第三章液体搅拌 3.1教学基本要求：(2学时) 典型的工业搅拌问题：搅拌的目的和方法：搅拌装置，常用搅并浆的型式，挡板及其它 构件：混合效果的度量（均匀性的标准偏差、分隔尺度）：混合机理：搅拌功率：搅拌器经 验放大时需要解决的问题。 3.2基本概念： 搅拌目的均相液体的混合，多相物体（液液，气液，液固）的分散和接触，强化传热。 搅拌器按工作原理分类搅拌器按工作原理可分为旋桨式，涡轮式两大类。旋桨式大流 量，低压头：涡轮式小流量，高压头。 混合效果搅拌器的混合效果可以用调匀度、分隔尺度来度量。 宏观混合总体流动是大尺度的宏观混合：强烈的湍动或强剪切力场是小尺度的宏观混 合。 徽观混合只有分子扩散才能达到微观混合。总体流动和强剪切力场虽然本身不是微观 混合， 但是可以促进微观混合，缩短分子扩散的时间。 搅拌器的两个功能产生总体流动：同时形成湍动或强剪切力场。 改普搅拌效果的工程措施改普搅拌效果可采取增加搅拌转速、加挡板、偏心安装搅拌 器、装导流筒等措施。 3.3基本内容： 一、搅拌器 1.搅拌器分类 搅拌器类型按工作原理可分两大类 1)旋浆式：旋浆、螺带式、锚式、框式 2)涡轮式：涡轮、平直叶浆 2.混合效果的度量 混合效果可以用调匀度、分隔尺度来度量 1)调匀度 体积分本C。。十女，局都取件分折测得体积分率C 调匀度 1s9 当C4C0 1-C0 3-2 个程分新之后，可得平均同约度了一之 3-3 2)分隔尺度 21
27 第三章 液体搅拌 3.1 教学基本要求：（2 学时） 典型的工业搅拌问题；搅拌的目的和方法；搅拌装置，常用搅拌浆的型式，挡板及其它 构件；混合效果的度量（均匀性的标准偏差、分隔尺度）；混合机理；搅拌功率；搅拌器经 验放大时需要解决的问题。 3.2 基本概念： 搅拌目的 均相液体的混合，多相物体(液液，气液，液固)的分散和接触，强化传热。 搅拌器按工作原理分类 搅拌器按工作原理可分为旋桨式，涡轮式两大类。旋桨式大流 量，低压头；涡轮式小流量，高压头。 混合效果 搅拌器的混合效果可以用调匀度、分隔尺度来度量。 宏观混合 总体流动是大尺度的宏观混合；强烈的湍动或强剪切力场是小尺度的宏观混 合。 微观混合 只有分子扩散才能达到微观混合。总体流动和强剪切力场虽然本身不是微观 混合，但是可以促进微观混合，缩短分子扩散的时间。 搅拌器的两个功能 产生总体流动；同时形成湍动或强剪切力场。 改善搅拌效果的工程措施 改善搅拌效果可采取增加搅拌转速、加挡板、偏心安装搅拌 器、装导流筒等措施。 3.3 基本内容： 一、搅拌器 1．搅拌器分类 搅拌器类型按工作原理可分两大类： 1）旋浆式：旋浆、螺带式、锚式、框式 2）涡轮式：涡轮、平直叶浆 2．混合效果的度量 混合效果可以用调匀度、分隔尺度来度量 1）调匀度 体积分率 A B A A V V V C + 0 = ，局部取样分析测得体积分率 CA 调匀度 A0 A C C I = ， 当CA CA0 3-2 n 个取样分析之后，可得平均调匀度 ∑= = n i i I n I 1 1 3-3 2）分隔尺度
由于调匀度与取样尺寸大小有关，度量混合效果不够全面，因此，引入分隔尺度的概念。 对于多相物系，用气泡直径、液滴直径、颗粒直径及分布来表征分隔尺度。 3.宏观混合与微观混 设备尺度的混合、旋涡尺度的混合都是宏观混合：只有分子尺度混合（依赖于分子扩散 才是微观混合。 二、混合机理 1.搅拌器的两个功能 1)总休流动 一将流体输送到搅拌釜内各处。大尺度宏观混合 2)强剪切或高度湍动 产生旋涡，小尺度宏观混合。促进微观混合 值得注意的是：流体不是靠浆叶直接打碎的，而是靠高剪切力场撕碎的。 2。均相液体的混合机理 1)低粘度液体的混合一一总体流动+高度温动 最小液团尺寸为10μm量级。 2)高粘度及非牛顿流体的混合 一大多处于层流状态，混合机理主要依赖于充分的总体 流动。 3.非均相物系的混合机理 1)液滴或气泡的分散 界面张力是抗力，。大不易分散。液滴（或气泡）在前切力的作用下，变形、破裂。液滴 达到稳定时，液滴破碎与合并达到动态平衡。由于叶片附近剪切强度大，液滴较小：边角 剪切强度小，液滴较大。要克服液滴大小分布不均，可采取的措施： ①尽量使釜内湍动程度均匀： ②加少量保护胶或表面活性剂，使液滴难以合并。 2)固体顶粒的分散 对于细颗粒，搅拌要能打散颗粒团聚体：对于粗颗粒，要使全部颗粒离底悬浮，操作转 速应大于悬 浮临 转速 三、搅拌器性能 1.旋浆式搅拌器 旋浆式搅拌器产生的流量q大，压头H小，适合于低粘度液体（μ<IOPa·s)的搅拌。 2.涡轮式搅拌器 祸轮式搅拌器产生的流量q小，压头H大，适合于中等粘度液体（μ<50Pa·s)的搅拌。 3。大叶片低转速搅拌器 有描式、框式、蝶带式搅拌器，适合于高粘度液体、颗粒悬浮液的搅拌，能防止器壁沉 积现象。 4.强化过程的工程措施 采取一定的工程措施，可以抑制不利因素，调动有利因素。不利因素有：打旋、流体走 短路、阻力不足 1)提高转速一 提高流量q、压头H 2)加挡板一一消除打旋，增加阻力 加四块挡板被称为全挡板。 3)信心安转 一破坏循环回路的对称性 4)装导流能 避免短路及死区 四、搅拌功率 1.混合效果与功率消耗 功率消耗P=PgHg, 3-4
28 由于调匀度与取样尺寸大小有关，度量混合效果不够全面，因此，引入分隔尺度的概念。 对于多相物系，用气泡直径、液滴直径、颗粒直径及分布来表征分隔尺度。 3．宏观混合与微观混合 设备尺度的混合、旋涡尺度的混合都是宏观混合；只有分子尺度混合（依赖于分子扩散） 才是微观混合。 二、混合机理 1．搅拌器的两个功能 1）总体流动——将流体输送到搅拌釜内各处。大尺度宏观混合。 2）强剪切或高度湍动——产生旋涡，小尺度宏观混合。促进微观混合。 值得注意的是：流体不是靠浆叶直接打碎的，而是靠高剪切力场撕碎的。 2．均相液体的混合机理 1）低粘度液体的混合---总体流动+高度湍动 最小液团尺寸为 10μm 量级。 2）高粘度及非牛顿流体的混合---大多处于层流状态，混合机理主要依赖于充分的总体 流动。 3．非均相物系的混合机理 1）液滴或气泡的分散 界面张力是抗力，σ大不易分散。液滴(或气泡)在剪切力的作用下，变形、破裂。液滴 达到稳定时，液滴破碎与合并达到动态平衡。由于叶片附近剪切强度大，液滴较小；边角处 剪切强度小，液滴较大。要克服液滴大小分布不均，可采取的措施： ①尽量使釜内湍动程度均匀； ②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 对于细颗粒，搅拌要能打散颗粒团聚体；对于粗颗粒，要使全部颗粒离底悬浮，操作转 速应大于悬浮临界转速。 三、搅拌器性能 1．旋浆式搅拌器 旋浆式搅拌器产生的流量 qV大，压头 H 小，适合于低粘度液体(μ<10Pa·s)的搅拌。 2．涡轮式搅拌器 涡轮式搅拌器产生的流量 qV小，压头 H 大，适合于中等粘度液体(μ<50Pa·s)的搅拌。 3．大叶片低转速搅拌器 有锚式、框式、螺带式搅拌器，适合于高粘度液体、颗粒悬浮液的搅拌，能防止器壁沉 积现象。 4．强化过程的工程措施 采取一定的工程措施，可以抑制不利因素，调动有利因素。不利因素有：打旋、流体走 短路、阻力不足。 1）提高转速——提高流量 qV、压头 H 2）加挡板——消除打旋，增加阻力 加四块挡板被称为全挡板。 3）偏心安装——破坏循环回路的对称性。 4）装导流筒——避免短路及死区。 四、搅拌功率 1．混合效果与功率消耗 功率消耗 P = ρgHqV 3-4
增加功率的目的是改善混合效果，但有一个能量合理有效利用的问题，这与浆形、尺寸选择 有关。要提高总体流动，就要提高流量：要加强液团破碎度，就要提高压头。 2.功率曲线 搅拌功率与影响因素的无因次化结果为 -台8 P 3-5 几何相似条件下，对应边成同一比例。么D。 d'd …都相同，此时， =) 3-6 中=为功准数。e,为并证。经实。我得功数K与 式 4 搅拌雷诺数R©，的关系曲线，即功率曲线。 搅拌功率 P=Kon'ds 3-7 3.搅拌功率的分配 当搅拌功率为一定值时，由式3-4和qr nd、Hcn2d2、式3-7可得 3-8 由式3-8可以得出，小直径，高转速，适合于产生强剪切力场：大直径，低转速适合于产生 大流量。根据人为要求可调整转速与直径，以改变功率的分配。 五、搅拌器的放大 1.放大过程（设计） 小试→中试工业设计，逐级放大。 2.放大淮则 1D按雷诺数R-Dnd不变，即nd=d, 4 》发体银能耗号不夜P,小可得风材=： 3)按叶片端部切向速度不变，n,d=n,d2: 40按路不变，即-4 3.4教材习题答案：
29 增加功率的目的是改善混合效果，但有一个能量合理有效利用的问题，这与浆形、尺寸选择 有关。要提高总体流动，就要提高流量；要加强液团破碎度，就要提高压头。 2．功率曲线 搅拌功率与影响因素的无因次化结果为 ⋅⋅⋅⋅⋅⋅ µ ρ = Ψ ρ d D d d n h n d P , , 2 3 5 3-5 几何相似条件下，对应边成同一比例， ⋅⋅⋅⋅⋅⋅ d D d h , 都相同，此时， µ ρ = Ψ ρ d n n d P 2 3 5 3-6 式中 K n d P = ρ 3 5 为功率准数， n d n Re 2 = µ ρ 为搅拌雷诺数。经实验后，获得功率准数 K 与 搅拌雷诺数 ReM的关系曲线，即功率曲线。 搅拌功率 3 5 P = Kρn d 3-7 3．搅拌功率的分配 当搅拌功率为一定值时，由式 3-4 和 3 qV ∝ nd 、 2 2 H ∝ n d 、式 3-7 可得 3 8 d H qV ∝ 和 5 8 1 H n qV ∝ 3-8 由式 3-8 可以得出，小直径，高转速，适合于产生强剪切力场；大直径，低转速适合于产生 大流量。根据人为要求可调整转速与直径，以改变功率的分配。 五、搅拌器的放大 1．放大过程（设计） 小试→中试→工业设计，逐级放大。 2．放大准则 1）按雷诺数 ReM = µ ρ 2 nd 不变，即 2 2 2 2 n1d1 = n d ； 2）按单位体积能耗 V0 P 不变， 3 5 P ∝ n d , 3 V0 ∝ d ，可得 2 2 3 2 2 1 3 n1 d = n d ； 3）按叶片端部切向速度不变， 1 1 2 2 n d = n d ； 4）按 H qV 不变，即 2 2 1 1 n d n d = 。 3.4 教材习题答案：
1略 2P=38.7w;P=36.8W 3dd=4.64;nm1=0.359;NN=100 3.5教材思考题解： 1.混合（均相），分散（液液，气液，液周），强化传热。 2。因调匀度与取样尺度有关，引入混合尺度反映更全面 3。①产生强大的总体流动，②产生强烈的端动或强剪切力场 4.旋桨式适用于宏观调匀，而不适用于固体颗粒悬浮液：涡轮式适用于小尺度均匀，而不 适用于固体颗粒悬浮液：大叶片低转速搅拌器适用于高粘度液体或固体颗粒悬浮液，而不适 合于低粘度液体混合。 5.①提高转速。②阻止液体圆周运动，加挡板，破坏对称性。③装导流筒，消除短路、消 除死区。 6。只要几何相似就可以使用同一根功率曲线，因为无因次化之后，使用了这一条件。 7.混合效果与小试相符
30 1 略 2 P = 38.7W ; P’ = 36.8W 3 d/d1 = 4.64 ; n/n1 = 0.359 ; N/N1 = 100 3.5 教材思考题解： 1．混合(均相)，分散(液液，气液，液固)，强化传热。 2．因调匀度与取样尺度有关，引入混合尺度反映更全面。 3．①产生强大的总体流动，②产生强烈的湍动或强剪切力场。 4．旋桨式适用于宏观调匀，而不适用于固体颗粒悬浮液；涡轮式适用于小尺度均匀，而不 适用于固体颗粒悬浮液；大叶片低转速搅拌器适用于高粘度液体或固体颗粒悬浮液，而不适 合于低粘度液体混合。 5．①提高转速。②阻止液体圆周运动，加挡板，破坏对称性。③装导流筒，消除短路、消 除死区。 6．只要几何相似就可以使用同一根功率曲线，因为无因次化之后，使用了这一条件。 7．混合效果与小试相符