液—液混合设备及其选用

1、液液混合设备及其选用一、搅拌设备在液体中的混合比较容易，一般采用搅拌装置进行混合。1、搅拌装置结构及工作原理典型的液液搅拌装置如图1所示。其结构为带机械搅拌的容器。容器多为圆柱形，其顶部为开放式或密闭式，底部大多数成碟形或半球形，目的是避免搅拌时存在死角。容器内液体的深度通常等于容器的直径。在容器的中央装有搅拌轴，由容器上方支承，并由电机带动。轴的下部安装一对或几对不同形状的桨叶。此外，还设有物料进口、出口管线，蛇管、夹套、温度计插套及挡板等。图1 典型搅拌器1桨叶；2搅拌轴；3温度计插套；4挡板；5夹套；6料管由搅拌桨叶造成的液体速度可分为三个方向的分速度，即径向速度、轴向速度和切向速度。通

2、常情况下，径向速度和轴向速度对混合起着主要作用。切线速度主要是促使液体绕轴转动，形成速度不等的液层，并产生表面下凹的旋涡。从结构来看，桨叶有以下几种形式：桨式、涡轮式、旋桨式等。（1）桨式搅拌器 桨式搅拌器是一种最简单的搅拌器，常用于处理低黏度或中等黏度的物料。其桨叶的形式有平桨式、框式和锚式三种，如图2所示。桨式搅拌器的转速较慢，一般为20150r/ min。液流的径向速度较大，而轴向速度很低。为了加强轴向混合，并减少因切向速度所产生的表面旋涡，常在容器内壁附近加装挡板。这种搅拌器的主要特点是： 混合效率较低。 局部剪力效应有限，不易发生乳化作用。 桨叶易于制造和更换。适用于有特殊触液材料要

3、求的料液。图2桨式搅拌器的形式a平桨式； b框式； c锚式（2）涡轮式搅拌器 涡轮式搅拌器类似于桨式搅拌器，只是叶片多而短，且安装在中央的旋转轴上，并以较高的速度旋转，转速范围为30500r/min。叶片有平直的、弯曲的、垂直的和倾斜的。如图3所示。搅拌器可做成开式、半封闭式或外周套以扩散环。平直叶片产生强烈的径向和切线流动，通常加挡板以减小中央旋涡，同时增强因折流而引起的轴向流动。此外，为了增强轴向流动，叶片也可装成倾斜式。这种搅拌器的特点是：适宜处理多种物料，对中等黏度的物料特别有效。生产能力大。局部剪力效应较强。易清洗。价格较高。图3涡轮式搅拌器的形式a开式平叶片；b；带叶片圆盘；c；弯

4、曲叶片（3）旋桨式搅拌器 旋桨式搅拌器的桨叶由23片螺旋桨所组成，如图4所示。它是一种适用于低黏度液体的轴流式高速搅拌器，其直径约为容器直径的1/41/3。其转速很高，通常在400 r/min以上。旋桨高速转动所造成的液体速度主要为轴向和切线速度，所以液体作螺旋状运动，同时受到强烈的切割或剪切。搅拌器的转轴常偏心地安装或与垂直方向成一偏角。搅拌容器的形状最好为带碟形或半球形器底的圆柱形容器，它的深度为容器直径的1.52倍。图4 旋桨式搅拌器的叶轮a三叶桨；b双叶桨；c带导流筒旋桨式搅拌器的主要特点是：生产能力较大。结构简单。易形成旋涡。适用于大容器内低黏度液体的搅拌。2、搅拌器的功率消耗搅拌器

5、的功率消耗取决于液体的流动型态、速度、搅拌器的结构形式以及物料的性质。具体地说，搅拌器的功率消耗与叶轮的形状、大小和转速、液体的黏度和密度、搅拌槽的大小和内部构件以及在液体中的位置等有关。因为涉及的变量较多，一般采用因次分析与实验相结合的方法，将功率消耗和其它参数关联起来，以求得搅拌过程的功率消耗。（1）功率关联式 设有一搅拌器在搅拌槽中使溶液混合，其搅拌功率的消耗与下列因素有关：搅拌槽直径D，槽中液体的深度H1，挡板数目、大小和位置，叶轮直径d及转速n，液体的密度和黏度等。此外，若槽内产生打旋现象，有部分液体被升举到平均液面上，此部分液体需克服重力做功，在变量中还需考虑重力加速度g。若搅拌装

6、置中，各尺寸都和搅拌器的直径形成了一定的比例关系，这些比值称为形状因子。若暂不考虑形状因子，则功率N可表述为上述变量的函数 （1）利用因次分析法，可将上式转化为无因次数间的关系 （2） 式中 欧拉准数，也称功率准数， ，含有搅拌器的功率N，表示输入功率施加于受搅拌液体的力； 雷诺准数，含有黏度，代表惯性力和粘性力之比；普兰德准数，含有重力加速度g，代表惯性力和重力之比。式（3-7）可改写成： （3）式中称为功率函数。若搅拌中没有产生打旋，则不考虑重力的影响，y0，则, 式（3）可简化为： （4）（2）功率曲线 将值或Eu值与Re值的关系在双对数坐标图上标绘，所得出的曲线称为功率曲线。对于一个有

7、具体构型的搅拌器，只有一条功率曲线，曲线形状与搅拌槽的大小无关。因此，在大小不同的搅拌槽中，只要搅拌器的几何构型一样，就可采用同一条功率曲线。图5功率曲线现以图3-6的功率曲线来说明功率特性的一般规律，曲线1为标准搅拌装置的功率曲线，曲线2为装置与标准型相同，但槽中无挡板的功率曲线。10的层流区，功率曲线为一直线，直线的斜率为1，此时，液体的粘性力控制系统内的流型，而重力的影响可忽略不计。对标准构型，式（5）可表示为： （5）即 （6）此式表明，在一定的搅拌转速下，层流区的功率消耗与液体黏度成正比。又由图中曲线可知，对于相同几何构型的搅拌装置，无论有无挡板，功率消耗都相同。104的充分湍流区，

8、功率曲线趋于水平，为一常数（对标准构型），与Re和Fr都无关。即 （7）10以后，流动从层流向湍流逐渐过渡，但对于有挡板的搅拌装置而言，在10104的范围内，由于挡板抑制了打旋现象。因此，功率与流动特性仍取决于，式（4）仍适用，但和均为变量，可利用功率曲线求得功率。对于无挡板系统，当300时，由于打旋现象的加剧，Fr的影响不能忽略，需由式（3）计算功率N，式中y用经验公式计算 (8)式中与是与叶轮形式、直径及搅拌槽直径有关的常数，其值见表1表1 300时无挡板搅拌装置的和值搅拌器型式d/D螺旋桨式0.482.6180.372.3180.332.1180.301.7180.22018涡轮式0.3

9、01.040六平叶涡轮0.331.040因此，当300时，无挡板系统的功率关系式为 （9） （10）上述功率曲线不仅适用于单一液相，也适用于非均相的液液和液固系统。此时，需用混合物的平均密度和平均黏度来代替单一相的密度和黏度。气液相搅拌需要的功率与充气量有关，须进行修正，修正方法可参考有关设计手册。对于一定构型的搅拌装置，如已知功率曲线，则可据此计算各种转速和液体特性条件下的功率消耗。上面的讨论，仅限于搅拌器所消耗的净功率，考虑到电机与机械上的各种损失，实际的功率应较此为大，约等于净功率除以0.8所得之商。在搅拌装置的选择和设计中，由于影响因素很多，有许多具体情况与经验关联式不相符，很难做到精

10、确的设计。因此，常采用先以小型设备进行试验，在试验中使表示工艺特征的参数达到生产要求，然后，再将此小型设备放大到生产规模的方法。此过程称为搅拌器的放大。【例1】在一标准构型的搅拌装置内，搅拌密度为960 kg/m3，黏度为100cP的某种溶液。已知叶轮直径d0.5m，转速n100r/min，试求搅拌功率。若搅拌槽不安装挡板，其搅拌功率又为多少？解：此搅拌系统符合图3-6所列曲线的条件，可用此线计算功率。有挡板时： 在图3-6曲线1上，当Re4000时查得3.4，即3.4，故（kW）无挡板时：在图3-6曲线2上，当Re4000时，查得1.6，但，因此， 而 由表3-1查得六平叶轮的与为 1； 40（kW）【例2】标准构型搅拌槽的直径为0.9m，在此槽内搅拌黏度为50Pa.s、密度为1050kg/m3的某液体，要求叶轮的叶端速度为3.5m/s，试求需要的叶轮转速和功率。 解：对标准构型，叶轮的直经m叶