【聚合反应工程】ppt课件

第5章搅拌聚合釜中流体的流动和混合第6章搅拌聚合釜中的传热和传质第5章第1节总结了工业上有许多类型的聚合反应器，其中最常用的是釜式反应器(称为搅拌反应器)，约占聚合反应器的80%。在聚合物生产过程中，除聚合釜外，还有许多带有搅拌装置的容器，如原料制备罐、加料罐、混凝罐、浆液沉降罐和储罐。在化工生产过程中，经常会出现液-液、气-液、液-固和气-液-固多相系统的混合问题。机械搅拌是解决混合问题的重要设备。搅拌具有混合、搅拌、悬浮和分散等多种功能。搅拌器的功能和混合：根据工艺要求，使两种或两种以上互溶或非互溶物质均匀混合的操作，如溶液、悬浮液、乳液等的制备。搅拌：使物料强烈流动以提高传热传质速率的操作。悬浮：将小固体颗粒均匀悬浮在液体中的操作，以加速溶解，加强浸出，促进液固相反应，防止沉淀等。分散：将气体和液体在流体中充分分散成细小的气泡或液滴，增加相的接触表面，以促进传质或化学反应，满足聚合物对粒径的要求。为了满足上述要求，搅拌器应具有以下功能(1)推动液体流动并均匀混合物料。(2)产生剪切力以分散和悬浮材料。(3)增加流体的湍流以增加传热速率。(4)加快物料的分散和组合，提高物料的转移率。(5)在高粘度体系中，更新表面，促进低分子物质(如水、单体、溶剂等)。)逃跑。搅拌器通常具有上述多种功能。例如，在苯乙烯悬浮聚合过程中，搅拌具有混合(引发剂和单体)、剪切分散(单体液滴分散在水相中)、悬浮和提高传热系数的作用。为满足各种生产工艺对搅拌的不同要求，搅拌器应具有一定的几何形状和技术特征，如搅拌叶片的类型、尺寸和转速，并配有合适的挡板形式和尺寸。掌握这些技术特征及其放大规律对完善设计非常重要。在第二部分中，搅拌槽中流体的流动和各种搅拌功能必须通过流体的流动来实现。流体的流动与许多因素有关，包括：内部部件(挡板和导流筒)的设置，如釜体和搅拌器、结构(几何类型和尺寸)、安装位置、操作条件(转速)和待处理材料的物理性质。流体的流动状态被定义为“流体在整个搅拌容器中的速度矢量的方向”。搅拌槽内流体的流动状态可分为两个层次：宏观状态、宏观状态、微观状态、微观状态。这两种流动条件反映了搅拌效果。循环流和剪切流。宏观流动是指流体在大范围(整个釜空间)内的大尺寸流动状态(聚集流体、气泡、液滴)，也称循环流动。循环流动有三种典型的流动条件：径向流动、轴向流动、切向流动，径向流，流体的流动方向垂直于搅拌轴，径向流与釜壁相遇，转向上下流动，然后返回叶片端，不通过叶片，形成上下循环流。图5-1径向流、轴向流，流体的流动方向平行于搅拌轴，流体被桨叶推动，使流体向下流动，接触釜底时又向上流动，形成上下循环流动。图5-2轴向流、切向流、绕轴旋转的流体，也称为旋转流，当搅拌速度高时，液面会形成旋涡。图5-3切向流、轴向流和径向流有利于混合，起到混合、搅拌和悬浮的作用。切向流动不利于混合！需要努力消除。当具有一定粘度的流体被搅拌时，随着液体流速的增加，产生速度梯度以使液体变形，同时产生流速的波动，从而形成湍流。这种湍流可以看作是结构中的许多小旋涡，它们对内部或周围的液体微元产生剪切作用，导致它们被撕成液滴。微流的作用促进了局部混合和非均匀表面更新，这也有利于促进传热、传质和颗粒分散。微流效应在搅拌叶片的叶片端和挡板处最强。虽然搅拌叶片的类型变化很大，但在搅拌槽中有循环流和剪切流，但两者的比重不同。对于主要循环的叶片，它们被称为循环叶片。如果叶片是由剪切流控制的，它就叫做剪切叶片。为了定量分析搅拌叶片的特性，通常采用无量纲准则来研究混合雷诺数和流型。代表釜内流体特性的准则主要有：搅拌粘滞力的雷诺数：NRe=dv rho/=DDN rho/=rhond 2/(5-1)动力特性的功率准则：NP=p/(rhon3d5) (5-2)循环特性的排放流量：nqd=qd/(nd3) (5-3)混合特性的混合时间：NM=NM(5-4)努塞尔传热特性准则方程，其中p为功耗，qd为排放流量在搅拌槽中，桨的结束速度ND通常被视为定性速度，因此搅拌雷诺数被定义为：nre=dv rho/mu=DDN rho/mu=Ron D2/mu(5-1)，其中d是桨的直径，n是搅拌器的转速，rho是流体的密度，mu是流体的粘度。 搅拌雷诺数不仅决定了搅拌槽内流体流动的流态(层流、过渡流、湍流)，而且对搅拌器的特性和行为起着决定性的作用。图5-4显示了搅拌槽中流体的流动模式、动态循环和混合特性。根据雷诺数，釜内流体流动有不同的流动模式。图5-4搅拌槽内液体流动的流态、动态循环和混合特性曲线。a部分(nre 10)中的液体仅在桨叶附近以停滞旋转方式流动，桨叶不排放液体，储罐的其余部分为液体停滞区(即死角)。在b区(nre 10)，当雷诺数达到几十时，会有排气流从叶尖流出，使整个釜内的流体上下循环(周围可能还有死角)，此时为层流。嘿。此时，C层段(NRe1001000)处于过渡流动状态，即叶片周围的液体为湍流，上下循环流动仍然停滞，湍流度随着雷诺数的增加而增加。在d段(NRe1000)，整个釜内的上下循环流处于紊流状态。没有挡板会造成漩涡。当叶片直径d与釜直径t之比d/t小于0.1时，虽然釜内流体处于湍流状态，但上下循环流动不会扩散到整个釜内，容易出现死角。由于搅拌桨的特性与釜内的流体状态密切相关，在设计搅拌桨、釜型和釜内部件时，首先，釜内不应有死角，釜内任何地方都很难有流体流动！其次，根据操作目的，相对容易使釜内液体形成有效的流动条件和合适的流动模式。当流体粘度不高，搅拌速度快，且桨叶位于釜的中心线时，液体会沿桨叶旋转方向沿釜壁滑动，釜内液体会在离心力的作用下流向釜壁，导致液位沿釜壁上升，中部液位下降，形成涡流现象。图5-5旋涡现象顶视图(b)侧视图，液体只随桨旋转，没有横向或垂直的上下运动，也没有混合的机会。随着搅拌速度的增加，涡心呈凹形与叶片接触。这时，外面的空气可以进入桨图5-6安装挡板后的流动状况。挡板的主要作用是：第一，改变流动状态，从主要产生涡流或漩涡的旋转流变为有利于混合的垂直流，即将切向流转化为轴向流或径向流，这对于增强釜内液体的对流扩散、轴向流和径向流是有效的；第二，增加被搅拌液体的湍流度以提高搅拌效果。如有必要，挡板可以做成中空的(内部冷却挡板)，传热介质可以在内部连通，从而提高搅拌效果和增加传热积累。其他形式的挡板，如垂直安装在釜中的换热管和热电偶套管，也可以作为挡板，但不如普通挡板有效。螺旋盘管也能产生有限的挡板效果，由于安装了盘管的垂直支撑构件，这种效果略有增加，但通常需要安装额外的挡板。消除涡流的另一种方法是使用导向缸。图5-7显示了尾水管的安装方式和流动情况。图5-7导向筒(a)螺旋桨导向筒(b)涡轮螺旋桨导向筒的安装方法。为了安装导向筒，导向筒套在螺旋桨搅拌器叶片的外面。对于涡轮搅拌器，导向缸位于叶片上方。例如，搅拌釜中紧密缠绕的线圈也可用作导向筒。一般情况下，搅拌罐的横截面应由导流筒等面积分成两部分。也就是说，导向圆筒的直径约为釜直径的70%。(1)可以提高釜内流体的搅拌强度，增强叶片对流体的直接剪切作用。2.建立一定的循环流动模式，使釜内所有物料都能通过导向筒内的强混合区，提高混合效率。3.限制循环路径，减少短路的机会。第3节搅拌器的配置和选择1。搅拌器的配置(分类)搅拌器是搅拌操作设备的总称。从不同的角度有不同的分类方法。根据叶片配置，可分为叶片涡轮型(涡轮)、推进型(螺旋桨)、螺杆型(螺旋轴)、螺旋带式等形式。根据物料的流动情况，根据搅拌功能可分为径向流型、轴向流型和液体混合或乳化型、固体颗粒悬浮型、气液接触型、化学反应型、传热型等形式。在化学操作中，它们通常根据叶片的配置进行分类。主搅拌器叶片配置(1)，主搅拌器叶片配置(2)，图5-9三叶片后掠和高粱叶片配置，2.桨式搅拌器是桨式搅拌器，其中叶片构造是平的、倾斜的、锚定的或框架式的。它具有结构简单、转速低、叶片面积大的特点。当桨叶旋转时，平坦的桨叶表面平行于轴线，液体仅沿切线方向离开桨叶，主要形成搅动较少的水平液体流。为了增加轴向流量，平桨可以倾斜一定角度以形成倾斜桨。此时，桨叶的桨叶表面不平行于轴线。除了切向流之外，液体流在旋转期间形成向上或向下的垂直液体流，并且搅拌更加强烈。桨式搅拌机的特点是，平桨或斜桨的剪切作用很强，桨叶的转速通常为20 200 rpm。适用于粘度为0.1 102 pas的液体搅拌。在没有挡板的情况下，转速高时会形成涡流。对于高粘度液体的搅拌，桨式搅拌器可根据釜底形状制成锚式或框架式。桨叶和釜壁之间的间隙很小，桨叶直径与釜直径之比通常为0.95。桨式搅拌器的特点是，对高粘度液体的搅拌要求转速低，剪切作用小，但要求搅拌范围大，不易产生死区。对于传热必须通过釜壁的情况，桨叶的刮擦作用可以用来防止在搅拌器和釜壁之间产生滞止层，因此是锚式或框架式搅拌器推进式叶片不会在气流中造成高湍流，但在没有挡板的情况下，环流很大，会形成漩涡。螺旋桨桨叶的直径较小，通常具有较小的D/T比，直径一般不超过0.4m.推进式搅拌器具有结构简单、制造方便的优点。适用于低液体粘度、大液体体积的液体搅拌，通过叶片高速旋转，利用较小的搅拌功率获得较好的搅拌效果。推送搅拌器剪切效果小，循环性能好，属于循环搅拌器。涡轮搅拌器，也称为涡轮搅拌器，可以有效地完成几乎所有的搅拌操作，并可以处理各种粘度的液体。有许多类型的刀片，打开和关闭。根据叶片的形状和位置，也有直叶片、弯叶片、斜叶片、圆盘、直叶片、弯叶片、圆盘、斜叶片等。根据流动情况，涡轮搅拌器就像一个没有泵壳的离心泵。物料被吸入后，在离心力的作用下，液体沿切向和径向流动，并以极高的绝对速度冲出出口。液体在出口处的径向速度使液体流向壁面，然后在上部路径和下部路径中回流到搅拌叶片中，以在径向流动条件下形成环流。径向流垂直于釜壁和旋转轴，并在釜壁附近变成向上和向下的垂直流。既有垂直流又有径向流，使液体从上到下有良好的翻转运动，有利于混合。涡轮式搅拌器的特点是，涡轮式搅拌器具有较大的剪切力，能很好地分散液体微团聚体，适用于对中等粘度液体附着力低的液-液分散液-固悬浮液的混合，促进良好的传热、传质或化学反应。弯曲叶片(意味着叶片向流动方向弯曲)可以降低功耗，并且适用于含有易碎固体颗粒的液体搅拌。涡轮式搅拌器的特点是，斜叶轮涡轮的排水能力小，但旋转过程中产生的轴向流动分量有利于固体颗粒的悬浮。叶片可以是封闭的，即叶片的上侧和下侧覆盖有板，这类似于离心泵的封闭叶轮。盖板可用于控制液体的泵送和排放。例如，在涡轮机上增加一个盖板，泵送的液体被限制在涡轮机的底部。对于螺旋和带式搅拌器，当搅拌粘度大于10帕的液体时，应使用螺旋和带式搅拌器。通常，螺旋推进器放置在釜的中心，在釜内设置挡板或导流筒，以提高釜内液体的搅拌强度，形成一定的循环流型，提高混合效率。带式搅拌器适用于粘度极高的场合(例如高达103帕)。具体配置包括单螺旋带、双螺旋带、四螺旋带螺杆/螺旋带等。当螺杆/螺带搅拌器旋转时，内部螺杆迫使液体向下移动，而外部螺带使液体向上移动，因此液体可以充分混合而不产生停滞区。外螺旋带还可以与釜内壁吻合良好，直接刮去釜壁上的液体，有利于夹套搅拌釜的传热。搅拌器的选择应首先满足以下要求：(1)保证物料的混合(2)消耗最少的功率(3)要求最低的成本(4)易于操作，易于制造和维护。以上文章也是评价搅拌器性能的主要依据。(1)如果生产中对混合没有特殊要求，可参照生产中使用的类似混合器进行经验选择。(2)当有严格的搅拌要求，且类似工艺没有可供参考的搅拌方式时，应对设备、工艺操作方式、搅拌要求和经济性进行综合分析和评价，找出操作的主要控制因素，然后选择合适的搅拌方式。(3)对于工艺开发或生产规模较大的项目，应通过实验研究确定最佳的搅拌器叶片形式、尺寸和操作条件，然后再进行优化如果需要快速混合，可以选择推进型或涡轮型。对于粘度较高的系统，可根据粘度值和釜的体积进行选择。非均相液体的混合(分散操作)混合的目的是很好地分散非均相液体。为了确保液体能够分散成细小的液滴，需要更大的剪切力和体积循环速率。因此，非均相液体混合的主要控制因素是液滴尺寸(分散性)和体积循环