(聚合反应工程5-6

1、第五章搅拌聚合釜内流体的流动与混合第六章 搅拌聚合釜的传热与传质v工业上聚合反应器种类很多，釜式反应器(简称搅拌釜)应用最普遍，约占聚合反应器的80。v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，如原料配制槽、加料槽、凝聚槽、浆料沉析槽和贮槽等。v化工生产过程中，经常有液-液、气-液、液-固以及气-液-固多相体系的混合问题。v机械搅拌是解决混合问题的重要装置。v搅拌兼有混合、搅动、悬浮、分散等多种功能。v混合：使两种或多种互溶或不互溶液体按工艺要求混合均匀的操作，如溶液、悬浮液、乳液等的配制。v搅拌：使物料强烈地流动，以提高传热、传质速率的操作。v悬浮：使小固体颗粒在液体中均匀

2、悬浮、以达到加速溶解、强化浸取、促进液-固相反应、防止沉降等目的的操作。v分散：使气体、液体在流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，并满足聚合物对粒度要求的操作。v为满足上述要求，搅拌器应具有下述作用v(1)推动液体流动，混匀物料。v(2)产生剪切力，分散物料并使之悬浮。v(3)增加流体的湍动，以提高传热速率。v(4)加速物料的分散和合并，增大物质的传递速率。v(5)在高粘体系，更新表面，促使低分子物(如水、单体、溶剂等)逸出。v搅拌器通常兼有以上多种功能和作用。v例如，在苯乙烯悬浮聚合过程中，搅拌兼有混合(引发剂与单体)、剪切分散（单体液滴分散在水相中)、悬

3、浮及提高传热系数等作用。v为满足各种生产过程对搅拌的不同要求，搅拌器应具有一定的几何形状和技术特性，如搅拌桨叶的v型式v尺寸v转速v并配以适当的挡板形式与尺寸。v掌握这些技术特性及其放大规律，对完善设计非常重要。v搅拌的各种作用均需依靠流体的流动来实现。v流体的流动与许多因素有关，包括：v釜体与搅拌器等釜内构件(挡板、导流筒)设置、结构（几何型式、尺寸）v安装位置v操作条件(转速)v所处理物料的物性等。v流体的流动状况（简称流况）的定义为“在整个搅拌容器中流体速度向量的方向”。v在搅拌釜中流体的流况可以分为两个层次：v宏观状况 宏观流动v微观状况 微观流动v这两种流况反映了搅拌的效果。v宏观流

4、动是指流体以大尺寸(凝集流体、气泡、液滴)在大范围(整个釜内空间)流动状况，也称循环流动。v循环流动存在三种典型的流况：v径向流动v轴向流动v切向流动v流体的流动方向垂直搅拌轴，沿径向流动碰到釜壁转向上、下两股再回到桨叶端，不穿过桨叶片，而形成上、下两个循环流动。 图5-1 径向流动 v流体的流动方向平行搅拌轴，流体由桨叶推动，使流体向下流动，碰到釜底再翻上，形成上下循环流动。 图5-2 轴向流动 v流体绕轴作旋转运动，也称旋转流动，当搅拌转速较高时，液体表面会形成漩涡。图5-3 切线流动v轴向流动及径向流动对混合有利，能起混合搅动及悬浮作用。v而切线流动则对混合不利！需设法消除。v微观流动是

5、指流体以小尺寸(小气泡、液滴分散成更小的微滴)在小范围(气泡、液滴大小的空间)中的湍动状况。v微观流动是由于搅拌桨的剪切作用而引起的局部混合作用；可促使气泡、液滴细微化，最后经分子扩散达到微观混合。v当搅拌具有一定粘度的流体时，随液体流速增加，产生速度梯度使液体变形，同时产生流速的涨落，因而形成湍动。v这种湍动在结构上可视为许多小涡旋，它对其中或周围的液体微元产生剪切作用，使其被撕成微滴。v微观流动的作用促使局部混合及异相表面更新，对促进传热、传质、分散微粒也有利。v在搅拌桨叶叶端附近及挡板处微观流动作用最强烈。v虽然搅拌桨叶型式千差万别，在搅拌釜中都存在循环流动与剪切流动，只是二者的比重有所

6、不同。v对以循环流动为主的桨叶，称为循环型桨叶；v若以剪切流动为主的桨叶，称为剪切型桨叶。v为定量地分析搅拌桨叶的特性，经常用无因次准数进行研究。v主要有以下代表釜内流体特性的准数：v粘性力的搅拌雷诺数：v NRe=Dv/DDN/ND2/ (5-1)v动力特性的功率准数： NpP/(N3D5) (5-2)v循环特性的排出流量数：Nqdqd/(ND3) (5-3)v混合特性的混合时间数：NM=NM (5-4)v传热特性的努塞尔准数等v式中，P为功率消耗，qd为桨叶的排出流量，M为混合时间。v在搅拌釜内，常以桨叶的端速ND作为定性速度，所以搅拌雷诺数定义为：vNRe=Dv/DDN/ND2/ (5-

7、1)v式中，D为桨叶直径，N为搅拌器转速，为流体的密度，为流体的粘度。v搅拌雷诺数不仅决定搅拌釜内流体流动的流态(层流、过渡流、湍流)，而且对搅拌器的特性和行为也有决定性作用。 v图5-4为搅拌釜内流体的流态、动力循环和混合特性。v依雷诺数不同，釜内流体流动有不同的流态。图5-4 搅拌釜内液流的流态、动力循环和混合特性曲线 v A区间(NRe10) 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)。vB区间(NRe 10) 当雷诺数达数十时，自桨叶端开始有吐出流产生，并引起整个釜内流体的上下循环流动(可能尚存在四周死角)，此时处于层流。vC区间(NRe 10

8、01000) 此时处于过渡流态，即在桨叶周围液体为湍流状态，上下循环流仍为滞流，随雷诺数增大，其湍动程度增大。vD区间(NRe 1000) 整个釜内的上下循环流动都处于湍流状态。v无挡板时会引起漩涡。v当桨叶直径D与釜径T之比D/T0.1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。v由于搅拌桨叶特性与釜内流体的流态有密切关系，在设计搅拌桨叶、釜型及釜内部构件时：v首先应使釜内没有死角，在釜内任何地方都有流体流动 很难做到！v其次依操作目的，使釜内液体形成有效的流况和适当的流态 相对容易做到。 v1挡板v1.1打漩现象v当流体粘度不大，搅拌转速较高，且桨叶在釜的中心线时，

9、液体将随桨叶漩转的方向循釜壁滑动，釜内液体在离心力作用下涌向釜壁，使液面沿釜壁上升，中心部分的液面下降，形成一个漩涡的现象。图5-5打漩现象(a)俯视图(b)(b)侧视图v打漩时；液体只随桨叶旋转而不产生横向或垂直的上下运动，没有发生混合的机会。v随搅拌转速加大，漩涡中心下凹到与桨叶接触。此时，外面的空气可进入桨叶而被吸到液体中，桨叶所接触的是密度较小的气液混合物，从而降低了搅拌效果。v搅拌轴偏心安装时，能减弱漩涡，提高轴向循环速率；但如果安装位置选择不当，会造成更大的打漩和反常漩涡，对搅拌轴造成危险的应力。 v有效的方法之一是在釜内安装挡板。v通常安装四块挡板v挡板的宽度为釜径的1/10-1

10、/12。v若搅拌浆料时，挡板与釜壁之间应留一定的空隙，以防止固体物料的沉积。图5-6安装挡板后的流况 v一、使流况从主要是生成涡流或漩涡的旋转流，改变为对混合有利的垂直流动，也即将切线流动转变为轴向流动或径向流动，这对于增强釜内液体的对流扩散、轴向流动和径向流动都有效；v二、增大被搅拌液体的湍动程度，从而改善搅拌效果。如有必要，挡板可以制成空心状(内冷挡板)，内部能通传热介质，这样既可改善搅拌效果又能增加传热而积。v挡板的其它形式：v如在釜中垂直安装的换热管、温度计套管也能起挡板的作用，但不及通常的挡板有效。v螺旋形蛇管也能产生有限的挡板效应，这种效应因装设蛇管的垂直支撑构件而略有增加，但往往

11、还需要另装挡板。v另一种消除漩涡的方法是使用导流筒。v图5-7表示导流筒的安装方式及流动情况。图5-7 导流筒安装方式 (a)螺旋桨导流筒 (b)透平桨导流筒 v对于推进式搅拌器，导流筒套在桨叶的外面。v对于涡轮式搅拌器，导流筒置于桨叶的上方。v如搅拌釜内有紧密卷绕的蛇管也可起导流筒的作用。v一般导流筒须将搅拌釜截面分成面积相等的两部分。v即：导流筒的直径约为釜径的70。v1.可提高釜内流体的搅拌强度，加强桨叶对流体的直接剪切作用。v2.造成一定的循环流型，使釜内所有物料均可通过导流筒内的强烈混合区，提高混合效率。v3. 限定循环路径，减少短路机会。 v一、搅拌器的构形（分类）v搅拌器是实现搅

12、拌操作的设备总称，从不同角度可有不同的分类方法。v按桨叶构形可分为v桨式v涡轮式(透平)v推进式(螺旋桨)v螺杆(螺轴)v螺带式等形式。v按物料流动的流况可分为v径向流动型v轴向流动型v按搅拌功能又可分为v液体混合或乳化型v固体颗粒悬浮型v气-液接触型v化学反应型v传热型等形式。v在化工操作中，一般按桨叶的构形加以分类。 图5-9 三叶后掠式及布鲁马金式桨叶构形v凡桨叶的构形为平桨、斜桨、锚形桨或框形桨者均属桨式搅拌器。v其特点是结构简单、转速低、桨叶面积大。v桨叶旋转时，平板桨面与轴平行，液体仅以切线方向离开桨叶，主要形成水平液流，搅动不激烈。v为增加轴向流动，可将平桨倾斜一定角度而成斜桨，

13、此时桨叶面与轴不平行，旋转时液流除形成切向流动外，还形成向上或向下的垂直液流，搅拌较激烈。 v平桨或斜桨的剪切作用较强，桨叶的转速通常为20200转/分。v适用于粘度为0.1102Pas的液体搅拌。v在无挡板条件下，转速高时会形成漩涡。v对于高粘度液体的搅拌，可按照釜底部的形状把桨式搅拌器做成锚式或框式。v这种桨叶与釜壁的间隙小，一般桨径与釜径之比为0.95。 v高粘液体的搅拌，需要转速低、剪切作用小，但要求搅动范围很大，不易产生死区。v对必须通过釜壁传热的情况，可利用桨叶的刮扫作用来防止搅拌器与釜壁之间产生滞流层，从而促进传热 宜采用锚式或框式搅拌器。v当粘度高于103Pas时，由于功率消耗

14、太大，一般就不宜采用锚式或框式搅拌器。 v标准的推进式搅拌桨有三瓣叶片，其螺距S与桨径D相等。v搅拌时，流体的流况复杂：液体由桨叶上方吸入，从下方以圆筒状螺旋形排出，即驱使流体向下流动，轴向分速度使液体沿轴向流动，待流至釜底再沿壁折回返至螺旋桨上方，形成轴向循环流动，同时，也存在部分径向液流。v推进式桨叶造成流动的湍流程度不高，但循环量大，无挡板时，也会形成漩涡。v推进式桨叶直径较小，通常采用较小的D/T比，直径一般不大于0.4m。v推进式搅拌器的优点是结构简单，制造方便。v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。v推进式搅拌器的剪切作用不大

15、，循环性能好，属于循环型搅拌器。v又称透平搅拌器，能有效地完成几乎所有的搅拌操作，并能处理粘度范围很广的液体，桨叶形式很多，有开式和闭式两大类。v根据桨叶叶片的形状和位置，又有v平直叶片v弯曲叶片v倾斜叶片v圆盘平直叶片v圆盘弯叶v圆盘斜叶等。v从流动情况看，涡轮式搅拌器像一只无泵壳的离心泵。v物料被抽吸后，在离心力作用下，液体作切向和径向流动，并以很高的绝对速度从出口冲出。v出口液体的径向分速度使液体流向壁面，然后分成上、下两路回流入搅拌桨叶，形成径向流况的循环流动，径向流动与釜壁和转轴垂直，并在釜壁附近折转为向上、下垂直流动。v既有垂直液流，又有径向液流，使液体有良好的从顶到底的翻转运动，

16、有利于混合。v涡轮式搅拌器的剪切力较大，可使液体微团分散得很细，适用于v低粘到中粘液体的混合v液-液分散v液-固悬浮及促进良好的传热、传质或化学反应。v弯叶（指叶片朝着流动方向弯曲）可降低功率消耗，适用于含有易碎固体颗粒的液体搅拌。v斜桨涡轮的排液能力较小，但由于旋转时产生的轴向流动分量，有助于固体颗粒的悬浮。v桨叶可做成闭式，即于桨叶上下两侧加盖板，与离心泵的闭式叶轮相似。v盖板可用于控制抽液和排液，如在涡轮上面加装盖板，抽吸液体被限制在涡轮的底部。v当搅拌粘度大于10Pas的液体时，宜采用螺杆和螺带式搅拌器。v通常将螺杆桨置于釜中心，釜内设置离壁挡板或导流筒，提高釜内液体的搅拌强度并造成一

17、定的循环流型，提高混合效率。v螺带式搅拌器适用于粘度极高的场合(如达103Pas)。v具体构形有v单螺带v双螺带v四螺带v螺杆/螺带式等。 v螺杆/螺带式搅拌器旋转时v内螺杆迫使液体向下运动v外螺带则使液体向上运动，从而可使液体充分混合，不致产生停滞区。v外螺带还可与釜内壁很好地吻合，直接刮扫釜壁上的液体，有利于夹套式搅拌釜的传热。v搅拌器选用首先应满足下列要求：v(1)保证物料的混合v(2)消耗最少的功率v(3)所需费用最低v(4)操作方便，易于制造和维修。v上述各条也是评价搅拌器性能的主要根据。 v(1)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。v(2)对搅

18、拌有严格的要求，又无类似过程的搅拌型式可供参考时，则应针对设备、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。v(3)对于过程开发或生产规模很大的工程，需经试验研究，确定最佳的搅拌器桨叶形式、尺寸及操作条件，再用适当的放大方法进行设计计算。v1均相液体混合型搅拌器选择v均相液体混合的主要控制因素是容积循环速率。v假如对达到完全混合的时间没有严格要求(如贮槽)，任何一般类型的搅拌器都可以选用。v桨式搅拌器结构简单，可优先予以考虑。v如果要求快速混合，则可选用推进式或涡轮式。v对于粘度较高的体系，可根据粘度值和釜的容积大小来选用。v混合

19、的目的是使互不相溶的液体能良好地分散。v为保证液体能分散成细滴，要求有较大的剪切力和容积循环速率。v所以，非均相液体混合的主要控制因素是液滴的大小(分散度)及容积循环速率。v涡轮式桨叶具有较大的局部剪切作用和容积循环速率，对此类操作效果较好。v当分散粘度较大的液体时，可采用弯叶涡轮，以减少动力消耗。v保证固体颗粒均匀分散和不沉降的主要控制因素是容积循环速率及湍流程度。v可根据固体颗粒的性质选用搅拌器。v当固体粒径和固液密度差较大，可选用开式涡轮；v粒径和固液密度差较小，可选用平桨；v推进式适用于固液密度差小的搅拌。v当釜体较长时，可采用多层桨搅拌。v这类操作主要保证气体进入液体后被打散，进而能

20、形成更小的气泡并能使气泡均匀地分散。v故控制因素是局部剪切作用、容积循环速率及高转速。v圆盘式涡轮最理想。 v控制因素是容积循环速率并需低转速。v由于体系的粘度大，靠单一的径向流动和轴向流动不能适应混合的需要，此时要有大的面积推动力。v随着粘度的增大可依次选用下列搅拌器：v透平、锚式、框式、螺杆、螺带、特殊型高粘度搅拌器v搅拌器所需功率由三方面构成：v(1)搅拌器所消耗的能量，即搅拌器推动液体流动所需的能量；v(2)搅拌轴封所消耗的能量；v(3)机械传动所消耗的能。v其中，所需功率以搅拌器轴功率为主。v轴封所消耗能量在使用填料密封时，一般为搅拌器轴功率的1015；v机械端面密封时一般约为搅拌器

21、轴功率的为2。v机械传动效率一般为0.80.95。v(1)搅拌功率是衡量搅拌强度的主要物理量。v(2)搅拌功率是搅拌器机械设计的基本数据。v(3)根据搅拌功率为搅拌电机选用提供依据。v因次分析所依据的基础是因次的一致性，即每一个物理方程式，其两端不仅数值相等，而且因次也相等。v在许多情况下，由于研究的对象过于复杂，所涉及各个因素之间的关系尚不能用简单的微分方程加以描述或微分方程过于复杂，难以求解。v通常的处理方法是将物理量与影响因素之间的关系写成一般的不定函数形式，然后根据这些物理量的基本因次将它们组合为一个或几个无因次组(即数群)。v由于因次论不是从所研究的物理现象的本质出发，而只是单纯依靠

22、各物理量间的因次关系的分析，故所得到的无因次数群不一定有明确的物理意义。v在研究搅拌轴功率P时，根据实验发现它与下面几个变量有关：v搅拌器转速Nv搅拌器桨叶直径Dv液体密度v液体粘度v重力加速度gv假定与几何构型有关的参数(如釜径、桨叶宽度、挡板尺寸、液深等)严格地与桨叶直径D成比例v则搅拌轴功率P与上述变量的函数关系可写成v P=f(N,D,g) (5-5)v写成指数形式： PKNaDbcdge (5-6)v式中，K为常数a、b、c、d、e为指数。v根据因次关系，上式可表示为v ML2/t3=(1/t)a(L)b(M/L3)c(M/Lt)d(L/t2) (5-7)v由因次一致性，经整理可得：

23、v (5-8)v式中：p-d，q-e。v用无因次数群表示时，上式可写成v NP=KNRepNFrq (5-9)v式中： NP=P/(N3D5) 搅拌功率准数v NRe=ND2/ 搅拌雷诺数v NFr=DN2/g 搅拌弗鲁德准数de2235pq2235N DD NPKN DgN DD NKN Dgv若把几何因素加以考虑，式(5-9)可写成更普遍的形式：v NP=KNRepNFrqf(D/T, b/T, H/T, Kb,) (5-10)v功率准数与雷诺准数及弗鲁德准数的关系式是搅拌功率计算的基础。v当几何构形一定时，若以功率函数表示，则式(5-9)可简化为：v NP=KNRepNFrq NP/NF

24、rq=f(NRe)v也即功率函数是搅拌雷诺数的函数。v把功率函数或功率准数Np与雷诺数NRe值在双对数坐标纸上标绘，所得曲线称为功率曲线。v各种搅拌器的功率准数与雷诺数的关系大体相似，对于一个具体的几何构形只有一条功率曲线，它与搅拌釜的大小无关，但不同几何构形的搅拌桨叶各有特定的功率曲线。图5-12为某搅拌桨叶的典型功率曲线。 图5-12 搅拌釜的NPNRe曲线 v由图5-12可见，功率曲线可分为三个区域：v1NRel10(AB段)： 在此区域中，所用搅拌器的功率曲线斜率为-1的直线，为搅拌的层流区。v此时釜内呈粘性力占优势的粘性流动，重力影响可忽略，即不考虑NRe的影响。v层流时的功率准数关

25、联式可表示为 ：NP=KNRe-1，v NP=P/(N3D5) P=KN2D3 (5-10)v式中，K为常数与搅拌条件有关。v式(5-10)显示，层流时在一定的搅拌转速下，功率消耗与液体粘度成正比，而与液体的密度无关。v2NRe10103(BC段)： 在此区域中，流体从层流过渡到湍流，称为搅拌过渡区，各种尺寸或各种构形桨叶的BC段不同。v3NRe103(CD段)： 在此区域内为湍流区，功率曲线呈一水平直线。v在全挡板釜时，液体不形成漏斗状下陷漩涡，可不考虑重力的影响，此时功率准数NP为常数，所以v P=K1N3D5 (5-11) 式中，K1为常数 。v由式(5-11)即：P=K1N3D5 ，可

26、以看出：v湍流时，全挡板釜的搅拌功率消耗与液体密度成正比，而与液体的粘度无关。v由大量实验数据的积累，已归纳出不同搅拌桨叶的常数K及Kl值，如表5-1所示（p155）。v对于无挡板釜，当NRe300时，液体不形成漩涡，此时可不考虑重力影响。v但当NRe300时，将产生漩涡，重力影响显著，v此时式(59)（NP=KNRepNFrq )中的指数q0，q值由下式计算：v q(-lgNRe/) (5-12)v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。v其中，较通用的是由Rushton等人提出的功率函数NRe曲线，如图5-13所示（p155）。 v提示：v利用功率曲线图计算搅拌功率

27、消耗时，应注意图中各曲线的适用范围，如果应用时与图5-13中所列条件偏离较远时，将会引起较大的误差。v 在一直径为1.2m，液深为1.2m，内装有4块挡板(Bw/T0.10)的反应釜内，反应液的密度为1300kg/m3，粘度为1310-3Pas，今用一三叶推进式搅拌器(D0.4m，S/D1)以300转/分的转速进行搅拌，计算v(1)搅拌轴功率消耗。v(2)若改用同样直径的六叶平直圆盘涡轮，转速不变，搅拌功率是多少？v(3)若釜内不设挡板，仍采用六叶平直圆盘涡轮时，其搅拌功率是多少?v解: v(1)计算搅拌雷诺数v由图5-13曲线2得0.32，因有挡板，NRe103，Np=NFrq=0.32 （

28、q0）v(2)由5-13曲线6查得6.3，NP=6.3 224Re330013000.4ND60N8 1013 10 3355p300PNN D0.32 13000.4533W0.53kW603355p300PNN D6.3 13000.410480W10.5kW60v(3)无挡板，NRe300，有漩涡，查表5-2得1.0，40.0，代入式(5-12)计算指数q：v由图5-13曲线5查得1.2， RelgN1.0lg80000q0.097640 22Fr3000.4ND60N1.02g9.81 Fr0.0976qpNN1.21.021.2 0.998 3355p300PNN D1.2 0.99

29、8 13000.41990W1.99kW600v对于气-液、液-液、液-固等非均相体系，其搅拌功率计算一般可参照均相液体搅拌功率的计算方法，并加以修正。v1气-液体系v液体中通入气体，降低了被搅拌液体的有效密度，因此也就降低了搅拌功率。永田对六叶涡轮搅拌釜在广泛通气流率范围内研究了对搅传功率的影响，得到如下关联式(5-19) :1.96D0.1154.3822T30DNDDNqlg192TgNDgPPv式(5-19)中，Pg和P0分别为通气和不通气条件下的搅拌功率，q为通气速率m3/s。vCalderbank用六叶平直涡轮在全挡板搅拌釜中研究了通气系数G与搅拌功率的关系，得到如下关联式:vPg

30、/P0=1-1.26G; G3.610-2 (5-20)vPg/P0=0.62-1.85G;v3.610-2G1110-2 (5-21)v式中，G=q/ND3，见图5-14（p158）。v显然，只要算出不通气时均相液体的搅拌功率，通过该式（图）就能方便地计算通气条件下的搅拌功率。 v当大量通入气体时，开始出现大气泡，功率消耗不再明显变化，该状态称“液泛”。图5-14 搅拌的功率比Pg/P0与通气系数G的关系Pg/P0v在搅拌器作用下，流体在釜内按一定的流况作循环流动，搅拌器的流动特性也称循环特性，是影响搅拌效果的重要因素。v一、搅拌器的循环特性v搅拌桨叶旋转时，液体从中心吸入，经离心力作用从叶

31、端排出，如同离心泵一样将液体泵出。v单位时间内从桨叶排出的流量qd称为搅拌桨叶的排出流量或泵送能力。 v排出流量qd可按液体离开桨叶的平均速率u和桨叶扫过面积的乘积来计算。v桨叶扫过的面积与桨叶直径D2成正比，而平均速率又正比于叶端速度(ND)，故可得v qd=NqdND3 (5-38)v式中的比例系数Nqd称为排出流量数或泵送准数。v排出流量数Nqd包含了流体的流速和搅拌器的泵送能力，反映了搅拌的剧烈程度。v排出流量数与功率准数相类似，也是搅拌雷诺数的函数。 图5-17涡轮搅拌器排出流量数与雷诺数的关系 v在层流时，qcqd；湍流时，qcqd。v与排出流量数相类似，可用循环流量数Nqc来表征

32、搅拌桨叶的循环特性v Nqc=qc/ND3 (5-40)v在湍流域时，它们的关系为v Nqc= Nqd1+0.16(T/D)2-1 (5-41)v影响Nqd及Nqc的主要因素是雷诺数及桨叶特性。v若用循环次数N c或循环时间tc来表征搅拌器的循环特性更为直观。v N c =qc/VNqcND3/V (5-46)v tc=1/Nc (5-47)v式中，V为搅拌釜内流体的体积。v循环次数N c是一个很重要的搅拌参数，通常可用以判别搅拌强度。v 普通搅拌 N c 35次/分v 强烈搅拌 N c 510次/分 v习惯上用排出流量数Nqd与功率准数Np的比值来判断桨叶的流动特性：v当Np/Nqd12时，

33、为循环型桨叶；v当Np/Nqd3 时，为剪切型桨叶。v搅拌器设计首先要考虑反应体系对搅拌效果的要求：v本体聚合及溶液聚合要求达到混合和搅动。v悬浮聚合更要求分散和悬浮，以形成稳定的悬浮体系。v从搅拌效果来看，可将搅拌操作分成混合搅动型和悬浮型两大类。v搅拌釜内流体的流速分布和搅拌转速密切相关。v搅拌转速的确定取决于对搅拌的具体要求。v如在连续搅拌反应釜中，应确保进料有效混合，此时搅拌桨叶应有足够的泵送能力。 v对于混合和搅动类型搅拌过程的强烈程度按相互混合液体的粘度差和密度差来区分。搅拌强烈程度分为10级，表5-5列出10个搅拌等级的划分标难。v(1)根据生产任务确定搅拌釜容积和釜径T；v(2

34、)选定桨叶直径与釜径比值D/T，初步求出桨叶的直径D；vD/T的比值一般在0.20.8之间。实际使用时常用的桨叶D/T比值范围如下：v 平桨 0.50.83v 涡轮 0.330.40v 推进式 0.10.33v(3)根据所得搅拌程度确定搅拌等级和总体流速u；v(4)计算搅拌桨叶的排出流量qduT2/4；v(5)运用雷诺准数NRe和排出流量数Nqd关系图(见图5-17，p162)，计算搅拌桨叶转速N；v首先假设在湍流区，由图5-17查得Nqd，从而初选出转速N，根据初选出的N值计算NRe后，再从图上读出Nqd，通过反复试差校正，可计算出合适的转速；v(6)对搅拌桨叶直径进行粘度校正，校正因数CF

35、列于表5-6。DeD/CF，其中，De表示桨叶经校正后的直径；v(7)计算搅拌桨叶的轴功率消耗v一个容积为40m3贮槽，容纳几台分批反应器的产物，产物密度为1.05，最大波动为0.05。粘度为0.49Pas。各批产品间粘度无明显变化，产品在贮槽中至少存放两天。槽径3.5m，直边高3.65m，碟形底。试设计搅拌装置。 v解 各批物料的密度差别小，粘度无明显变化，对均匀程度没有提出特别要求，存放时间又长，搅拌强度可选用一级。 v由表5-6查得，总体流速u1.8m/min，则排出流量为vqd=u(T2/4)=1.8(3.143.52/4)=17.26m3/minv若选用六叶涡轮桨叶，取D/T0.25

36、，则vD0.25T0.253.50.875mv计算搅拌转速，利用图5-17，假设为湍流操作，v由D/T0.25时，查得Nqd0.87，从而vN=qd/(NqdD3)=17.26/（0.870.8753）=29.6rpmv此时的雷诺数为：N=ND2/v1.051000（29.6/60）（0.875）2/0.49=809v由图5-17读出，Nqd约为0.71，重新计算转速 vN=qd/(NqdD3)=17.27/(0.710.8753)=36.3rpmv由此，得雷诺数：vNRe=ND2/=1050(36.3/60)(0.875)2/0.49=994v由图5-17读出，此时的Nq0.73，重新计算转

37、速得：vN=17.26/0.73(0.875)3=35.3rpmv计算雷诺数：vNRe=1050(35.3/60)(0.875)2/0.49=965v再从图5-17读出，Nq0.73，与上一个设定的Nqd相近，故搅拌桨叶转速可确定为N=35.3rpm。v对桨叶直径进行粘度校正：由表5-6看出，当NRe为965时(700)，CF1，也即桨叶直径不需校正，仍取D0.875m。表5-6 桨叶直径的粘度校正因数CF雷诺数NRe700500400300200校正系数CF1.00 0.990.980.970.95150 10080 70 60 500.930.91 0.900.890.880.87v颗粒悬

38、浮型搅拌器一般是按颗粒悬浮问题来处理，按悬浮程度的要求计算搅拌桨叶的尺寸和转速，而颗粒悬浮系统的搅拌难度，则决定于悬浮粒子的沉降速率。vStokes曾对单颗光滑球形粒子的沉降进行研究，并提出极限沉降速率的计算式。v但对实际体系，情况远非如此，主要由于：v颗粒多，不再是单颗v粒经不均一，存在粒经分布v形状不规则，不一定都是球形v表面也不可能都是光滑的v所以计算式的应用受到限制。v比较实用的方法是将：v粒子的平均粒径dpv极限沉降速率utv颗粒与悬浮介质密度差三者之间的关系整理成图，如图5-19所示。v由图5-19可直接查得颗粒的极限沉降速率。 图5-19 球形颗粒在液体中自由沉降的极限沉降速率图

39、v悬浮类型搅拌强烈程度，也可划为10个等级，表5-7列出10个搅拌等级的划分标准。v搅拌级别(悬浮程度)与有关下列因素：v颗粒的沉降速率v桨叶直径v转速v桨叶的转速愈高，直径愈大，颗粒的沉降速率愈小，所获得的悬浮程度愈高。v即：悬浮程度(搅拌级别)NnDm/ud (5-48)v式中ud为设计沉降速率。v图5-20为搅拌级别与桨叶直径、转速及颗粒设计沉降速率的关系。v图中的横坐标以9.28103N3.75D2.81/ud来表示的。v利用图5-20，在确定了搅拌级别，桨叶直径设计沉降速率后，可以计算搅拌桨叶的转速。v具体设计计算步骤如下：v(1)计算密度差：假设颗粒雷诺数处于层流或湍流区域，分别计

40、算密度差(p-)/或(p-)/；v(2)查取极限沉降速率ut：根据颗粒直径dp及密度差由图5-19查取极限沉降速率ut；v(3)设计沉降速率ud校正：当悬浮体系的稠度较高时，颗粒之间容易发生粘合，此时将大于单个颗粒的沉降速率。经验表明，稠度愈高，搅拌愈困难。因此，需校正以求出设计沉降速率ud；v udfwut，fw的数值见表5-8；颗粒浓度，（质量）fw颗粒浓度，（质量）fw颗粒浓度，（质量）fw20.80201.10401.5550.84251.20451.70100.91301.30501.85151.0351.42v(4)选定搅拌桨叶形式及桨叶直径，v即确定桨叶直径与釜径之比值D/T，v

41、(5)根据表5-7选定搅拌等级；v(6)计算搅拌桨叶转速：运用图5-20由选定的搅拌级别、D/T值及ud读取值，计算转速N：vN=ud/(9.28103D3.81)t/3.75 （5-49）v(7)校正颗粒雷诺数NRe(p)vNRe(P)=dPut/ (5-50) vNRe(P) 1000为湍流态。v(8)计算搅拌轴功率。v1.搅拌器一般具有哪些功能？v2.搅拌釜内流体的流动分为哪两个层次？v3.循环流动的三个典型流况分别是什么？哪些流动对混合有利？哪些流动需克服？v4.何为打漩现象？如何消除打漩现象？v5.试说出几种搅拌器的构型、特点和应用。v6.搅拌器应满足哪些基本要求?选择搅拌器的基本方

42、法是什么？v7.搅拌器的功率消耗主要用于哪些方面？计算搅拌器功率有何重要意义？v8.从搅拌器的功率曲线可以得出哪些重要信息？v9.气液体系的搅拌功率与均相体系相比有何特点？v10.何为泵送准数？其对搅拌器计算有何重要作用？v11.搅拌级别一般分为几个等级？v12.常用的搅拌桨叶直径的大致范围如何？v13.何为颗粒雷诺数？其在不同的范围时，密度差如何计算？v14.聚合反应的搅拌级别一般选择几级？v15.悬浮程度与哪些因素密切相关？v16.层流和湍流时的搅拌功率如何计算？为什么？v 第一节 聚合过程的传热问题v聚合反应通常是放热反应，而聚合物的分子量及其分布又对温度十分敏感。v因此，传热是控制聚合

43、过程的重要问题，传热速率与放热速率相等，才能使聚合温度恒定。v放热速率：等于聚合速率与单体聚合热的乘积。v表6-1列举一些常见单体的聚合热。v聚合速率在聚合过程中通常是变化的v并受引发剂种类、浓度及单体浓度等影响。v根据转化率-时间关系大致有v减速v匀速v加速三种类型，其转化率-时间曲线如图6-1所示。 图6-2 转化率-时间曲线1-减速，2-加速，3-匀速v(1)减速型：v如离子型聚合、缩聚反应，其聚合速率随单体浓度降低而降低。v(2)加速型：v自由基聚合在高转化阶段有凝胶效应，出现自动加速现象，聚合速率呈S型变化，造成放热速率不均匀，最高放热速率可能是平均放热速率的23倍。v(3)匀速型：

44、v如果引发剂半衰期选择得当，可达到匀速反应。v采用复合引发剂、逐渐或分批加单体或催化剂等措施可使聚合速率保持均衡。v常用放热不均匀系数R表示放热特性。v R=Qmax/Qav (6-1)v式中，Qmax为最大放热速率，Qav为平均放热速率。vR值与引发剂体系有关。v如以AIBN引发剂进行氯乙烯悬浮聚合时，R1.82.67，v用IPP引发剂时，R=1.21.4。v从配方与操作方法入手，使放热速率均匀是解决聚合釜传热问题的重要途径。v除考虑反应热外，有时搅拌热也不能忽视。v悬浮聚合与乳液聚合时，搅拌热仅占5，但在高粘度情况下搅拌热可达3040。v应该指出，最大的传热速率有时可能不在反应阶段！v如在

45、自由基聚合过程中，为使聚合物分子量均匀，要求尽快达到设定聚合温度，升温阶段的传热量可能最大。例如：v苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯悬浮共聚时，要求在58min内，从40升温到90，其升温阶段的传热速率是平均传热速率的十倍以上。v对于高粘聚合体系，由于釜壁有较厚的液层，从而严重影响聚合釜的传热系数。v因此，如何提高传热速率是聚合釜设计时应认真考虑的问题。v确定搅拌聚合釜的传热方式，首先要从聚合反应过程的特点出发。v聚合反应往往要求严格控制聚合温度、反应物料纯净、釜内常需处理高粘度易结垢的物料。v因此，要求搅拌聚合釜传热装置的传热速率要高、结构简单、避免形成易引起挂胶的粗糙表面及导致结垢的死角、易于清洗。

46、v传热方式常用间接传热。v常用传热装置有v夹套v内冷件v回流冷凝v体外循环冷却器等。v夹套传热最常采用，其结构简单，如图6-2所示。v在处理粘度较高的物料时，由于传热系数下降。v可采用以下措施：v1)提高夹套内传热介质(或称载热体，通常是水)的湍动来增加搅拌釜的总传热系数。图6-2 搅拌聚合釜的夹套传热装置 v2）夹套内安装导流挡板或扰流喷嘴图6-4 扰流喷咀 图6-3 安装导流挡板的传热夹套 v有衬里的聚合釜或釜壁采用导热性不良的材质制造时(如搪瓷釜)，有时因传热系数低不能仅用夹套传热。v大型聚合釜，由于单位体积的传热面积较小，仅采用夹套传热能力也不够。v为此，除安装夹套外，还需附加釜内传热

47、装置。v最常使用在釜内安装内冷件，如内冷管和内冷挡板的方法。内冷管的管壁较薄，冷却水流速大，所以传热系数比夹套传热系数大得多。可极大改善搅拌聚合釜的传热条件。v在容易结垢的聚合过程中，聚合釜内不宜采用蛇管或管束冷却。v因为蛇管与釜壁间，易结垢且不易清洗。v在这种情况下，仅设置少数内冷管兼作挡板。v如国产33m3带内冷管夹套搅拌釜，内冷管占总传热面积的22，可担负45的传热量。v内冷挡板及内冷管的设计和安装应消除死角、全部置于液面之下，以避免气液界面处积聚聚合物。v当采用夹套及釜内传热装置还不能满足传热要求时，可采用釜外传热方式强化传热。v釜外传热可以分为两种v一种是将釜内物料气相导出，进行釜外

48、循环热交换；v另一种是液相导出进行釜外循环热交换。v如图6-6，6-7所示。图6-6 气相釜外循环热交换装置图6-7 液相釜外循环热交换装置 v气相釜外循环热交换装置(回流冷凝器)，是以蒸汽冷凝方式传热，具有传热系数高，传热面积不受釜容积限制等优点。v通常管内通物料蒸汽，管外通冷却介质，以便于清洗。v回流冷凝器的结构应避免死角。v要求：管子及管板表面要光滑、管子不可伸出管板、连接处应密封以防物料被冷却介质污染和破坏催化剂。v用于聚合釜时，回流冷凝器要注意防止单体在冷凝器中进行聚合而造成堵塞，不使用易挥发的催化剂或引发剂以防止带入冷凝器。 v下列情况不宜采用液相外循热交换装置：v1）要求严格控制

49、反应温度的一类聚合反应：物料在换热器中温度会下降510左右，不利于反应控制。v悬浮聚合：易造成结块。v对剪切敏感的胶乳体系应慎用：因为循环泵里的剪切速率很大，容易破坏胶乳的稳定性。v体系粘度过大的本体聚合或溶液聚合：泵送有困难。 v外部冷却器应具有清理方便，传热系数高等特点。v常用的有板式热交换器v 套管式热交换器v 列管式热交换器等。v搅拌聚合釜的传热计算与一般传热计算相同。传热速率同样取决于釜内流体与载热体的温度差、传热面积及总传热系数。故有v Q=KA(ti-t0) （6-2）v式中，Q为传热速率，A为传热面积，ti为过程流体的温度，t0为载热体的温度，K为总传热系数。v式(6-2)显示

50、：提高总传热系数，增加传热面积和降低冷却水温度以扩大温差等措施均可提高传热速率。v釜大型化后，单位体积的传热面积减小，降低水温会增加冷冻的动力消耗，因此，提高总传热系数是改善传热效率的最好办法。v总传热系数与下列因素有关：v釜内物料性质v搅拌条件v夹套内水流情况v水温v釜壁材质v粘釜物及水垢的沉积。v其定量关系可由下列热阻方程表示：v 1/K1/i1/0/ （6-3）v式中，i和0分别代表釜的内壁和釜外壁传热膜系数，/L为釜壁固体导热部分的总热阻。其中, 为厚度，L为导热系数。v通过热阻分析可以找出主要热阻所在和提高传热总系数的方法、途径。 v聚合釜内物料性质(尤其是体系的粘度)和搅拌条件，如

51、搅拌桨叶形式、尺寸、流动形态、挡板条件等是影响釜内壁传热膜系数i的主要因素。v体系粘度愈小，搅拌效果愈好，则釜内壁滞流层愈薄，热阻就愈小，传热膜系数i就愈大。v因此，降低体系粘度和改善搅拌效果是提高i和总传热系数K值的重要途径。v对低粘度体系，如悬浮聚合、乳液聚合及低粘度溶液聚合，搅拌在湍流区操作，此时的i较大，一般约2000w/m2K，故1/i不构成热阻的主要部分。 v随物料粘度增加，热阻1/i数值迅速增如，在总传热阻力中所占比重愈来愈大，当粘度增加到某一限度时，1/i 将构成热阻的主要部分。v例如生产疏松型聚氯乙烯时，在聚合后期，由于树脂表面疏松吸收较多水分，体系内的自由流体减少，粘度增加

52、，导致总传热系数剧降。v本体聚合及溶液聚合在聚合后期也因体系的粘度剧增，导致聚合釜的总传热系数下降到100以下。v因此，降低体系粘度也是提高1/i 的重要途径。v聚合釜以夹套冷却时，0的数值随冷却水的流况而定。v如果冷却水处于自然对流状态时，0约为500，总传热系数只能在300350；v当冷却水处于激烈流动状态时，0可达30005000，此时总传热系数提高到400600。v由此可见：改变夹套中冷却水流况是提高传热膜系数0的重要途径。v例如在夹套内按装导流挡板或扰流喷咀，多点切向进水等措施都能使冷却水处于激烈流动状况并提高0。 v固体导热系数一般较小，尤其是聚合物垢层及水垢层的导热系数很小，对传

53、热影响很大，一般在400500左右，会极大限制聚合釜总传热系数的提高。v为降低釜壁固体导热部分总热阻，可采取以下措施：v应尽可能采用导热系数高的材质：例如碳钢比不锈钢导热系数高，为防止腐蚀采用不锈钢和碳钢的复合板，在保证强度的前提下，釜壁宜薄些。v设法降低粘釜和挂胶发生：及时进行清釜。v改善冷却水水质：以减小水垢的沉积。v一、均相液体的传热计算v对于低粘度均相液体在搅拌釜中的传热计算已有大量研究，一般可用强制对流传热的无因次准数关联式表示。vNu=a(NRe)b(NPr)c(b/w)mv或 L/= a(ND2/)b(Cp/)c(b /w)m (6-4)v式中，为被搅拌液体对壁面的传热膜系数，L

54、为定性长度，对夹套釜L取釜径T，D为搅拌桨叶直径，N为搅拌器转速；，Cp，分别为流体在主体温度下的导热系数、热容、密度和粘度；w为壁温下流体的粘度。v湍流时，雷诺数的指数一般取b2/3，Npr的指数C1/3，粘度比的指数m0.14。v各种搅拌釜传热方程的主要差别在于常数a值的不同。va值包含了几何因素的影响，所以各搅拌釜传热方程只能在几何相似的条件下应用。v无特殊说明时，有关搅拌釜的传热关联式均由标准釜所得。v标准釜的几何尺寸为：v搅拌釜直径T与搅拌器直径D之比为3：1v液层高度H与釜径T之比为1：1v搅拌桨叶离底高度C与桨叶直径D之比为1。v推荐的搅拌一侧传热膜系数关联式汇集于表6-2中。v

55、通式：vL/= a(ND2/)b(Cp/)c(b /w)m(其它项) v非均相的液-固悬浮体系所形成的浆液，当固体颗粒体积分率小于1时，固体颗粒对于传热影响很小，此时可以应用均相体系的传热关联式进行传热计算。v若固体体积分率大于1时，影响变得显著并使传热系数下降。vFrantisak对装有四块挡板及推进式搅拌器的夹套搅拌釜进行研究，根据对363个牛顿型浆液测量值的线性回归分析，得到(6-17)式。v式中，NRea，NPra表示采用体系物料的平均物性计算所得雷诺数和普兰特数；vCpd，Cpc分别为分散相和连续相的恒压热容；vd，c分别为分散相和连续相的密度；vd为分散相的体积分率。v混合物的平均

56、物性Cpm，m可根据以浓度为基础的加和性予以确定。0.130.160.040.330.60.26dRecdD0.575RTpddiaprapcCTNCv而m和m可按下式计算：v式中，d，c分别为分散相相连续相的导热系数，c为连续相的粘度，d为分数相体积分率。ccddcdmcddcd2+2-(-)=2+(-) 2mdd=1+2.5+7.75 (6-18) (6-19) v外侧（夹套侧）传热膜系数0的计算方法：vLehrer提出，对流体通过夹套作强制对流时的传热膜系数0，可按下式计算 ：v (6-32)v v式中，De是夹套的当量直径，用(6-33)式求算。v De=(8/3)0.5(D2-Dl)

57、/2 (6-33)v式中，Dl为夹套内径，D2为夹套外径。10.753eRePr013RePrD0.33N1 1.74N1NNvNRe的计算与夹套进水方式：v如图(6-8)所示，若冷却水的入口接管安装在容器下部，出口管安装在容器的上部时，雷诺数NRe用(6-34)式计算：v NRe=De(u0uA)0.5/ (6-34)v式中，u0是接管入口处流体流速，设夹套侧冷却水流量为W，接管内径为di，则u0为v u0=4W/di2 (6-35)v接管沿径向方向安装时（图6-8）：vuA取夹套内流体上升速度，即v uA=4W/(D22- D12) (6-36)v接管按切线方向安装时（图6-9）：vuA取

58、夹套内间隙流体速度，即v uA=2W/Hj(D22- D12) (6-37)v式中的Hj为夹套高度。v切向进水时，增加了冷却水的流速，从而增加了湍动程度使传热膜系数提高。v由釜壁侧的传热膜系数i及夹套侧的传热膜系数0，结合搅拌釜材质的热阻就可利用式(6-3)计算搅拌釜的总传热系数K。v物理过程：扩散、溶解v化学过程v提高搅拌强度，增大传质膜系数，增大传质速率v传质面积一定，搅拌程度与传质系数无关v一 分散体系的传质膜系数v N=Kla（Cs-Cl）v扩散努赛尔准数v Nu=NSh=KD/DABv扩散普兰德准数v Nsc=u/pDABv传质过程关系式v NSh=f（Nu，Nsc）v二 伴有相间传

59、质的聚合反应v在应用混合，损拌等理论来处理聚合反应过程还是获得很大的成功v 伴有相间传质的聚合反应与低分子化学反应类似v以气液相聚合为例，在气液单体从气相传递到相界而，再从相界面进入液相进行聚合反应过程中，存在有传递阻力和化学反应阻力。v实际表现出来反应速率是包括传递过程阻力在内的综合反应速率，面不是纯粹的反应速率。v这种含有传递过程阻力在内的反应速率关系就称为宏观动力学。v排除传质阻力的影响，使实际反应速率与传递过程特性无关，即所谓动力学控制。v必须竭力提高聚合反应器的搅拌转速，搅拌转速不再影响实际反应速率为止。v倘若传质速率远小于聚合反应速率时，实际反应速率就完全取决于传递过程速率，表现为传递过程特性而与聚合反应动力学特性无关，此时称 为扩散控制。v如果聚合反应和传递过程两者的速率有相同数量级时，那末二种过程的特性都以不可忽视的程度影响实际反应速率的特性。v在伴有相间传质的聚合反应中，传质阻力主要导