1、2018/6/21,1,第2章 混合设备,上篇 混合设备概论,2018/6/21,2,一、概述 研究混合过程需要考虑以下几个方面的问题。首先要考虑的是容器对混合过程的影响。容器的几何形状、容积及结构决定着搅拌器的选择及混合特性。为了得到规定的混合结果，通常很难从工厂现有的容器中选出合适的容器，因为某些混合过程只能在某些特定尺寸和形状的槽内才能很好地完成。其次要考虑的是用于给定过程的搅拌叶轮或叶轮组。如果每个新的应用场合都要用一种新型叶轮，那将会出现很大的麻烦。因此，叶轮通常都制成相应的几何相似系列。搅拌叶轮可以产生两种基本流型：轴向流和径向流。目前还不能一般地说哪种流型是合乎各种混合过程要求的
2、，这个问题与各种混合过程的目的有关。,2018/6/21,3,径向流叶轮将流体从水平或径向方向排出至容器壁。假如容器内有适当的挡板，径向流叶轮由径向排出的掖流也会产生很强的自顶部至底部的流动(或称流型)；如无挡板，则可能产生打旋或旋涡。轴流式叶轮使流体产生平行于叶轮轴的流动。轴流式叶轮单位搅拌功率产生的流量大于径向流叶轮产生的流量。这种叶轮通常用于由流动控制的各种场合中。在无挡板的容器中，轴向流叶轮和径向流叶轮一样可能会使流体打旋。两种经常使用的轴向流叶轮是船用螺旋桨和轴流式涡轮(也称为斜叶涡轮)。,2018/6/21,4,2018/6/21,5,z+,从多种叶轮中选择采用某种叶轮的基本依据，
3、取决于对混合要求(或过程效果)的全面确定。除非有一个需要满足的过程目标，否则就无法可靠地说明应该使用哪种混合器以及应该采用哪种或哪几种叶轮。此外，还必须知道被处理物料的规模或容积。叶轮的选择在某种程度上还取决于所需设备的尺寸。因此，必须注意规定和确定每个具体温合过程中将要实现的具体要求是什么。 把过程的“物理状况”与“混合状况”区别开来是很重要的。前者指的是描述过程目标的诸如速度、直观分散程度或循环时间等情况；而后者指的是说明过程的诸如传质、分散或化学反应等情况。混合状况总是能对过程提供最好的描述。,2018/6/21,6,z+,如果用对流体运动、混匀和悬浮的直观描述作为对过程的近似描述，则这
4、种描述与实际的过程性质之间可能会存在显著的差别。试图用直观的或物理的术语来描述一个过程可能是很不充分的。表11概述了解决混合操作问题的方法，表明了设计流体搅拌器所需要的三个主要步骤。,2018/6/21,7,z+,二、过程、功率和机械等方面要考虑的问题 在搅拌器设计中，把表1l中列出的三个方面的问题区分开来是极为重要的。 过程设计 过程设计所需考虑的内容包括叶轮的流体力学(流动类型和流量，所产生的压头和剪切作用)、所需要的流动型态(层流、过渡流或湍流)、容器尺寸的变化(放大、流体：力学的相似性)等。 叶轮功率特性 叶轮功率特性关联了流体性质、叶轮直径、叶轮转速和叶轮几何形状对功率消耗的影响。一
5、个极为重要的概念是功率消耗与过程的特性完全无关，不管搅拌是否满足了混合过程的目标，这一,2018/6/21,8,z+,概念都是正确的.通常，在确定了流体性质并且选定了叶轮类型和系统几何形状之后，还有三个变量，即功率、转速和叶轮直径。可是，功率P又是转速N和叶轮直径D的函数，因此实际上只有两个独立变量可供选择，而第三个变量则可由功率关联式确定.因此，过程关联式包含了三个变量中的任意二个并且通常是包含功率和叶轮直径，而转速则可以在过程选定后根据功率关联式计算出来。然而，达并不是说这种关联式不能用功率和转速或转速和叶轮直径来表示。关联式中包含哪些变量取决于用哪个变量能得到对过程机理的最好理解和哪个变
6、量在设计中选择最为方便。,2018/6/21,9,z+,机械设计 在机械设计中，设计的主要内容包括：驱动装置、搅拌轴、叶轮、搅拌轴密封装置和电动机。在确定能满足相同混合要求的各种搅拌功率、转速、直径组合的结构、安装方式和设备成本的关系时，必须对可供选择的多种方案进行考虑。 通常不是只有一种搅伴器设计才能满足某一过程要求，而都会有几种能够满足同一过程要求的可供选择的方案，但这些方案在设备投资和操作费用上将有差别。在给定功率、转速和叶轮直径的条件下，设计时还必须根据初始投资、操作费用、维修费用及安装费用等作出经济核算。,2018/6/21,10,z+,三、五种应用类型 流体混合的特性可以用五种基本
7、过程类型来表示，如表12所示。,2018/6/21,11,z+,对于一个给定的应用类型来说，物理过程与化学过程的差异在于一个是用物理均匀性为判据，而另一个是以化学反应或传质为判据。 液-固混合 作为主要应用类型之一的液-固混合过程包括： 悬浮：搅拌槽中各处悬浮均匀度的描述和规定，都可以用物理技术进行测量作出。 溶解：固体被溶解，是一个从固相进入液相的相间传质过程 液-气混合 液-气混合过程是另一个主要应用的类型，它可包括：,2018/6/21,12,z+,分散：使气体在液体中分布和分散。吸收；是一种传质过程，例如发酵过程中氧气从气相传递到液相和固相中。 不互溶液体混合 液-液过程中，对很多产品
8、的最终要求是要得到稳定的乳化液，例如洗发香波、抛光剂以及其它一些特殊化工产品。在这种情况下，对乳化液的类型和稳定性采用物理描述方法是完全合适的。而另一方面，在液-液萃取中，不稳定的乳化作用(液体分散作用)则仅仅是作为一种传质方法而被采用。通常这种分散还必须考虑到它的再澄清作用，以便在后续操作中可以分离各相。,2018/6/21,13,z+,互溶液体混合 互溶液体的混均是一种常见的过程要求，并且可用物理指标来对最终的混均结果进行描述。但是这种描述方法并不是想象的那么简单，因为假如真正是对均匀性的物理尺度提出要求的话，则规定这种“考察尺度”就要涉及比想象中复杂得多的分析技术。就很多贮槽或混匀槽而言
9、，对混匀都没有作精确的描述或定义，甚至也不需要；其过程选择是极为原始的。但是，在化学反应领域中，均匀性则是很重要的，因为化学反应动力学分析通常都要求已知定量表示的各反应物的浓度。这里要涉及宏观尺度混合和微观尺度混合等,2018/6/21,14,z+,概念。在要求更深入地研究反应物均匀性的各种尺度时，就将发现这些概念是极其复杂的。 流体运动 流体运动是混合应用类型中的最后一类，这是一种综合性的分类。在这类过程中，混合要求是用流体的运动或另一些流体参数来进行描述的。或者这种流体运动要求就是搅拌槽中的最终要求，或者已经或假定满足了这种流体运动要求也就能满足这一过程的其他要求。研究流体运动需要有关于叶
10、轮泵送流量的知识和描述搅拌叶轮排出流体的特性的方法。为了对流体运动进行完全的描述，另外还要了解流体在槽底、档板以及液体表面附近流动时的复杂情况。,2018/6/21,15,z+,四、叶轮类型 叶轮可以分成两大类型轴流式叶轮和径向流叶轮。轴流式叶轮产生的流体流动基本轨迹是沿着搅拌轴方向(平行于搅拌轴)，径向流叶轮则使流体沿叶轮半径方向排出。 轴流式叶轮 轴流式叶轮包括螺旋桨它的设计通常是基于螺旋理论，要求整个叶片表面的螺距为常数。这就意味着叶片角从叶端至轮毂处是连续增大的。,2018/6/21,16,z+,螺距与叶轮直径之比(或简称螺径比)等于以桨叶直径为单位量出的、当叶轮在流体中旋转一周时叶片
11、将流体向前推进的距离。例如：螺径比为1.0的螺旋桨(常称为方形螺距)，在叶轮旋转一周时推进流体的距离在数值上等于叶轮直径。大多数轴流式叶轮的螺径比都在0.5一1.5的范围内。图13所示为一种定螺距叶轮(图中左边的一半)和一种变螺距叶轮的流动分布示意图。,2018/6/21,17,z+,2018/6/21,18,z+,在叶轮直径和转速相同的条件，螺旋桨的功率消耗小于大多数其它叶轮的功率消耗。因此，与其它叶轮相比、在给定功率消耗和泵送流量的条件下，螺旋桨必须要有较高的转速。这就使得螺旋桨在相同的功率消耗水平时只需要较低的扭矩，从而得到一种很经济的搅拌器。但是，此处要定性指出的是，混合过程通常都需要
12、两个因素，即流量和不同流体的剪切速率及湍功程度。因此，那种以损失压头、剪切作用或湍动程度为代价以增大流量的设计准则并不是在各种混合场合中都适用；压头、剪切作用等物理量对获得良好的过程效果也可能是很,2018/6/21,19,z+,重要的，这一点与泵的设计正好是相反的。在泵的设计中，泵送流量和系统压头产生的水力学效率则是首要的判据。 径向流叶轮 径向流叶轮或有一个圆盘，或是开式的，并且可以装有直叶片或弯曲叶片。,2018/6/21,20,z+,没有圆盘的开式叶轮由于在叶轮两侧存在压力差，通常并不真正是在径向发生泵送作用。尽管这类叶轮是从径向排出液体，但是有把液体向上或向下泵送的趋势。 盘式径向流
13、叶轮有利于更好的径向排出，但在叶轮靠近槽底或接近液层表面以及几个盘式叶轮靠得很近的情况下，它们的径向泵送能力也有改变。因为盘式叶轮具有较均匀的径向流型，往往会比开式叶轮消耗更多的搅拌功率，这就影响到其应用的经济性。盘式叶轮还有防止气泡通过轮轻周围低剪切区的特性，主要用于气-液混合过程。,2018/6/21,21,z+,五、槽体几何形状和叶轮位置 通常取立式圆筒形槽内的液层高度与槽直径之比(Z/T)等于1来作为描述几何形状影响的基准。对混匀和固体悬浮等操作来说，功率消耗最小的最佳液层深度与槽直径之比通常为0.6至0.7，在这一比值时功率消耗是最低的。 叶轮的安放位置在多数情况下取决于排料(排空容
14、器)时的搅拌要求，而不是取决于最佳操作条件。例如，对在zT1的槽中的混匀操作来说，叶轮的最佳位置是在液层深度的中点。然而实际上很少是这样作的，因为在排料过程中通常必须对槽内物料进行搅拌。,2018/6/21,22,z+,与装有多个径向流叶轮的情况相比，装有多个轴流式叶轮时每个叶轮产生各自流型的趋势较小。然而随着物料粘度的增大，叶轮产生的径向流型增加并且发生区域性混合的趋势也增加。假如几个轴流式叶轮装的过分接近的话(例如间隔小于叶轮直径)，则这些叶轮呈现的特性就可能象是单个较大的叶轮一样。当这种情况出现时，该叶轮组的功率消耗和泵送流量也都下降。,2018/6/21,23,z+,2018/6/21
15、,24,z+,径向流叶轮组的安装间隔通常最小为1.5D，而最有效的浸没深度范围是0.51.5D，具体则取决于对表面运动要求的程度。假如这种叶轮特别是盘式叶轮，安装的过于靠近槽底，势必在槽底产生打旋的流型，并且叶轮下部的泵送区将受到严重的抑制。径向流叶轮之间的间隔存在着一个临界点，假如多个这种叶轮安装的过于靠近而达到该临界点的话，则各个叶轮各自的流型就会开始受到干扰，而叶轮组呈现的特性就象是单个叶轮一样。例如，在启动双层叶轮时，最初的功率消耗就象预料的那样为两个叶轮功率消耗之和；然而，在运转几分钟,2018/6/21,25,z+,以后，就可能形成一个单一的流型，而功率消耗则可能下降至只有两个叶轮
16、正常功率消耗的70%左右。这种状态可能无限长时间地维持下去。因此，为了得到预期的和满意的过程结果，对叶轮的安装位置要有严格的限制。,2018/6/21,26,z+,2018/6/21,27,z+,六、顶部插入式搅拌器(有挡板和无挡板梧中) 轴流式叶轮和径向流叶轮在装有低粘度流体的无挡板槽内往往会引起打旋和漩涡，而这种打旋和漩涡几乎总是不希望出现的，安装挡板就能破坏这种漩涡，形成有助于良好混合的流型。 “标准挡板”这一术语通常指的是在圆柱形槽中有四块垂直挡板，每块挡板的宽度为槽直径的1/12至1/I0，此时功率消耗达到最大值。并且观察到这一挡板宽度范围同时也能得到有助于产生自顶部到底部的循环流动
17、和消除打旋。,2018/6/21,28,z+,2018/6/21,29,z+,2018/6/21,30,z+,2018/6/21,31,z+,2018/6/21,32,z+,粘度增加时，挡板宽度可能要减小，并且挡板位置也可能要改变。例如，在流体粘度为5000cP(5.0Pas)或更高时，挡板则应大致安装在叶轮和槽壁的中间。这类挡板也可用在性质类似于粘性物料的某些种类的泥浆状物料的混合过程中。粘性物料在没有挡板时通常也不出现旋涡，但仍然可能会逐渐生成高的打旋分量。在这种情况下，尽管不会出现旋涡引起的问题，但还是需要考虑设置挡板。 一般来说，在相似的过程条件下，小槽内的打旋和旋涡较大槽内的小。对于
18、相同的过程，有可能出现这样的情况，即在进行小规,2018/6/21,33,z+,模实验时不需要挡板，而在大搅拌槽中则仍然需要挡板。 采用挡板这个观念是非常重要的。现在来研究一个假想的例子，设有一已知过程在无挡板槽内进行，槽内主要是总体的打旋运动以及一些自上部到槽底的循环流动，但旋祸不是严重的问题。假定这种流型是适合于传热、混匀、固体悬浮或仅仅是保持全槽物料处于运动状态的话，在这种条件下，如果再在槽内安装挡板，则叶轮的功率消耗将会增加，而槽内的流型格改变成以上下循环流动为主，但槽内的总体运动可能会减弱，即使在较高的搅拌功率,2018/6/21,34,z+,下也是如此。事实上，安装挡板后，为了在搅
19、拌槽内各个部位都达到在安装挡板前就存在的最低运动程度，就必须进一步增加搅拌功率。因此，对安装挡板的效应必须细致地进行考虑。其优点是使混合得到额外的强化，其代价则是功率消耗也有所增加，因此，必须根据过程要求得到的结果进行仔细的权衡。,2018/6/21,35,z+,第二章 叶轮的流体剪切速率和泵送流量 一、引 言 搅拌叶轮的流体力学特性可用径向流涡轮为例来说明(图2-1)。此照片是由光穿过槽的狭窄平面并与光的平面成直角拍摄的。这时的叶轮雷诺准数为1000，处于湍流和层流之间的过渡流区，并且没有明显的小尺度速度脉动。,2018/6/21,36,z+,搅拌叶轮的外围通常都没有外壳或护罩，所以必须定义
20、叶轮的排出区域，此处选用等于叶轮周长和叶片高度乘积的区域为排出区域，并以径向速度方向的排出量作为排液量。如果用测速探头对着叶片端部测定叶轮的排出流速，可以得到如图2-2所示的速度分布曲线。速度分布曲线上任何位置处的斜率为该处的速度梯度dvdy，这就是流体剪切速率的基本定义。流体剪切速率的单位为时间的倒数。,2018/6/21,37,z+,把剪切速率乘以粘度便得到切应力。由叶轮的速度分布可得到剪切速率，由流体性质可以得到粘度，正是这两者的乘积(切应力)才真正是使气泡分散、液滴拉伸以及使混合过程中小尺度流体相互混合的主要原因。 在混合槽中能使微团相互混合的唯一办法就是靠剪切速率。由于流体的速度差才
21、使流体各层间相互混合，所以混合过程都不可缺少剪切速率。然而，对每一个剪切速率都存在一个对应的切应力，它有助于使液滴、团块、凝聚物或气泡破碎。某些工艺过程对所需要的剪切速率效应和不需要的切应力效应是非常敏感的，而对另一些工艺过程来说，切应力则是有利的。,2018/6/21,38,z+,二、流体速度 速度探头 在带挡板搅拌槽内，当流型处于湍流区时，存在许多高频速度脉动。图2-6所示为热线风速仪、热膜风速仪和激光测速仪测得的典型的速度脉动。,2018/6/21,39,z+,据此可以计算出所示给定点处的平均速度，也可计算均方根(RMS)速度脉动值。RMS是通过对脉动值取平方，进行平均，然后开方得到的。
22、此值可很方便地从与速度成比例的电信号中得到。 速度测量 通过测量叶轮的流体排出速度可以看出叶轮转速和尺寸的变化是怎样对流体剪切作用产生影响的。图2-7所示为速度探头对着叶片的搅拌槽。图2-8所示为在三种不同叶轮转速下的平均速度是到叶轮中心线上下距离的函数。这样既可计算出围绕整个叶轮的平均剪切速率，又可以计算出在流体边界处得到的最大剪切速率。最大和平均剪切速率都示于图2-9中，此图表明了叶轮转速对这两个量的影响。,2018/6/21,40,z+,2018/6/21,41,z+,2018/6/21,42,z+,叶轮直径改变时的结果见图2-10，此图表明平均剪切速率仅是叶轮转速的函数并与叶轮直径无关
23、，而叶轮周围的最大剪切速率则是叶轮直径的函数。平均和最大剪切速率都是叶轮转速的函数。,2018/6/21,43,z+,三、搅拌过程中流体剪切速率的重要性 大约80%的搅拌应用场合主要都与叶轮的泵送能力和槽内的物料流动有关，其中包括了混匀和固体悬浮这些很常见的应用。然而，另外20%与剪切速率有关的搅拌应用场合也是极为重要的，其中包括槽内存在生物固体的发酵(包括废水处理)过程；乳化过程中的液滴形成和破碎；悬浮及聚合过程；以及流体切应力起作用的颜料分散和油漆生产过程等。 有两种不同类型的分散过程，它们在研究方法上有很大差别。一种是分散质脆且易碎的颗粒，这些颗粒在分散过程中不发生凝聚。因此，平均剪切速
24、率和最大剪切速率对颗粒尺寸的影响将决定所产生的最终分散状况。如果这种物料在搅拌槽中的时间,2018/6/21,44,z+,足够长，那么最终颗粒尺寸将取决于叶轮周围的最大剪切速率，因为颗粒终将会进入具有最大剪切速率的这一区域内。 另一种分散过程是既需要考虑分散也需要考虑凝并的过程，包括气-液分散和液-液分散过程，在这些过程中槽内存在分散和凝并间的平衡。此时，必须考虑槽内剪切速率的整个分布状况。 实际搅拌过程通常处在分散和凝并两种极端现象之间。这就是文献中许多实验人员在观察各种具体搅拌过程时发现有大量各种不问搅拌效果的原因。,2018/6/21,45,z+,剪切功 如果把剪切速率乘以剪切作用持续的
25、时间，就得到了剪切变形(剪切流动的变形率)的一种度量，它是用在过程中每英尺发生了多少英尺的变形来表示。一个相当有价值的问题是要确定在较低的剪切速率和较长的时间作用下是否能对某一具体现象的观测得出相同的结果。对某一特殊的现象也许正好需要一个剪切速率的极限值。如果是这样的话，则剪纫速率和时间之间的这种通用的比例关系就不能保证会产生相同的过程结果。,2018/6/21,46,z+,非牛顿流体中的平均剪切速率和切应力 Metzner和otto所做的研究工作。他们在假塑性(非牛顿型)和牛顿型两种流体中测定了叶轮的功率特性曲线，并提出了多种类型叶轮的剪切速率常数。他们采用的一般方法是先得到牛顿流体的功率准
26、数对雷诺准效的关系曲线(图2-19)，然后用粘度和剪切速率关系曲线如图2-20所示的非牛顿流体代替牛顿流体。通过测定叶轮在这种非牛顿流体下的功率，可以计算出表观粘度，据此就可以确定应当存在于叶轮周围以产生所测得的功率消耗的平均剪切速率。,2018/6/21,47,z+,2018/6/21,48,z+,利用速度探头计算出的湍流区平均剪切速率和通过测量功率特性计算出的层流区平均剪切速率都是相当一致的。然而对搅拌器在过渡流区的功耗的预测则会产生一些误差，这表明过渡流既不可与层流也不可与湍流严格相比。 从工艺过程的观点来看，可以将平均剪切速率的概念进行扩展以得到全槽平均剪切速率。例如，图2-21给出了
27、牛顿流体在各种粘度下达到由某种均匀性判据所确定的同一混匀时间所需的功率。对非牛顿流体也可重复这些步骤并测定达到相同混匀时间所需的功率。根据图2-21，可把这个功率转换为表观粘度。根据此表观粘度，从假塑性流体的粘度-剪切速率曲线可以得出在实验槽中必须存在的剪切,2018/6/21,49,z+,图2-21 各种粘度下牛顿流体在恒定混均时间下所需功率速率。因此可以估算出对应于所考查过程的平均剪切速率。全槽平均剪切速率的数量级小于叶轮区平均剪切速率。通过观测叶轮和槽壁间的速度梯度也可以估算全槽平均剪切速率。,2018/6/21,50,z+,这意味着我们可以通过改变体系中叶轮尺寸这样的简便方法来改变流量
28、和流体剪切速率之比。在功率一定时，大叶轮产生高流量和低剪切速率；而小叶轮则产生低流量和较高的剪切速率。,D/T值的影响 前面已经指出，叶轮功率产生流量和叶轮压头在湍流区功率正比于N3D5： P N3D5叶轮的泵送流量正比于ND3： Q ND3如果把上两式合并，将会发现叶轮的泵送流量与压头H之比在搅拌槽尺寸一定和功率保持不变的条件下正比于叶轮直径的8/3次方，,2018/6/21,51,z+,流量和流体剪切作用对过程的影响 图2-23表示了一种过程研究的结果。在功率一定时，过程结果是叶轮尺寸与搅拌槽尺寸之比以及叶轮型式的函数。一般来说，每种叶轮都有一个最佳DT比。图2-23中曲线I是用轴向流涡轮型叶轮进行实验得到的。其叶片宽度为叶轮直径的0.15倍，叶片角度为32。用叶片角为45、叶片宽度为0.22D的叶轮进行一系列相同的实验可以得到图2-23的曲线II。这表明尽管最小功率P的流量与压头之比是在不同的DT比时产生，但是其数值却大致相等。因此，如果没有其他特殊要求的话，就可以从产生大致相向的流量对流体剪切速率之比不同型式的叶轮得到大约相同的结果，这种情况称为“最佳流体范围”。,2018/6/21,52,z+,图2-23 两种不同型式的叶轮在定功率下的过程结果。此图表明在每种叶轮的最佳D/T比时，两种叶轮的过程结果非常相似。,
