第五章 搅拌聚合釜内流体流动

1、第五章 搅拌聚合釜内流体的流动与混合第一节 概述机械搅拌式机械搅拌式反应器反应器机机械械搅搅拌拌反反应应器器接管等）（支座、人孔、手孔、其它结构传动装置密封装置搅拌器搅拌轴搅拌机内构件换热元件筒体搅拌容器总体结构搅拌器的分类搅拌器的分类按流体流动形态按流体流动形态轴向流搅拌器轴向流搅拌器径向流搅拌器径向流搅拌器混合流搅拌器混合流搅拌器按搅拌器叶片结构按搅拌器叶片结构平叶平叶折叶折叶螺旋面叶螺旋面叶按搅拌用途按搅拌用途低粘流体用搅拌器低粘流体用搅拌器高粘流体用搅拌器高粘流体用搅拌器 工业上聚合反应器种类很多，如釜式、管式、塔式等，但带有搅拌器的釜式反应器用的最多，约占聚合反应器的80%。 除聚合

2、釜外，还有许多带有搅拌装置的容器，如原料配制槽、加料罐和储槽等。 许多化工生产过程经常有多相体系的混合问题，机械搅拌是解决混合问题的重要装置。 另外，搅拌还兼有混合、搅动、悬浮、分散等多种功能。 混合是使两种或多种互溶或不互溶液体按工艺要求混合均匀，如溶液、悬浮液、乳液的配制。 搅拌是使物料强烈的流动，以提高传热和传质速率。 悬浮是使小固体颗粒在液体中均匀悬浮，以达到加速溶解、强化液固相反应、防止沉降的目的。 分散是使气体、液体在液体中充分分散成细小的气泡或液滴，增加相接触表面，以促进传质或化学反应。 为了满足以上要求，搅拌反应器应具有以下作用： 推动液体流动，混匀物料； 产生剪切力，分散物料

3、，并使之悬浮； 增加流体的湍动，提高传热速率； 加速物料的分散和合并，增大物质的传递速率； 在高粘体系中，可以更新表面，促使低分子物蒸出。 事实上，搅拌器经常兼有多种功能和作用，例如，在苯乙烯乳液聚合中，搅拌兼有混合（引发剂和单体）、分散（单体液滴分散在水相中）、及提高传热系数的作用等。 为满足各种生产过程对搅拌不同的要求，搅拌器应具有一定的几何和技术特性，如搅拌桨叶的型式、尺寸、转速、功率消耗以及挡板等。 高粘度体系高粘度体系: : 由于体系的粘度大，靠单一的径向流和轴向流动已不能适应混合的需要，此时需要有较大的面积推动力。 随着粘度的增大可依次选用下列搅拌器。 推进式、锚式、螺杆、螺带、特

4、殊型高粘度搅拌器。 a-锚式锚式 b, c-框式框式 d-螺带式螺带式 搅拌器的功能搅拌器的功能提供工艺过程需要的能量和适宜的流动状态提供工艺过程需要的能量和适宜的流动状态1、通过自身的旋转、通过自身的旋转把机械能传递给流体，把机械能传递给流体，形成桨叶附近高湍流形成桨叶附近高湍流充分混合区。充分混合区。2、推动流体沿一定、推动流体沿一定的路径在釜内循环流动，的路径在釜内循环流动，形成不同的形成不同的“流型流型”第二节 搅拌釜内流体的流动状况 流体的流动状况，可以定义为：在整个搅拌容器中流体速度向量的方向。 在搅拌釜中流体的流动状况可以分为两个层次：宏观流动状况与微观流动状况，它们对搅拌效果起

5、着不同的作用。一、循环流动与剪切流动 宏观流动是指流体以大尺寸（大气泡、大液滴）在大范围中的流动状况，也称循环流动。 循环流动有三种典型的流动状况：径向流动、轴向流动、切线流动。轴向流轴向流液体轴向流入，轴向流出液体轴向流入，轴向流出 特点：搅拌器叶片与旋转平面夹角小于特点：搅拌器叶片与旋转平面夹角小于90 如：折叶桨、推进式搅拌器如：折叶桨、推进式搅拌器径向流径向流液体轴向流入，径向流出液体轴向流入，径向流出 特点：搅拌器叶片与旋转平面夹角等于特点：搅拌器叶片与旋转平面夹角等于90 如：平桨搅拌器如：平桨搅拌器切向流切向流物料粘度较低而搅拌器旋转速度较高时，液物料粘度较低而搅拌器旋转速度较高

6、时，液体围绕搅拌轴体围绕搅拌轴 作旋转运动。作旋转运动。发生旋转运动的区域称为发生旋转运动的区域称为“圆柱状回转区圆柱状回转区”为消除圆柱状回转区，通常在釜内设置挡板。为消除圆柱状回转区，通常在釜内设置挡板。 径向流动：流体的流动方向垂直搅拌轴； 轴向流动：流体的流动方向平行搅拌轴； 切线流动：流体绕轴作旋转运动，也称为旋转流动，当搅拌转速高时，液体表面会形成漩涡。 径向流动和轴向流动对混合有利，能起混合搅动及悬浮作用，而切线流动对混合不利，需设法消除。 微观流动是指流体以小尺寸（小气泡、微滴）在小范围中的湍动状况。 微观流动是由于搅拌桨剪切作用而引起的局部混合作用，它使气泡、液滴细微化，达到

7、微观混合。 微观流动会促使局部混合，对促进传热、传质、分散微粒也有利。 在搅拌桨叶末端及挡板处微观流动作用最强。 不管搅拌桨叶为哪种型式，搅拌釜中都存在循环流动与剪切流动，如果某一桨叶以循环流动为主，称为循环型桨叶；若以剪切流动为主，则称为剪切型桨叶。二、搅拌雷诺数与流态 为定量的研究搅拌桨叶的特征，经常用无因次准数加以关联，其中以搅拌雷诺数最为重要。 依雷诺数不同，搅拌釜内流体有不同的流动状态: A区间(NRe10) 此时处于层流区，液体仅在桨叶附近呈滞流旋转流动，桨叶无液体吐出，釜内的其余部分为液体停滞区(即死角)。 B区间(NRe l001000)此时处于过渡区，即在桨叶周围液体为湍流状

8、态，上下循环流动为滞流，随雷诺数增大，其湍动程度增大。 C区间(NRe1000)此时处于湍流区，整个釜内的上下循环流动都处于湍流状态。 无挡板时会引起旋涡, 有挡板时整釜会处于湍流状态。 当桨叶直径D与釜径T之比DT0.1时，釜内流体虽为湍流状态，但上下循环流不会遍及整个釜内，易出现死角。 依雷诺数不同，搅拌釜内流体有不同的流动状态。三、挡板与导流筒1. 挡板 当流体粘度不大，搅拌转速较高，桨叶放在釜的中心线时，液体将随着桨叶旋转的方向形成一个漩涡，通常称为打漩现象。 打漩时，液体只是随着桨叶旋转而不产生横向的或垂直的上下运动，没有发生混合的机会。 打漩现象消除措施打漩现象消除措施： a. 搅

9、拌轴偏心安装时，能减弱游涡，提 高轴向循环速率; b. 在釜内安装挡板可有效的消除游涡 挡板的作用是避免旋涡现象，增大被搅拌挡板的作用是避免旋涡现象，增大被搅拌液体的湍流程度；液体的湍流程度； 将切向流动变为轴向和径向流动，强化反将切向流动变为轴向和径向流动，强化反应器内液体的对流和扩散，改善搅拌效果。应器内液体的对流和扩散，改善搅拌效果。 搅拌反应器的挡板结构搅拌反应器的挡板结构可有效地防止粘滞液体在挡板处形成死角，以防止固体颗粒的堆积。 在高粘度物料中使用桨式搅拌器时，可安装横挡板以增加掺合作用，挡板宽度可与搅拌叶同宽。 有效的消除漩涡可在釜内安装挡板，通常安装四块挡板，挡板的宽度为釜经的

10、1/10-1/12。 若在搅拌浆料时，挡板与釜壁之间应留1/6板宽的空隙，以防止固体物料的沉积。 挡板的主要作用：一是使流动状况从旋转流改变为对混合有利的垂直流动，即将切线流动转变为轴向流动或径向流动； 二是增大被搅拌液体的湍动程度，从而改善搅拌效果。2. 导流筒 在搅拌釜内，液体可沿各个方向流向桨叶，所以不同的液体行程长短不一，在需要控制回流的速度和方向时，可使用导流筒。 导流筒的作用：导流筒的作用： 导流筒作用导流筒作用-提高混合效率提高混合效率 一方面提高了对液体的搅拌程度，加强了搅拌器一方面提高了对液体的搅拌程度，加强了搅拌器对液体的直接机械剪切作用；对液体的直接机械剪切作用； 另一方

11、面由于限定了液体的循环路径，确立了充另一方面由于限定了液体的循环路径，确立了充分循环的流型，使器内所有物料均能通过导流筒分循环的流型，使器内所有物料均能通过导流筒内的强烈混合区，减少了走短路的机会。内的强烈混合区，减少了走短路的机会。 导流筒的组成：导流筒的组成： 导流筒是一个圆筒，安装在搅拌器的外面。导流筒是一个圆筒，安装在搅拌器的外面。常用于推进式和涡轮式搅拌器。常用于推进式和涡轮式搅拌器。导流筒导流筒一、搅拌器的分类 搅拌器是实现搅拌操作的设备总称，从不同角度，可有不同的分类方法。 按桨叶构形可分为桨式、涡轮式、推进式、螺杆(螺轴)和螺带式等； 第三节 搅拌器的构形及选择 按物料流动的流

12、况，可分为径向流动和轴向流动； 按搅拌任务，又可分为液体混合或乳化、固体颗粒悬浮、气-液接触、化学反应、传热等。1. 桨式搅拌器桨式搅拌器凡桨叶的构形为平桨、斜桨、锚形桨或框型桨均属于桨式搅拌器。其特点是结构简单，转速低，桨叶面积大。桨径与釜径之比为0.5-0.7，适用于粘度为0.1-100Pa.s的液体搅拌，在无挡板情况下，转速高时会形成漩涡。 由桨叶、键、轴环、竖轴所组成。桨叶一般用扁钢或不锈钢或有色金属制造。 桨式搅拌器的转速一般为20-80r/min。 桨式搅拌器桨叶不宜过长，当反应釜直径很大时采用两个或多个桨叶。 桨式搅拌器适用于流动性大、粘度小适用于流动性大、粘度小的液体物料，的液

13、体物料，也适用于纤维状和结晶状的溶解液，物料层很深时可在轴上装置数排桨叶。 实验室中时常采用此种搅拌桨。1、平直叶式搅拌器主要用于、平直叶式搅拌器主要用于流体的循环，不能用于气液流体的循环，不能用于气液分散操作。分散操作。2、折叶式比平直叶式功耗少，、折叶式比平直叶式功耗少，操作费用低，故折叶桨使用操作费用低，故折叶桨使用较多。较多。桨式搅拌器桨式搅拌器2.2.涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器又称透平式搅拌器，是应用较广的一种搅拌器，能有效的完成几乎所有的搅拌操作，并能处理粘度范围很广的液体。叶径与叶宽之比为5-8，叶径与釜径之比通常为0.5-0.7，常用的叶片数为4-8。 涡轮式搅拌器分为圆盘涡轮搅

14、拌器和开启涡轮搅拌器；按照叶轮又可分为平直叶和弯曲叶,涡轮搅拌器速度较大，300-300-600r/min600r/min。 涡轮搅拌器的主要优点是当能量消耗不大时，搅拌效率较高，搅拌产生很强的径向流。 涡轮式搅拌器有较大的剪切力，可使液体微团分散得很细， 适用于低粘到中等粘度液体的混合、分散、悬浮及促进传质、传热或化学反应。 涡轮式搅拌器的应用场合：涡轮式搅拌器的应用场合： 适用物料粘度范围广。适用物料粘度范围广。 剪切力较大，分散流体的效果好。剪切力较大，分散流体的效果好。 直叶和弯叶涡轮搅拌器主要产生径向流，直叶和弯叶涡轮搅拌器主要产生径向流，折叶涡轮搅拌器主要产生轴向流。折叶涡轮搅拌器

15、主要产生轴向流。涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器3.3.推进式搅拌器推进式搅拌器 标准的推进式搅拌器桨叶有三瓣叶片。 推进式桨叶直径较小，通常直径不大于0.4m。 推进式搅拌器其优点是结构简单，制造方便，适用于液体粘度低，液量大的液体搅拌，利用较小的搅拌功率通过高速转动的桨叶获得较好的搅拌效果。 氯乙烯悬浮聚合时常采用此种搅拌桨。 推进式搅拌器，搅拌时能使物料在反应釜内循环流动，所起作用以容积循环为主，剪切作用较小，上下翻腾效果良好。当需要有更大的流速时，反应釜内设有导流筒。 推进式搅拌器直径约取反应釜内径的1/4-1/3，300-600r/min300-600r/min，搅拌器的材料常用铸铁和铸钢。

16、推进式搅拌器推进式搅拌器推进式搅拌器的特点推进式搅拌器的特点轴向流搅拌器轴向流搅拌器常用于低粘流体的搅拌常用于低粘流体的搅拌结构简单、制造方便结构简单、制造方便循环量大，搅拌功率小循环量大，搅拌功率小4.4.螺带式搅拌器和螺杆式搅拌器螺带式搅拌器和螺杆式搅拌器螺带式搅拌器，常用扁钢按螺旋形绕成，直径较大，常做成几条紧贴釜内壁，与釜壁的间隙很小，所以搅拌时能不断地将粘于釜壁的沉积物刮下来。 当搅拌粘度大于10Pa.s的液体时，此时搅拌功率消耗明显增大，可以采用螺杆和螺带式搅拌器。 螺带式搅拌器适用于粘度极高的场合(103) 螺带式搅拌器和螺杆式搅拌器的转速都较低，通常不超过50r/min，产生以

17、上下循环流为主的流动，主要用于高粘度液体的搅主要用于高粘度液体的搅拌。拌。 螺带的高度通常取罐底至液面的高度。 通常螺带式搅拌器其螺带叶宽与釜径之比为0.1，搅拌器直径与釜径之比为0.95。螺带式搅拌器螺带式搅拌器螺杆式搅拌器螺杆式搅拌器5.5.框式和锚式搅拌器框式和锚式搅拌器l框式搅拌器可视为桨式搅拌器的变形，其结构比较坚固，搅动物料量大。l如果这类搅拌器底部形状和反应釜下封头形状相似时，通常称为锚式搅拌器。l框式搅拌器直径较大，一般取反应器内径的2/39/10，505070r/min70r/min。l框式搅拌器与釜壁间隙较小，有利于传热过程的进行，快速旋转时，搅拌器叶片所带动的液体把静止层

18、从反应釜壁上带下来；慢速旋转时，有刮板的搅拌器能产生良好的热传导。l这类搅拌器常用于传热、晶析操作和高粘常用于传热、晶析操作和高粘度液体、高浓度淤浆和沉降性淤浆的搅拌度液体、高浓度淤浆和沉降性淤浆的搅拌。锚式搅拌器锚式搅拌器框式搅拌器框式搅拌器锚式和框式搅拌器特点锚式和框式搅拌器特点1、结构简单，制造方便。、结构简单，制造方便。2、适用于粘度大、处理量大的物料。、适用于粘度大、处理量大的物料。3、易得到大的表面传热系数。、易得到大的表面传热系数。4、可减少、可减少“挂壁挂壁”的产生。的产生。二、搅拌器的选用 搅拌过程涉及流体的流动、传热和传质，问题比较复杂。搅拌器选用应满足下列要求： 保证物料

19、的混合； 消耗最少的功率； 所需费用最低； 操作方便，易于制造和维修。 选用搅拌器时一般考虑方法为选用搅拌器时一般考虑方法为： 假如生产上对搅拌没有特殊要求，则可参照生产时所使用的类似搅拌器经验地选定。 当生产过程对搅拌有严格的要求，且又无类似过程的搅拌型式可供参考，则应对设备，工艺过程的操作类别，搅拌的要求及经济性作全面的分析评价，找到操作的主要控制因素，然后选择相适应的搅拌器型式。对于过程开发或生产规模很大的工程，比较精确可靠的方法是在一定的试验基础上，研究出最佳的搅拌器桨叶形式、尺寸及操作条件，再用相似模拟放大方法进行设计计算。 选用搅拌器原则：选用搅拌器原则： 1. 均相液体的混合 均

20、相液体的混合，假如对达到完全混合的时间没有严格要求(如储槽)，任何一般类型的搅拌器都可选用。 桨式搅拌器因结构简单可优先考虑；如果要求快速混合，则可选用推进式或涡轮式。2. 非均相液体的混合（分散操作） 此时混合的目的是使互不相溶的液体能良好的分散。 为保证液体能分散成细滴，要求搅拌器有较大的剪切力。 涡轮式桨叶具有较大的局部剪切作用，所以对此类操作效果好。3. 固体悬浮 保证固体颗粒均匀分散和不沉降的主要控制因素是湍流强度和容积循环速率。 当固体粒子较大，固液密度差较大，固液比30%时，通常选用涡轮式搅拌器。 当粒子较小，固液密度差较小，固液比在60-90%时，选用平桨搅拌器。 推进式搅拌器

21、适用于固液密度差小，固液比103(CD段)， 在此区域为湍流区，功率曲线呈一水平直线。此时功率可表示为：P=K1pN3D5。 针对各种桨叶的搅拌特性，许多研究者提出了各种功率曲线图可供使用，其中较通用的是由Rushton等提出的功率函数和雷诺数曲线图，如图5-13。 利用功率曲线图计算搅拌功率消耗时，应注意图中各曲线的适用范围。二、非均相体系搅拌功率计算 对于非均相体系，其搅拌功率计算一般可采用均相液体搅拌功率计算方法加以修正的办法。1. 气液体系2. 液液体系3. 液固体系三、非牛顿流体的搅拌 非牛顿流体的表观粘度随剪切速率而变，而搅拌釜内的剪切速率又随桨叶和釜的几何形状及搅拌转速等参数而变

22、化，这样就难于确定釜内流体的粘度和计算搅拌功率。 对于搅拌功率的计算比较简单且应用较广的是表观粘度法。 设想用非牛顿流体的表观粘度代替牛顿流体的粘度来计算搅拌雷诺数。这样非牛顿流体的搅拌功率便可采用牛顿流体的关联式和曲线图进行计算。 对涡轮式、桨式和推进式搅拌器在多种非牛顿流体中的搅拌功率进行测量，结果发现，采用表观粘度法时非牛顿流体与牛顿流体的NP-NRe功率曲线在层流区和湍流区几乎重合； 非牛顿流体的NP-NRe功率曲线在过渡区则低于牛顿流体，两曲线不重合的雷诺数范围约为20-200。 显然，当搅拌雷诺数不够时，就有可能出现在近釜壁处的液体处于停滞状态，搅拌效果不好。 如果使釜壁液体流动所

23、需的最低雷诺数较小，表明该搅拌桨叶的搅拌效果好。 由表5-4可以看出，双层桨叶比单层桨叶搅拌效果好； 对同一类桨叶，若增大桨叶直径可增强搅拌效果； 斜叶桨叶则比平直桨叶效果好； 推进式搅拌效果较差，以中心插入更差。 这些定性规律可以作为非牛顿流体搅拌器选用原则的参考。 例如对于粘度较大的流体，可采用多层斜叶涡轮。第五节 搅拌器的流动特性及转速确定一、搅拌器的循环特性 搅拌桨叶旋转时，液体从中心吸入，径离心力作用从叶端排出，如同离心泵一样将液体泵送出来。 单位时间从桨叶排出的流量qd称为搅拌桨叶的排出流量或泵送能力。 qd可按下式计算： 排出流量数包含了流体的流速和搅拌器的泵送能力，反映了搅拌的

24、剧烈程度。排出流量数也是搅拌雷诺数的函数。二、搅拌转速的确定 搅拌器的设计首先要考虑反应体系对搅拌效果的要求，本体聚合及溶液聚合要求达到混合和搅拌，而悬浮聚合除此之外，更要求分散和悬浮，形成稳定的悬浮体系。 从达到搅拌效果来分，可将搅拌操作分为混合搅动型和悬浮型两大类。 搅拌转速的确定，取决于对搅拌的要求，例如在连续搅拌反应釜中，应确保进料有效混合，此时应使搅拌桨叶有足够的泵送能力。 根据实验和理论的经验规则，在连续搅拌反应釜中获得完全混合时，应使泵送速率为进料速率的4-10倍。 如果搅拌目的是为了使颗粒悬浮，此时搅拌转速与颗粒的沉降速率有关。 搅拌桨叶的转速越高，直径越大，颗粒的沉降速率就越

25、小，悬浮效果也就越好。 为了满足反应过程的要求，不仅要知道对搅拌的要求，还要了解反应物料的量、物料的一些物理性质等。 从搅拌器设计角度来说就是搅拌的尺度和难度，所谓尺度是指搅拌体系中物料量的大小，所谓难度是指达到搅拌效果所需克服的阻力。 在掌握搅拌任务的尺度和难度基础上，就可以对搅拌器进行选型和设计计算。 搅拌器设计的最优化，除了满足工艺过程要求外，主要是考虑经济问题。 一定范围内，在改变N或D的同时，调整N与D的值，对搅拌器的性能不会有明显的影响，都可以满足工艺过程的要求。 在达到相同排出流量的前提下，直径小转速高的桨叶与直径大转速低的桨叶相比，前者需要的功率大，但需要的减速装置小。 即前者投资费用低操作费用高，而后者投资费用高操作费用低。1. 混合和搅动类型的搅拌转速的确定法混合和搅动类型的搅拌转速的确定法 对于混合和搅动类型搅拌过程的强烈程度可按相互混合液体的粘度差和密度差来区分，分为10级。2. 颗粒悬浮类型搅拌转速的确定法 任何粒子在流体中沉降，均受到拉拽力作用，当拉拽力与重力平衡时，粒子在流体中沉降时的加速度为0，此时的沉降速率称为极限沉降速率。 颗粒的极限沉降速率可由图直接查得。 按习惯，悬浮类型搅拌强烈程度也分为10个等级。 搅拌级别（悬浮程度）与颗粒的沉降速率、桨叶直径和