第五章攪拌聚合釜內流體的流動與混合第五章攪拌聚合釜內流體的流動與混合學習目的與意義

物料的運動、熱量的交換、物質的傳遞總是與化學反應同時進行。反應速率由濃度、溫度、時間等決定；流動與混合決定物料濃度、溫度、停留時間分布等；攪拌決定流動與混合。學習目的與意義物料的運動、熱量的交換、物質的傳遞總是與化5.1概述攪拌釜：裝有攪拌器的釜式反應器。據統計，約占聚合反應器的80%其它具有攪拌裝置的容器：原料配制槽、加料罐、凝聚罐、漿料沉析槽、貯槽5.1概述攪拌釜：裝有攪拌器的釜式反應器。據統計，約占聚合機械攪拌作用：混合、攪動、懸浮、分散混合：體系中的不同物質混合均勻。攪動：物料強烈流動，提高傳熱、傳質速率。懸浮：細小顆粒在液體中均勻懸浮，防止沉降、加速溶解等。分散：氣體或液體在液體中充分分散成細小氣泡或液滴，促進傳質和反應，控制粒度。機械攪拌作用：混合、攪動、懸浮、分散混合：體系中的不同物質混攪拌釜應具有的功能：推動液體流動，混勻物料；提供剪切力，分散物料并使之懸浮；增加流體湍動，提高傳熱速率；加速物料的分散和合并，增大物質傳遞速率；高粘體系，更新表面，促使低分子物蒸出。攪拌釜應具有的功能：一、基本結構5.2攪拌釜攪拌釜攪拌容器攪拌機筒體換熱元件內構件夾套內盤管攪拌器攪拌軸密封裝置傳動裝置一、基本結構5.2攪拌釜攪拌釜攪拌容器攪拌機筒體換熱元件內1-電動機2-減速機3-機架4-人孔5-密封裝置6-進料口7-上封頭8-筒體9-聯軸器10-攪拌軸11-夾套12-載熱介質出口13-擋板14-螺旋導流板15-軸向流攪拌器16-徑向流攪拌器17-氣體分布器18-下封頭19-出料口20-載熱介質進口21-氣體進口攪拌釜式反應器1-電動機11-夾套攪拌釜式反應器攪拌釜式反應器攪拌釜式反應器二、攪拌容器作用:為物料反應提供合適的空間。結構:

⒈容器筒體—圓筒封頭—橢封應用最廣攪拌容器接管—進出料/排氣/控制點接管/傳感器換熱元件—夾管/內盤管小型:懸掛式支座—考慮容器大小和安裝位置大型:裙式支承式二、攪拌容器作用:為物料反應提供合適的空間。結構:⒈容裝料系數:一般取0.6~0.85如物料在反應過程中呈泡沫或沸騰狀態→取0.6~0.7如物料在反應過程中比較平穩→取0.8~0.85容積:Volume

臥式攪拌容器:筒體和左右兩封頭容積之和直立式攪拌容器:筒體和下封頭兩部分容積之和攪拌設備筒體的高徑比:確定筒體直徑、高度裝料系數:容積:臥式攪拌容器:筒體和左右兩封頭容積之和直立幾種攪拌設備筒體的高徑比幾種攪拌設備筒體的高徑比ttjDDDjDjttjDDDjDj整體夾套(IntegralJacket)(a)圓筒型(b)U型⒉換熱元件ttjDDDjDjttjDDDjDj整體夾套(Integr型鋼夾套(SectionSteelJacket)(a)螺旋形角鋼互搭式(b)角鋼螺旋形纏繞型鋼夾套(SectionSteelJacket)(a)半圓管夾套(a)半圓管半圓管橫截面重心r2t1Db2b1t2e2半圓管夾套(a)半圓管半圓管橫截面重心r2t1Db2b1t(b)弓形管弓形管橫截面重心t2e2r2b2b1Dt1半圓管夾套(b)弓形管弓形管橫截面重心t2e2r2b2b1Dt1半圓管bL3L2Lt1L3(a)螺旋形纏繞半圓管夾套的安裝bL3L2Lt1L3(a)螺旋形纏繞半圓管夾套的安裝半圓管夾套的安裝(b)平行排管Dt1半圓管夾套的安裝(b)平行排管Dt1折邊式蜂窩夾套夾套向內折邊與筒體貼合好,再進行焊接的結構D1t1D2t2bAA向折邊式蜂窩夾套夾套向內折邊與筒D1t1D2t2bAA向D1t1D2edminb用沖壓的小錐體或鋼管做拉撐體。蜂窩孔在筒體上呈正方形或三角形布置短管支撐式蜂窩夾套(Short-tube-supportAlveolateJacket)

D1t1D2edminb用沖壓的小錐體或鋼管做拉撐體。蜂窩孔螺旋形盤管(SpiralCoil)

dD螺旋形盤管dDdD對稱布置的幾組豎式蛇管：

傳熱

擋板作用豎式蛇管(VerticalSnakePipe)dD對稱布置的幾組豎式蛇管各種碳鋼夾套的適用溫度和壓力范圍各種碳鋼夾套的適用溫度和壓力范圍流體的流動狀況（流況）：在整個攪拌容器中流體速度向量的變化。針對攪拌釜的流況，可分為兩個層次：宏觀狀況與微觀狀況。5.3攪拌釜內流體的流動狀況1.循環流動與剪切流動流體的流動狀況（流況）：5.3攪拌釜內流體的流動狀況1.三種典型的流況：徑向流動軸向流動切線流動一）宏觀狀況流動：宏觀流動，流體以大尺寸（凝集流體、氣泡、液滴）在大范圍內（整個釜內空間）中的流動狀況，也稱為循環流動。三種典型的流況：徑向流動軸向流動切線流動一）宏觀狀況流流體流動方向垂直于攪拌軸，沿徑向流動，碰到容器壁面分成二股流體分別向上、向下流動，再回到葉端，不穿過葉片，形成上、下二個循環流動。(a)徑向流(a)徑向流流體流動方向垂直于(a)徑向流(a)徑向流流體流動方向平行于攪拌軸，流體由槳葉推動，使流體向下流動，遇到容器底面再向上翻，形成上下循環流。(b)軸向流(b)軸向流流體流動方向平行于(b)軸向流(b)軸向流無擋板的容器內，流體繞軸作旋轉運動，流速高時液體表面會形成漩渦，流體從槳葉周圍周向卷吸至槳葉區的流量很小，混合效果很差。(c)切向流(c)切向流無擋板的容器內，流(c)切向流(c)切向流

二）微觀狀況流動：流體以小尺寸（小氣泡、液滴分散成更小的液滴）在小范圍（氣泡、液滴大小的空間）中的湍動狀況。剪切流動：由于攪拌槳的剪切作用而引起的局部混合作用。1.使氣泡、液滴細化，由于分子擴散達到微觀混合；2.流體具有一定粘度時，流速增加，產生速度梯度，使液體變形，形成湍動，產生小漩渦，對周圍的流體微元產生剪切，形成更細的液滴；3.槳葉附近及擋板處微觀流動作用最強烈。二）微觀狀況流動：流體以小尺寸（小氣泡、液滴分散成更小的

結論：

不管攪拌槳葉形式的差別，都存在循環流動和剪切流動，只是比例不同。循環型槳葉：以循環流動為主；剪切型槳葉：以剪切流動為主。結論：5.3.2攪拌雷諾數與流態為了定量研究攪拌槳葉的特性，常用無因次準數描述，主要有：1.攪拌雷諾數：代表釜內流體的粘性大小；2.功率準數：動力特性；3.排出流量數：循環特性；4.混合時間數：混合特性；5.努塞爾準數：傳熱特性。5.3.2攪拌雷諾數與流態為了定量研究攪拌槳葉D為槳葉直徑，N為攪拌器轉速，ρ為流體密度，μ為流體粘度。

攪拌雷諾數：在攪拌釜內，以槳葉的端速ND作為定性速度，攪拌雷諾數定義為：D為槳葉直徑，N為攪拌器轉速，ρ為流體密度，μ為流體粘度。NRe<10,液體在槳葉附近呈滯流旋轉流動，槳葉無液體吐出，釜內其余部分為流體停滯區（死角）；NRe~10,槳葉端有吐出流產生，并引起整個釜內流體的上下循環流動，處于層流;NRe100~1000,處于過渡流，槳葉周圍流體為湍流狀態，上下循環仍然為滯流，雷諾數增大，湍動程度增大；NRe>1000,整個釜內上下循環流動都處于湍動狀態，無擋板時會引起漩渦，當D(槳葉直徑)/T(釜徑)<0.1時，釜內流體雖為湍流，但上下循環流不會遍及整個釜內，易出現死角。NRe<10,液體在槳葉附近呈滯流旋轉流動，槳葉無液體吐出，功率準數排出流量數混合時間數功率準數排出流量數混合時間數

結論：攪拌槳葉特性與流體流態有密切關系，在設計攪拌槳葉、釜型及釜內部構件時應注意：1.釜內沒有死角，任何地方都有流體流動；2.依操作目的，使釜內形成有效的流況和適當的流態。結論：攪拌槳葉特性與流體流態有密切關系，在設計攪拌槳葉、⒈擋板(BafflePlate)

目的—消除打漩和提高混合效果。作用—改善反應器內液體流動狀態類型—擋板與導流筒5.3.3擋板與導流筒⒈擋板(BafflePlate)目的—消除打漩和提高混物料粘度小，攪拌轉速高，液體隨槳葉旋轉，在離心力作用下涌向內壁面并上升，中心部分液面下降，形成漩渦，稱為打漩區。打漩—打漩后果—a.打漩時幾乎不產生軸向混合，而是使多相系統P148分層或分離b.隨轉速增加，漩渦中心下凹到與槳葉接觸,外面空氣進入槳葉被吸到液體中，使其密度減小,混合效果降低。c.一部分葉輪在空氣中運轉→使流體對攪拌器振動阻尼作用↓→攪拌器振動↑物料粘度小，攪拌轉速高，液體隨槳葉旋轉，在離心力作用下涌向內擋板形式—縱向擋板擋板寬度w—容器直徑的1/12～1/10數量z—一般在容器內壁面均勻安裝4塊擋板作用—a.將切向流→變為軸向流徑向流b.使被攪動液體的湍流程度↑

→改善攪拌效果↑擋板形式—縱向擋板擋板寬度w—容器直徑的1/12～1/10作擋板擋板全擋板條件—當再增加擋板數和擋板寬度，而功率消耗不再增加時，稱為全擋板條件。全擋板條件與擋板數量和寬度有關。永田冶進提出了全擋板條件:注意:a.傳熱蛇管可部分或全部代替擋板，b.裝有垂直換熱管時一般可不再安裝擋板。全擋板條件—當再增加擋板數和擋板寬度，而功率消耗不再注意:⒉導流筒(DiversionCanister)結構(Structure):a.上下開口圓筒，安裝于容器內。b.通常導流筒上端低于靜液面，筒身上開孔或槽，當液面降落后流體仍可從孔或槽進入導流筒。c.導流筒將攪拌容器截面分成面積相等的兩部分，導流筒直徑約為容器直徑的70%。d.當攪拌器置于導流筒之下，且容器直徑又較大時，導流筒的下端直徑應縮小，使下部開口小于攪拌器的直徑。⒉導流筒(DiversionCanister)結構(a.導流，可以為流體限定一個流動路線，防止短路b.使筒內液體攪拌程度↑→混合效率↑c.迫使流體高速流過加熱面→利于傳熱常用于渦輪式、槳式、推進式攪拌器中。作用(Function):應用(Application)a.導流，可以為流體限定一個流動路線，防止短路常用于渦輪式、(a)渦輪式或槳式攪拌器,導流筒置于槳葉的上方(b)推進式攪拌器導流筒套在槳葉外面，或略高于槳葉導流筒(DiversionCanister)(a)渦輪式或槳式攪拌器,導流筒置于槳葉的上方(b)推進式一）攪拌器的構型5.4攪拌器的構型及選擇槳葉構型：槳式、渦輪式、推進式……；物料流況：徑向流動、軸向流動；攪拌任務：液體混合、乳化、固體顆粒懸浮、氣-液接觸……一）攪拌器的構型5.4攪拌器的構型及選擇槳葉構型：槳式、渦常用的攪拌器：常用的攪拌器：按葉面結構分為平葉折葉螺旋面葉槳式、渦輪式、框式和錨式的槳葉都有平葉和折葉二種結構推進式、螺桿式和螺帶式的槳葉為螺旋面葉按葉面結構分為平葉折按攪拌用途分為低粘流體用攪拌器高粘流體用攪拌器低粘流體攪拌器有：推進式、長薄葉螺旋槳、槳式、開啟渦輪式、圓盤渦輪式、布魯馬金式、板框槳式、三葉后彎式、MIG和改進MIG等。高粘流體攪拌器有：錨式、框式、鋸齒圓盤式、螺旋槳式、螺帶式（單螺帶、雙螺帶）、螺旋—螺帶式等。按攪拌低粘流體高粘流體低粘流體攪拌器有：高粘流體攪拌器有：(a)垂直偏心式(b)底插式(c)側插式(d)斜插式(e)臥式攪拌器在容器內安裝方式:槳葉旋轉時，平板槳面與軸平行，液體僅以切線方向離開槳葉，主要是水平液流，所以攪動不激烈。為了增強軸向流動，可將平槳傾斜一定角度而成斜，此時槳葉面與軸不平行，旋轉時液流除切線方向離開槳葉外還有向上或向下的垂直液流，所以攪拌較為激烈。(a)垂直偏心式(b)底插式(c)側插式(d)斜插式錐螺

(VCR)前進式(AR)最大葉片式泛能式葉片組合式扭格子式EKATO同軸多臂行星式真空乳化釜新型立式攪拌錐螺(VCR)前進式(AR)最大葉片式泛能式葉片組合式扭格LIAS-AP瑞士LIST全相型BIVOLAK(住友重機全相型)(三菱重工)HVRSCR新型臥式攪拌砂磨機CONTERNA(德國連續捏和機)LIAS-APBIVOLAK(三菱重工)HVRSCR新型臥式結構最簡單葉片用扁鋼制成，焊接或用螺栓固定在輪轂上，葉片數是2、3或4片，葉片形式可分為平直葉式和折葉式兩種。槳式攪拌器(PaddleAgitator)

結構最簡單槳式攪拌器槳式攪拌器常用參數注：n－轉速；v－葉端線速度；Bn－葉片數；b-槳葉寬度；d－攪拌器直徑；D－容器內徑：θ－折葉角。

槳式攪拌器常用參數注：n－轉速；v－葉端線速度；Bn槳式攪拌器特點1)平槳主要為切向流，攪動不激烈，混合效果差，轉速高時會形成漩渦；2）斜槳增加了軸向流動，混合效果增加；3）剪切作用較強；4）常用于低粘流體攪拌。槳式攪拌器特點1)平槳主要為切向流，攪動不激烈，混合效果差，推進式攪拌器(PropulsionAgitator)常用于低粘流體中。標準推進式攪拌器有三瓣葉片，其螺距與槳直徑d相等。它直徑較小，d/D=1/4～1/3，葉端速度一般為7～10m/s，最高達15m/s。推進式攪拌器標準推進式攪拌器有三瓣葉推進式攪拌器常用參數推進式攪拌器常用參數推進式攪拌器的特點軸向流攪拌器常用于低粘流體的攪拌結構簡單、制造方便循環量大，攪拌功率小推進式攪拌器的特點軸向流攪拌器常用于低粘流體的攪拌結構簡單、渦輪式攪拌器（又稱透平式葉輪），是應用較廣的一種攪拌器，能有效地完成幾乎所有的攪拌操作，并能處理粘度范圍很廣的流體。渦輪式攪拌器(TurbineAgitator)

渦輪式攪拌器（又稱透渦輪式攪拌器渦輪式攪拌器常用參數渦輪式攪拌器常用參數1、適用物料粘度范圍廣。2、剪切力較大，分散流體的效果好。3、直葉和彎葉渦輪攪拌器主要產生徑向流，折葉渦輪攪拌器主要產生軸向流。渦輪式攪拌器特點1、適用物料粘度范圍廣。渦輪式攪拌器特點結構簡單。適用于粘度在100Pa·s以下的流體攪拌，當流體粘度在10～100Pa·s時，可在錨式槳中間加一橫槳葉，即為框式攪拌器，以增加容器中部的混合。錨式攪拌器(AnchorAgitator)

結構簡單。錨式攪拌器錨式攪拌器常用參數錨式攪拌器常用參數錨式和框式攪拌器特點1、結構簡單，制造方便。2、適用于粘度大、處理量大的物料。3、易得到大的表面傳熱系數。4、可減少“掛壁”的產生。錨式和框式攪拌器特點1、結構簡單，制造方便。螺桿式攪拌器螺帶式攪拌器螺桿式攪拌器螺帶式攪拌器

槳式、推進式、渦輪式和錨式攪拌器在攪拌反應設備中應用最為廣泛，據統計約占攪拌器總數的75～80％。槳式、推進式、渦輪式和錨式攪拌器在攪拌反應設備中應用1）保證物料的混合；2）消耗最少的功率；3）所需費用最低；4）操作方便，易于制造和維修。二）攪拌器的選用

給定攪拌任務，攪拌裝置和操作條件的選擇和設計沒有成熟方法。1）保證物料的混合；二）攪拌器的選用選用時除滿足工藝要求外，還應考慮功耗低、操作費用省，以及制造、維護和檢修方便等因素。攪拌器選型依據攪拌目的

物料粘度

攪拌容器容積的大小選用時除滿足工藝要求外，還應考慮功耗低、操作費用省，以及攪拌目的與推薦的攪拌器形式1.按攪拌目的選型:攪拌目的與推薦的攪拌器形式1.按攪拌目的選型:攪拌目的與推薦的攪拌器形式（續）攪拌目的與推薦的攪拌器形式（續）2.按攪拌器型式和適用條件選型:推進式攪拌器——用于低粘度流體的混合，循環能力強，動力消耗小，可應用到很大容積的攪拌容器中。槳式攪拌器——結構簡單，在小容積的流體混合中應用較廣，對大容積的流體混合，循環能力不足。渦輪式攪拌器——應用范圍較廣，各種攪拌操作都適用，但流體粘度不宜超過50Pa·s。錨式、螺桿式、螺帶式——適用于高粘流體的混合。2.按攪拌器型式和適用條件選型:推進式攪拌器——用于低粘度1）均相液體的混合（充分混合）3.從反應物相來看，攪拌器的選擇原則：慢速混合→槳式；快速混合→推進式或渦輪式。為保證液滴在釜內均勻的分散，要求有較大的局部剪切作用和容積循環速率。應選用開式平直葉渦輪。2）非均相液體的混合（分散操作）3）固體懸浮物保證固體顆粒均勻分散和不沉降的主要控制因素：容積循環速率及湍流強度。（1）當固體粒子較大，固液密度差較大，固／液比＜３０％時，選用開式渦輪；（2）粒子較小，固液密度差較小，固／液比＜６０～９０％時，常選用平槳；（3）固液密度差較小，固／液比＜５０％時，常選用推進式。1）均相液體的混合（充分混合）3.從反應物相來看，攪拌器的

４）氣體吸收及氣液相反應

控制因素：局部剪切作用、容積循環速率及高轉速。應選

用圓盤式渦輪。５）高粘度體系

控制因素：容積循環速率及低轉速。隨著粘度的增大可依次選用下列攪拌器：渦輪、錨式、框式、螺桿、螺帶、特殊型高粘度攪拌器４）氣體吸收及氣液相反應５）高粘度體系攪拌器型式和適用條件注：有◆者為可用，空白者不詳或不合用攪拌器型式和適用條件注：有◆者為可用，空白者不詳或不合用攪拌器所需功率由三方面組成：1）攪拌器所消耗的能量，即攪拌器推動液體流動所需要的能量，簡稱攪拌器軸功率；2）攪拌軸封所消耗的能量；3）機械傳動所消耗的能量。5.5攪拌功率的計算

CalculationoftheStirringPower

攪拌器所需功率由三方面組成：5.5攪拌功率的計算

Calc軸功率:指攪拌器以一定轉速進行攪拌時，對液體做功并使之發生流動所需的功率。計算攪拌功率的目的:a.設計或校核攪拌器和攪拌軸的強度和剛度b.選擇電機和減速機等傳動裝置c.攪拌功率是攪拌機械設計的基本數據。區分:

攪拌器功率:即攪拌功率

攪拌作業功率:攪拌器使攪拌槽內的液體以最佳方式完成攪拌過程所需的功率軸功率:指攪拌器以一定轉速進行攪拌時，對液體做功并使之發生影響攪拌功率的因素：a.攪拌器的幾何尺寸與轉速:攪拌器直徑、槳葉寬度、槳葉傾斜角、轉速、單個攪拌器葉片數、攪拌器距離容器底部的距離等b.攪拌容器的結構：容器內徑、液面高度、擋板數、擋板寬度、導流筒的尺寸等。c.攪拌介質的特性:液體的密度、粘度。d.重力加速度5.5.1

攪拌過程的因次分析影響攪拌功率的因素：a.攪拌器的幾何尺寸與轉速:攪拌器直徑、攪拌功率P與上述因素的函數關系：或指數形式：秒－1米N-攪拌器轉速；D-攪拌器槳葉直徑；ρ-液體密度；μ-液體黏度；g-重力加速度攪拌功率P與上述因素的函數關系：或指數形式：秒－1米N-攪拌根據因次關系，可得：根據因次一致性，可得：根據因次關系，可得：根據因次一致性，可得：攪拌功率準數攪拌雷諾數攪拌弗雷德準數攪拌功率準數攪拌雷諾數攪拌弗雷德準數若以功率函數Φ表示，則:功率準數的變化若以功率函數Φ表示，則:功率準數的變化功率曲線：功率函數或功率準數隨攪拌雷諾數的變化曲線(雙對數坐標）。5.5.2均相流體攪拌功率計算NReNP10010110210310410510610-1100101102注意：各種攪拌器的功率準數與雷諾數關系大體相似，對于一個具體的幾何構型只有一條功率曲線，與攪拌釜的大小無關。功率曲線：功率函數或功率準數隨攪拌雷諾數的變化曲線(雙對數坐

算術坐標系統:就是普通的笛卡兒坐標，橫縱的刻度都是是等距的。（舉例來說：如果每1cm的長度都代表2，則刻度按照順序0，2，4，6，8，10，12，14……）

對數坐標：坐標軸是按照相等的指數變化來增加的，（舉例來說：如果每1cm代表10的1次方增加，則坐標軸刻度依次為1，10，100，1000，10000……）

雙對數坐標系統：指兩個坐標軸是對數坐標。

雙對數坐標算術坐標系統:就是普通的笛卡兒坐標，橫縱的刻度都是是功率曲線分為三個區域：（1）NRe=1~10(AB段)：攪拌器功率曲線斜率為-1的直線；攪拌層流區，粘性力占優勢的粘性流動；重力影響可忽略，即不考慮NFr的影響。NReNP10010110210310410510610-1100101102功率曲線分為三個區域：（1）NRe=1~10(AB段)：NR結論：層流時，在一定的攪拌轉速下，功率消耗與液體粘度成正比，與液體密度無關。p=-1結論：層流時，在一定的攪拌轉速下，功率消p=-1（2）NRe=10~103(BC段)：功率曲線為一下凹曲線；流體從層流過渡到湍流，攪拌過渡區；各種尺寸或各種構型的槳葉的BC段不一樣；NReNP10010110210310410510610-1100101102（2）NRe=10~103(BC段)：NReNP100101（3）NRe>103(CD段)：功率曲線呈一水平直線，即Np與NRe無關，NP為常數,保持不變；湍流區，全擋板時，液體不形成漩渦，可不考慮重力影響；結論：湍流時，全擋板釜的攪拌功率與液體密度成正比，而與液體粘度無關。NReNP10010110210310410510610-1100101102（3）NRe>103(CD段)：結論：湍流時，全擋板釜的攪拌（4）無擋板釜(CE段）：NRe<300時，液體不形成漩渦，可不考慮重力的影響；NRe>300時,產生漩渦，重力影響顯著，指數q≠0,由下式估算：查表可得！P155NReNP10010110210310410510610-1100101102（4）無擋板釜(CE段）：查表可得！P155NReNP100不同攪拌器的功率曲線(全擋板條件)

510510251035104510510050105NRe=D2Nρ/μP155不同攪拌器的功率曲線(全擋板條件)5例：在一直徑為1.2m，液深為1.2m，內裝有4塊擋板(BW/T=0.10)的反應釜內，反應液的密度為1300kg/m3，粘度為13×10-3Pa?s，今用一三葉推進式攪拌器(D=0.4m,S/D=1)以300轉/分的轉速進行攪拌，計算：攪拌軸功率消耗若改用同樣直徑的六葉平直圓盤渦輪，轉速不變，攪拌功率是多少？若釜內不設擋板，仍采用六葉平直圓盤渦輪時，其攪拌功率是多少？P156例：在一直徑為1.2m，液深為1.2m，內裝有4塊擋板(BW解：三葉推進式攪拌器(D=0.4m,S/D=1)→查P155表5-1可知：K1=0.32內裝有4塊擋板→查P154圖5-12可知：CD段解：三葉推進式攪拌器(D=0.4m,S/D=1)→查P155若改用同樣直徑的六葉平直圓盤渦輪，轉速不變，查P155表5-1可知：K1=6.3若改用同樣直徑的六葉平直圓盤渦輪，轉速不變，查P155表5-另一種方法：另一種方法：查圖5-13中的曲線2得：查圖5-13中的曲線2得：（2）根據圖5-13曲線6查得（2）根據圖5-13曲線6查得（3）NRe>300

查表得：無擋板（3）NRe>300查表得：無擋板槳式攪拌器攪拌功率永田進治經驗公式：其中：無擋板考慮了釜徑T,槳葉寬度b,槳葉傾角?，釜內流體深度H槳式攪拌器攪拌功率永田進治經驗公式：其中：無擋板考慮了釜徑T臨界雷諾數代替攪拌雷諾數（NRe)，可計算有擋板時的槳式攪拌器攪拌功率。臨界雷諾數（NRec）：層流向湍流過渡的雷諾數；結論：（1）：當NRe很大時，A/NRe項很小，可忽略不計；（2）：當NRe很小時，A/NRe項很大，經驗式右邊第二項可忽略，此時，NP與H、θ無關。臨界雷諾數代替攪拌雷諾數（NRe)，可計算有擋板時的槳式攪拌二頁平槳（θ=900）時：二頁斜槳（θ≠900）時：二頁平槳（θ=900）時：二頁斜槳（θ≠900）時：等效槳：各種槳葉的槳葉寬度、葉片數、攪

拌層數的乘積相等，它們所消耗的

攪拌功率近似相等（湍流區）。Attention：有擋板條件下所計算的攪拌功率常高于實測值；等效槳處理法僅限于無擋板且低粘度條件；深槽多層槳功率計算誤差較大。實驗經驗結論等效槳：各種槳葉的槳葉寬度、葉片數、攪

釜內設置擋板，流體阻力增加，攪拌功率增加，當擋板設置到一定程度時，功率增到最大。此時稱全擋板條件。以擋板系數KB來表征擋板程度：全擋板條件(FullBafflePlateCondition)：當KB=0.35時，稱為全擋板條件；當KB=0時，無擋板；KB=0~0.35部分擋板條件；4塊BW/T=0.1的擋板可近似當作全擋板處理。BW:擋板寬度T：釜徑nB:擋板塊數釜內設置擋板，流體阻力增加，攪拌功率增加，當擋板設置到一定程擋板程度與功率準數關系：永田公式（部分擋板功率準數）：KB,KBF——部分擋板和全擋板條件時的擋板系數擋板程度與功率準數關系：永田公式（部分擋板功率準數）：KB,處理方法(TreatingMethod)：一般可采用均相液體攪拌功率分析計算方法加以修正。5.5.3非均相流體攪拌功率計算一）氣-液體系液體中通入空氣，降低了液體的有效密度，因此降低了攪拌功率。六葉渦輪攪拌釜：永田經驗公式處理方法(TreatingMethod)：一般可采用均相六葉平直渦輪全擋板攪拌釜（Calderbank經驗式）：通氣系數：六葉平直渦輪全擋板攪拌釜（Calderbank經驗式）：通氣大量通入氣體時，開始出現大氣泡，功率消耗不再明顯變化，該狀態稱為“液泛”。同時，實驗表明，功率消耗還與引入氣體的方式有關。大量通入氣體時，開始出現大氣泡，功率消耗不再明顯變化，該狀態處理方法：采用混合物的平均物性，套用計算均相體系攪拌功率的方法進行計算。二）液-液、液-固體系液-液體系（1）密度處理方法：采用混合物的平均物性，套用計算均相體系攪拌功率的方（2）粘度（經驗式）不互溶液體（敞口槽）不互溶液體（封閉槽）無擋板，水相體積比>40%無擋板，水相體積比<40%（2）粘度（經驗式）不互溶液體（敞口槽）不互溶液體（封閉槽）有擋板互溶液體混合時：分子分率有擋板互溶液體混合時：分子分率液-固體系（1）密度與液-液體系相同（2）粘度固體粒子能自由流動：固體粒子體積分率液-固體系（1）密度與液-液體系相同（2）粘度固體粒子能自由固體粒子不能自由流動：漿料粘度計算：R=ρL/ρS漿料沉降率ml/g漿料質量濃度g/ml固體粒子不能自由流動：漿料粘度計算：R=ρL/ρS漿料沉降液-固懸浮體系常用公式：固-液相體積比沉降后沉積層的固-液體積比液-固懸浮體系常用公式：固-液相體積比沉降后沉積層的固-液體液－液、液－固體系當固體粒子為“能自由流動”時：，當固體粒子為“不能自由流動”時：無擋板，水相體積比>40%無擋板，水相體積比<40%有擋板料漿粘度計算：液－液、液－固體系當固體粒子為“能自由流動”時：，當固體粒子釜內流體粘度難確定：非牛頓流體的表觀粘度隨剪切速率變化而變化；攪拌釜內的剪切速率隨槳葉和釜的幾何形狀和攪拌轉速等參數而變化；釜內各點的剪切速率往往不同。5.5.4

非牛頓流體的攪拌

Non-NewtonianFluid釜內流體粘度難確定：5.5.4非牛頓流體的攪拌

Non-N

表觀粘度法（Metzner）：用非牛頓流體的表觀粘度代替牛頓流體的粘度計算攪拌雷諾數。Metzner等人大量實驗,針對不同構型的攪拌器在多種非牛頓流體中的攪拌功率進行了測量；采用表觀粘度后非牛頓流體與牛頓流體的功率曲線在層流和湍流區域幾乎重合；非牛頓流體的功率曲線在過渡流區域則低于牛頓流體。有擋板NRe大于103或無擋板NRe大于105時，功率曲線可近似看作水平線。表觀粘度法（Metzner）：用非牛頓流體的表觀粘度代替所以表觀粘度：為了方便計算攪拌釜內流體的表觀粘度，假設攪拌釜內存在一個平均剪切速率：相應的表觀雷諾數：所以表觀粘度：為了方便計算攪拌釜內流體的表觀粘度，假設攪拌釜其中，β為常數，由經驗確定。為了更加接近實際情況，考慮了更多的因素，Calderbank對表觀雷諾數進行了修正：漿型、葉片數、擋板數、T/D、流型指數等其中，β為常數，由經驗確定。為了更加接近實際情況，考慮了系數β的確定：1）一般槳型（除錨式），n<1時：系數β的確定：1）一般槳型（除錨式），n<1時：2）錨式，n<1，T/D<1.4時：3）n>1，T/D<3.0，全擋板時：2）錨式，n<1，T/D<1.4時：3）n>1，T/D<3.再定義修正功率準數：錨式NS=2，其它槳葉NS=1，ΔW為槳葉與釜壁接近系數。錨式，T/D≤1.3時：一般槳葉，T/D≥1.3時：再定義修正功率準數：錨式NS=2，其它槳葉NS=1，ΔW為根據功率曲線，可計算非牛頓流體攪拌功率。由圖5-15，5-16可知，當（錨式）或（其它槳葉）時，功率曲線為直線，處于層流區域：根據功率曲線，可計算非牛頓流體攪非牛頓流體攪拌器選型：釜壁流體的流動情況；最低雷諾數；雙層槳葉比單層槳葉攪拌效果好；同一類型槳葉，增大槳葉直徑可增強攪拌效果；斜葉槳葉比平直漿頁效果好；推進器式攪拌效果較差。非牛頓流體攪拌器選型：

循環特性：在攪拌作用下，流體在釜內按一定的流況作循環流動，這種作用稱為攪拌器的流動特性。5.6攪拌器的流動特性及轉速5.6.1攪拌的循環特性循環特性：在攪拌作用下，流體在釜內按一定的流況作循環流動槳葉旋轉流體循環過程：液體從中心吸入從葉端排出槳葉排出流量（qd)：單位時間內從槳葉排出

的流量。是攪拌劇烈程度的反映！是攪拌雷諾數的函數。排出流量數或泵送準數槳葉旋轉流體循環過程：液體從中心吸入從葉端排出槳葉排出流量（qiqcqd排出流同伴流循環流注意：層流時：qc=qd;湍流時：qc>qd.湍流產生其中，qc和qd可由實驗測定qiqcqd排出流同伴流循環流注意：層流時：qc=qd;湍循環流量數：湍流時：循環流量數：湍流時：全擋板釜，當NRe<103,D/T=0.25~0.508時：影響Nqd和Nqc的主要因素：

1.雷諾數Nqd∞和Nqc∞分別表示NRe很高時（充分湍流）的排除流量數和循環流量數全擋板釜，當NRe<103,D/T=0.25~0.508時：全擋板，湍流時：2.槳葉特性擋板系數增大時，排出流量數增大：np為槳葉片數，b為槳葉寬度NqdF，Nqd，NqdN分別為全擋板，部分擋板，無擋板是的排出流量數；KBF，KB，KBN分別為全擋板，部分擋板，無擋板時的擋板系數全擋板，湍流時：2.槳葉特性擋板系數增大時，排出流量數增大：循環特性的另外表征參數：單位時間循環次數循環時間qc-循環流V-攪拌釜內流體的體積循環特性的另外表征參數：單位時間循環次數循環時間qc-循環流循環次數可以判別攪拌程度：普通攪拌：強烈攪拌：循環次數可以判別攪拌程度：普通攪拌：強烈攪拌：習慣上：用功率準數Np與排出流量數Nqd的比值判斷槳葉的流動特性:循環型槳葉：剪切型槳葉：輸出效率習慣上：用功率準數Np與排出流量數Nqd的比值判斷槳葉的混合型攪拌：本體聚合、溶液聚合懸浮型操作：懸浮聚合攪拌任務尺度：攪拌體系中物料量的大小攪拌任務難度：達到攪拌效果所需要克服的“阻力”，如兩種物料的密度差和粘度差、懸浮粒子的沉降等5.6.2攪拌轉速混合型攪拌：本體聚合、溶液聚合5.6.2攪拌轉速攪拌強烈程度度分級依據：密度差、粘度差。一）混合攪動型攪拌轉速的確定攪拌強烈程度度分級依據：密度差、粘度差。一）混合攪動型攪拌轉混合及攪動型攪拌裝置設計：1）根據生產任務確定攪拌釜容積和釜徑T；2）選定槳葉直徑與釜徑比值D/T，初步求出槳葉直徑D；D/T的比值一般在0.2~0.8之間，實際使用時常用的D/T比值范圍如下：平槳：0.5~0.83渦輪：0.33~0.40推進器：0.1~0.33混合及攪動型攪拌裝置設計：1）根據生產任務確定攪拌釜容積和釜3）根據所需攪拌程度確定攪拌等級和總體流速u；4）計算槳葉的排出流量qd；5)運用雷諾準數NRe和排出流量數Nqd關系圖，計算攪拌槳葉轉速N；6）對槳葉直徑進行粘度校正,校正因數CF列于表5-6；7)計算攪拌槳葉的軸功率消耗。P164例5-23）根據所需攪拌程度確定攪拌等級和總體流速u；5)運用雷諾準極限沉降速率（ut）：任何粒子在流體中沉降，均受到拉拽力（摩擦力）作用，當拉拽力與重力平衡時，粒子在流體中沉降時的加速度為零，此時的沉降速率稱為極限沉降速率。二）顆粒懸浮型攪拌轉速的確定難以確定準確的計算公式，可通過查找經驗圖獲得。極限沉降速率（ut）：任何粒子在流體中沉降，均受到拉拽力（摩不同攪拌級別的攪拌效果（顆粒懸浮）不同攪拌級別的攪拌效果（顆粒懸浮）槳葉轉速越高，直徑越大，沉降速率越小，獲得的懸浮程度越高；攪拌級別與D、N、ud關系圖5-20。攪拌級別與顆粒沉降速度、槳葉直徑、轉速關系：槳葉轉速越高，直徑越大，沉降速率越小，獲得的懸浮程度越高；攪1）先假設顆粒雷諾數值處于層流或湍流，分別計算密度差（ρp-ρ)/μ或（ρp-ρ)/ρ；2）根據顆粒直徑dp及密度差由圖查取極限沉降速率ut；懸浮型攪拌裝置設計：1）先假設顆粒雷諾數值處于層流或湍流，分別計算密度差（ρp-3）當懸浮體系的粘度較高時，顆粒間容易發生粘合，此時，其沉降速率將大于單個顆粒的沉降速率。校正設計沉降速率：fW，顆粒沉降校正因素，可查表。3）當懸浮體系的粘度較高時，顆粒間容易發生粘合，此時，其沉降4）選定攪拌槳葉形式及槳葉直徑，確定D/T;5）選定攪拌等級；6）計算攪拌槳葉轉速：4）選定攪拌槳葉形式及槳葉直徑，確定D/T;7）校正顆粒雷諾數NRe（p）;8）計算攪拌軸功率消耗。高聚物生產中設計攪拌裝置的參考標準，表5-9，P168例5-37）校正顆粒雷諾數NRe（p）;8）計算攪拌軸功率消耗。高聚5.7.1混合機理及混合特性5.7攪拌器的混合特性在攪拌釜中，通過槳葉的旋轉把機械能傳遞給釜內物料，造成液體強制對流，混合過程是在強制對流作用下的強制擴散過程。

對流擴散：槳葉將動能傳遞給周圍液體，產生高速湍動液流，液流推動周圍液體，使全部液體在釜內循環流動，由此產生的全釜范圍內的擴散稱主體對流擴散。5.7.1混合機理及混合特性5.7攪拌器的混合特性

渦流擴散：高速流體與低速或靜止流體界面存在速度梯度，形成剪切力，產生漩渦，形成局部范圍內物料快速而紊亂的對流運動，由漩渦運動造成的局部范圍內的對流擴散稱為渦流擴散。

分子擴散：簡稱擴散，在濃度差或其他推動力的作用下，由于分子、原子等的熱運動所引起的物質在空間的遷移現象，是質量傳遞的一種基本方式。渦流擴散：高速流體與低速或靜止流體界面存在速度梯度，形成大多數混合過程，主體對流擴散、渦流擴散、分子擴散是同時存在的；高粘液體層流，主要為分子擴散和對流擴散的綜合作用；渦流攪拌操作中渦流擴散占重要地位：一般流體分子擴散系數約為10-9~10-10m2/s，而渦流擴散系數則為10-3~10-4m2/s。大多數混合過程，主體對流擴散、渦流擴散、分子擴散是同時存在的全面評價攪拌器的混合性能的四個無因次參數：C1：混合時間數；C2：達到規定混合程度時，流體所受的剪切量；C3：攪拌器旋轉一次，流體所受的剪切量；C4：在一定的流體粘度和混合時間下，攪拌器所需要的單位體積混合能，稱為混合效率數。

混合時間（θM）：評定攪拌器的混合能力的參數，指經過攪拌使物料達到規定均勻程度所需要的時間。全面評價攪拌器的混合性能的四個無因次參數：混合時間（θM湍流時，渦輪、槳式、推進器式攪拌器的C1為常數；層流時，D/T接近1的螺帶式及螺桿導流筒攪拌器的C1為常數；層流時，槳式、D/T=0.3~0.5的渦輪式攪拌器，釜內有很大的停滯區，θM不定，C1不定；過渡流區，所有攪拌器的C1值隨雷諾數的增加而降低，C1越小，說明混合速率越大。（1）無因次數C1湍流時，渦輪、槳式、推進器式攪拌器的C1為常數；（1）無因次單位體積功；達到規定混合程度時，流體所受的剪切量；（2）無因次數C2剪切速率量綱單位體積功；（2）無因次數C2剪切速率量綱攪拌器旋轉一次，流體所受的剪切量。（3）無因次數C3攪拌器旋轉一次，流體所受的剪切量。（3）無因次數C3WV單位體積混合能；在一定的流體粘度和混合時間下，攪拌器所需要的單位體積混合能；比較混合效率的指標：稱為混合效率數。（4）無因次數C4WV單位體積混合能；（4）無因次數C4方法一：實驗測定1.在攪拌釜內瞬間加入一定量的微量示蹤液體，測量其濃度變化；2.利用兩個被混液體在性質上的變化（溫度、電導率、折光率、pH值、氧化還原電勢等）的差異測定混合時間。5.7.2混合時間計算方法一：實驗測定5.7.2混合時間計算方法二：經驗公式1）Norwood經驗式：適用條件：低粘度流體；有擋板；渦輪攪拌器。方法二：經驗公式1）Norwood經驗式：適用條件：2）山本一夫經驗式：K=0.1~0.15適用條件：D/T=0.06~0.8;b/D=0.125~0.33;Np=2~6;NRe>1052）山本一夫經驗式：K=0.1~0.153）ГЛУЗ經驗式：適用條件：牛頓流體、冪率流體；n=0.5~1.0。3）ГЛУЗ經驗式：適用條件：實際生產中所涉及到的分散及合并過程：乳液聚合、懸浮聚合、界面縮聚等分散、合并對聚合過程、產品質量、特別是聚合物的顆粒特性有重要影響。5.8攪拌釜中的分散過程實際生產中所涉及到的分散及合并過程：5.8攪拌釜中的分散過一些實驗現象：1）在溶有少量分散劑的水中，加入單體并攪拌，使之分散成液滴，再投入少量染色單體，繼續攪拌可以觀察到染色分散液滴數目增加。5.8.1攪拌釜內的液-液分散與合并一些實驗現象：5.8.1攪拌釜內的液-液分散與合并2）懸浮聚合：在開始在聚合體系中加入不含引發劑的單體使之分散均勻，然后加入溶有引發劑的單體少量，當懸浮聚合結束時，發現所有的單體液滴都聚合固化。2）懸浮聚合：單體攪拌破裂合并表面張力聚集分散平衡分散劑的穩定作用…………擴大分散劑生成的分子層保護膠體單體攪拌破裂合并表面張力聚集分散平衡分散劑的穩定作用…………大的液滴在剪切下作用下被拉成條形，然后被擊散成小珠滴。隨著聚合程度增加，液滴內的粘度逐漸增長。當聚合轉化率達20-70%時，軟而呈膠狀的液滴變得具有很大的粘性，加上自加速效應出現，會使液滴凝聚成大塊，甚至粘附在攪拌器上使聚合過程失敗。這是一種不穩定的狀態處理方法：必須對攪拌速度、懸浮劑用量、水油比等加以控制。這一階段稱為懸浮聚合的危險期。大的液滴在剪切下作用下被拉成條形，然后被擊散成小珠滴。隨著聚結論：攪拌釜內水相中的單體液滴不是獨立存在的，而是反復地進行著兩個以上液滴合并成大液滴（合并），繼而一個液滴再分散成兩個以上的液滴（分散）的過程。結論：一）分散分散：較大液滴分裂成兩個以上的液滴的過程叫分散。引起分散的作用力：液滴的剪切應力；