定第二十二頁，共三十一頁。第二十三頁，共三十一頁。qc=qd+qiqc稱為循環(huán)流（參與循環(huán)流動(dòng)的所有液體的體積流量）；qi稱為同伴流（或稱為誘導(dǎo)流）層流時(shí)，qc=qd湍流時(shí)，qc＞qdNqc=qc/ND3Nqc—循環(huán)流量數(shù)影響Nqd和Nqc的主要因素是雷諾數(shù)和槳葉特性用循環(huán)次數(shù)Nc或循環(huán)時(shí)間tc表征攪拌器循環(huán)特性Nc=qc/V=NqcND3/Vtc=1/NcNc–循環(huán)次數(shù)，tc—循環(huán)時(shí)間V---器內(nèi)流體體積Nc是很重要的攪拌參數(shù)，常用來判別攪拌的劇烈程度第二十四頁，共三十一頁。普通攪拌

Nc=3-5次/分強(qiáng)烈攪拌

Nc=5-10次/分Np/Nqd=1~2時(shí)，為循環(huán)性攪拌器Np/Nqd＞3時(shí)，為剪切型攪拌器二、攪拌轉(zhuǎn)速的確定攪拌的“尺度”和“難度”，攪拌強(qiáng)烈程度的級(jí)別尺度：指攪拌體系中物料量的大小，流體體積VR，即VR=(πT2/4)H

T—釜直徑

H—液位高度難度：達(dá)到攪拌效果所需要克服的阻力，即混合液體的粘度差和密度差；懸浮粒子的沉降速度例如需要混合兩種物料的密度差和黏度差，需要保持懸浮粒子的沉降速率等第二十五頁，共三十一頁。1、混合和攪動(dòng)類型的攪拌轉(zhuǎn)速的確定法攪拌級(jí)別（攪拌的強(qiáng)烈程度），下表列出10個(gè)攪拌級(jí)別由表得總體流速（平均流速）：ū→qd→Nqd-NRe→N按照互混液體的密度差及粘度差的大小，可把混合與攪動(dòng)過程的激烈程度劃分為三檔10級(jí)：（不同攪拌級(jí)別的攪拌效果）攪拌級(jí)別總體流速（m/min）攪拌效果121.83.71至2級(jí)攪拌適用于混合密度差及粘度差別很小的液體。2級(jí)攪拌可將密度差別小于0.1，粘度差別小于100倍的液體混合均勻，液面平坦。34565.57.39.211.03至6級(jí)攪拌多是間歇反應(yīng)所需要的攪拌程度。6級(jí)攪拌可將密度差別小于0.6，粘度差別小于一萬倍的液體混合均勻。可使沉降速度小于1.2m/min的微量固體（固含量＜1%）保持懸浮；液體粘度小時(shí)，液面呈波浪形。7891012.814.616.518.37至10級(jí)攪拌為要求很高的聚合釜等反應(yīng)器所需要的攪拌程度。10級(jí)攪拌可將密度差別小于1.0，粘度差別小于10萬倍的液體混合均勻。可使沉降速度小于1.8m/min的固體（固含量＜2%）保持懸浮。液體粘度小時(shí)，液面產(chǎn)生大波浪。第二十六頁，共三十一頁。確定轉(zhuǎn)速的設(shè)計(jì)步驟：①、根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)確定攪拌釜的容積和釜徑T，液層深度Z。V=VR/φ=v0t(1+δ)/mφV--釜的容積VR---物料體積流量t---反應(yīng)時(shí)間φ–裝料系數(shù)δ–設(shè)備備用系數(shù)，一般為10%-15%m—反應(yīng)釜的個(gè)數(shù)②、選定槳葉直徑與釜徑的比值D/T，D/T一般在之間③、根據(jù)具體的工藝過程要求、難度情況確定攪拌級(jí)別，得出總體流速ū④、計(jì)算攪拌器的泵送流量qd

qd=ū(πT2/4)⑤、運(yùn)用Nqd-NRe關(guān)系圖求轉(zhuǎn)速N—用試差法第二十七頁，共三十一頁。2.懸浮類型攪拌轉(zhuǎn)速的確定法一、概念：攪拌的尺度和難度，攪拌強(qiáng)烈程度級(jí)別尺度：同樣是流體體積，即VR難度：懸浮粒子的沉降速度ut→i)計(jì)算法;ii)查圖法第二十八頁，共三十一頁。攪拌級(jí)別