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第五章 搅拌聚合釜内流体的流动与混合 chapter 5 flowing and mixing of the fluid in the stirring polymerization autoclave 学习目的与意义 (purpose and significance) 物料的运动、热量的交换、物质的 传递总是与化学反应同时进行。 n反应速率由浓度、温度、时间等决定； n流动与混合决定物料浓度、温度、停留 时间分布等； n搅拌决定流动与混合。 5.1 概述(overview) 搅拌釜：装有搅拌器的釜式反应器。据 统计，约占聚合反应器的80% 其它具有搅拌装置的容器： 原料配制槽、加料罐、 凝聚罐、浆料沉析槽、贮槽 机械搅拌作用：混合、搅动、悬浮、分散 混合（mixing)：体系中的不同物质混合均匀。 搅动（agitation) ：物料强烈流动，提高传热、传 质速率。 悬浮（suspension ) ：细小颗粒在液体中均匀悬浮 ，防止沉降、加速溶解等。 分散（dispersion ) ：气体或液体在液体中充分分 散成细小气泡或液滴，促进传质和反应，控制粒 度。 搅拌釜应具有的功能： 推动液体流动，混匀物料； 提供剪切力，分散物料并使之悬浮； 增加流体湍动，提高传热速率； 加速物料的分散和合并，增大物质传递速率 ； 高粘体系，更新表面，促使低分子物蒸出。 一、基本结构(basic structure) 5.2 搅拌釜 (stirring autoclave) 搅拌釜 搅拌容器 搅拌机 筒体 换热元件 内构件 夹套 内盘管 搅拌器 搅拌轴 密封装置 传动装置 1-电动机 2-减速机 3-机架 4-人孔 5-密封装置 6-进料口 7-上封头 8-筒体 9-联轴器 10-搅拌轴 11-夹套 12-载热介质出口 13-挡板 14-螺旋导流板 15-轴向流搅拌器 16-径向流搅拌器 17-气体分布器 18-下封头 19-出料口 20-载热介质进口 21-气体进口 搅拌釜式反应器 搅拌釜式反应器 二、搅拌容器(stirring container) 作用(function): 为物料反应提供合适的空间。 结构(structure): 容器(container) 筒体圆筒 封头椭封应用最广 搅拌容器 接管进出料/排气/控制点接管/传感器 换热元件夹管/内盘管 小型:悬挂式 支座考虑容器大小和安装位置 大型:裙式支承式 装料系数(loading coefficient ): 一般取0.6 0.85 如物料在反应过程中呈泡沫或沸腾状态取0.6 0.7 如物料在反应过程中比较平稳取0.8 0.85 容积: volume 卧式搅拌容器: 筒体和左右两封头容积之和 直立式搅拌容器: 筒体和下封头两部分容积之和 搅拌设备筒体的高径比: 确定筒体直径、高度 几种搅拌设备筒体的高径比 种类罐内物料类型高径比 一般搅拌罐 液-固相、液液相11.3 气液相12 聚合釜悬浮液、乳化液2.083.85 发酵罐类发酵液1.72.5 t tj dd djdj t tj dd djdj 整体夹套 (integral jacket) (a) 圆筒型 (b) u型 换热元件(heat exchange equipment) 型钢夹套 (section steel jacket) (a)螺旋形角钢互搭式(b)角钢螺旋形缠绕 半圆管夹套 (half pipe jacket) (a) 半圆管 半圆管横截面重心 r2 t1 d b2 b1 t2 e2 (b)弓形管 弓形管横截面重心 t2 e2 r2 b2 b1 d t1 半圆管夹套 (half pipe jacket) b l3 l2 l t1 l3 (a)螺旋形缠绕 半圆管夹套的安装 半圆管夹套的安装 (b)平行排管 d t1 折边式蜂窝夹套 (fold-type alveolate jacket) 夹套向内折边与筒 体贴合好, 再进行 焊接的结构 d1 t1 d2t2 b a a向 d1 t1 d2 e dminb 用冲压的小锥体 或钢管做拉撑体 。蜂窝孔在筒体 上呈正方形或三 角形布置 短管支撑式蜂窝夹套(short- tube-support alveolate jacket) 螺旋形盘管 (spiral coil) d d d d 对称布置的几组 竖式蛇管： 传热 挡板作用 竖式蛇管 (vertical snake pipe) 各种碳钢夹套的适用温度和压力范围 夹套型式最高温度/最高压力/mpa 整体夹套 u型 圆筒型 350 300 0.6 1.6 型钢夹套2002.5 蜂窝夹套 短管支撑式 折边锥体式 200 250 2.5 4.0 半圆管夹套3506.4 流体的流动状况（流况）： 在整个搅拌容器中流体速度向量的 变化。针对搅拌釜的流况： 5.3 搅拌釜内流体的流动状况 (flowing status of the fluid) 5.3.1 循环流动与剪切流动 (circulating flowing and shearing flowing) 三种典型的流况： 径向流动 (radial flowing) 轴向流动 (axial flowing) 切线流动 (tangential flowing) 一）宏观状况流动： 宏观流动，流体以大尺寸（凝集流体 、气泡、液滴）在大范围内（整个釜内空 间）中的流动状况，也称为循环流动。 流体流动方向垂直于 搅拌轴，沿径向流动， 碰到容器壁面分成二 股流体分别向上、向 下流动，再回到叶端， 不穿过叶片，形成上、 下二个循环流动。 (a)径向流 (a) 径向流 流体流动方向平行于 搅拌轴，流体由桨叶 推动，使流体向下流 动，遇到容器底面再 向上翻，形成上下循 环流。 (b)轴向流 (b) 轴向流 无挡板的容器内，流 体绕轴作旋转运动， 流速高时液体表面会 形成漩涡，流体从桨 叶周围周向卷吸至桨 叶区的流量很小，混 合效果很差。 (c)切向流 (c) 切向流 二）微观状况流动：剪切流动，流体以 小尺寸（小气泡、液滴分散成更小的液 滴）在小范围（气泡、液滴答小的空间 ）中的湍动状况。 剪切流动：微观流动，由于搅拌桨的剪切作用而引 起的局部混合作用。 1.使气泡、液滴细化，由于分子扩散达到微观混合 ； 2.流体具有一定粘度时，流速增加，产生速度梯度 ， 使液体变形，形成湍动，产生小漩涡，对周围的流 体微元产生剪切，形成更细的液滴； 3.桨叶附近及挡板处微观流动作用最强烈。 结论： 不管搅拌桨叶形式的差别，都存在 循环流动和剪切流动，只是比例不同。 循环型桨叶：以循环流动为主； 剪切型桨叶：以剪切流动为主。 5.3.2 搅拌雷诺数与流态 (stirring reynolds number and flow regime) 为了定量研究搅拌桨叶的特性，常用 无因次准数描述，主要有： 1.搅拌雷诺数：代表釜内流体的粘性大小 ； 2.功率准数：动力特性； 3.排出流量数：循环特性； 4.混合时间数：混合特性； 5.努塞尔准数：传热特性。 d为桨叶直径，n为搅拌器转速，为流 体密度，为流体粘度。 搅拌雷诺数：在搅拌釜内，以桨叶的端速nd作为 定性速度，搅拌雷诺数定义为： nre1000,整个釜内上下循环流动都处于湍动状态 ，无挡板时会引起漩涡，当d/t103(cd段)： 功率曲线呈一水平直线，即np与re无关， 保持不变； 湍流区，全挡板时，液体不形成漩涡，可 不考虑重力影响； np为常数 。 结论：湍流时，全挡板釜的搅拌功率与液体密度 成正比，而与液体粘度无关。 （4）无挡板釜： nre300时,产生漩涡，重力影响显著 q0,由下式估算： 查表可得！ 不同搅拌器的功率曲线(全挡板条件) 1 5 10 5 102 5 103 5 104 5 105 100 50 10 5 1 0.5 nre=d2n/ 桨式搅拌器搅拌功率 永田进治经验公式： 其中： 无挡 板 临界雷诺数（ nrec） ：层流向湍流过渡的 雷诺数； 可计算有挡板时的桨式搅拌器搅拌功率。 结论： （1）：当nre很大时，a/nre项很小，可忽略不计； （2）：当nre很小时， a/nre项很大，经验式右边 第二项可忽略，此时，np与h、无关。 二页平桨（=900）时： 二页斜桨（900）时： 等效桨：各种桨叶的桨叶宽度、叶片数、搅 拌层数的乘积相等，它们所消耗的 搅拌功率近似相等（湍流区）。 attention： 有挡板条件下所计算的搅拌功率常高于实测值 ； 等效桨处理法仅限于无挡板且低粘度条件； 深槽多层桨功率计算误差较大。 实验经验结论 釜内设置挡板，流体阻力增加，搅拌功率 增加，当挡板设置到一定程度时，功率增 到最大。此时称全挡板条件。 全挡板条件(full baffle plate condition)： 当kb=0.35时，称为全挡板条件； 当kb=0时，无挡板； kb=00.35部分挡板条件； 4块bw/t=0.1的挡板可近似当作全挡板处理。 挡板程度与功率准数关系： 永田公式： 处理方法 (treating method)：一般可采用均 相液体搅拌功率分析计算方法加以修正。 5.5.3 非均相流体搅拌功率计算 (heterogeneous fluid) 一）气-液体 系 降低了液体的有效密度，因此降低了搅拌功率 。 六叶涡轮搅拌釜 ： 永田经验公式 六叶平直涡轮全挡板搅拌釜（calderbank经验式） ： 通气系数： 大量通入气体时，开始出现大气泡，功率 消耗不再明显变化，该状态称为“液泛”。 同时，实验表明，功率消耗还与引入气体 的方式有关。 处理方法：采用混合物的平均物性，套用 计算均相体系搅拌功率的方法进行计算。 二）液-液、液-固体 系 液-液体系 （1）密 度 （2）粘度（经验式 ） 不互溶液体（敞口槽 ） 不互溶液体（封闭槽 ） 无挡板，水相体积比 40% 无挡板，水相体积比 1，t/dqd. 湍流产生 循环流量数： 湍流时： 全挡板釜，当nre105 3）经验式： 适用条件： 牛顿流体、幂率流体；n=0.51.0。 实际生产中所涉及到的分散及合并过程： 乳液聚合、悬浮聚合、界面缩聚等 分散、合并对聚合过程、产品质量、特别 是聚合物的颗粒特性有重要影响。 5.8 搅拌釜中的分散过程 一些实验现象： 1）在溶有少量分散剂的水中，加入单 体并搅拌，使之分散成液滴，再投入少 量染色单体，继续搅拌可以观察到染色 分散液滴数目增加。 5.8.1 搅拌釜内的液-液分散与合并 2）悬浮聚合： 在开始在聚合体系中加入不含引发剂 的单体使之分散均匀，然后加入溶有引发 剂的单体少量，当悬浮聚合结束时，发现 所有的单体液滴都聚合固化。 单体 搅拌 破裂 合 并 表面张力 聚集 分散 平衡 分散剂的 稳定作用 扩大 分散剂生成的分 子层保护胶体 大的液滴在剪切下作用下被拉成条形，然后 被击散成小珠滴。 随着聚合程度增加，液滴内的粘度逐渐增长。 当聚合转化率达20-70%时，软而呈胶状的液滴变 得具有很大的粘性，加上自加速效应出现，会使 液滴凝聚成大块，甚至粘附在搅拌器上使聚合过 程失败。 这是一种不稳定的状态 处理方法：必须对搅拌速度、悬浮 剂用量、水油比等加以控制。 这一阶段称为悬浮聚合的危险期。 结论： 搅拌釜内水相中的单体液滴不是独立存 在的，而是反复地进行着两个以上液滴 合并成大液滴（合并），继而一个液滴 再分散成两个以上的液滴（分散）的过 程。 一）分散 分散：较大液滴分裂成两个以上的液滴 的过程叫分散。 引起分散的作用力：液滴的剪切应力； 抑制分散的作用力：表面张力、粘性力 ； 不同机理分类：剪切分散、湍流分散。 最大液滴直径：搅拌釜内流体在一定剪切应 力作用下所形成的最大液滴的直径。 wec：临界weber准数。 （5-61 ） 1）剪切分散 液滴分散的推动力：粘性剪切力。 粘性：流体流动时产生内摩擦力的性质称 为流体的粘性。 粘性剪切力：流体流动时产生的内摩擦力 。 剪切分散示意 图 剪切液 滴 速度差导致形变 分 裂 形变度（g） ： l b 显然： 无形变时，g=0； 无限变形时，g=1； 经验值：g=0.5时，l/b=3:1，液滴才会分 裂成小液滴，此时形变度称为临界形变度 。 剪切分散时： 代入式（5-61），得 ： 结论： 1.剪切分散控制时：液滴最大直径与搅拌 转速平方成反比； 对于大多数悬浮体而言，粘性剪切分散一 般可忽略； 高粘度体系主要是粘性剪切分散控制。 湍流分散：也称为涡流分散，釜内流体处 于湍流时就存在湍流分散， 分散机理：流体湍动形成很多小漩涡，小 漩涡对周围的液体微元产生剪切作用，使 其被撕裂成微液滴。 2）湍流分散 湍流分散示意 图 速度差直接撕裂 分 裂 各向同性(isotropy) ：如果一个物体的物 理性质与其测量方向无关， 那么就说这 物体是各向同性的。 各向异性(anisotropy) ：如果一个物体的 物理性质随其测量方向发生变化， 那么 就说这物体是各向异性的。 各向同性湍流分散：桨叶附近，小涡流 的方向近似为圆周方向，液滴被沿着圆 周方向大小不同的剪切力撕成更小的液 滴。 各向异性湍流分散：釜壁附近，小涡流 方向发生改变，液滴被不同方向上的剪 切力撕成更小的液滴。 湍流分散控制时的最大液滴直径： 或： 湍流分散与剪切分散的区别： 分散推动力：剪切分散为液滴内部剪切力， 湍流分散为作用于液滴表面的涡流所产生的 剪切力； 控制阻力：剪切分散为液滴内部的粘滞阻力 ，湍流分散为作用于液滴表面的表面张力； 分散相相对粘度较低时，湍流分散控制； 分散相相对粘度较高时，剪切分