第3章　液體的攪拌

3.1　復(fù)習(xí)筆記

【知識(shí)框架】

【概念匯總】

表3-1-1　本章重點(diǎn)概念

【重點(diǎn)歸納】

一、概述

1液體攪拌目的

液體攪拌目的大致可分為：

（1）加快互溶液體均勻混合。

（2）加強(qiáng)多相物體的分散和接觸，包括：使氣泡分散于液體中；使液滴分散于不互溶液體中；使固體顆粒懸浮于液體中。

（3）加強(qiáng)傳熱過程，包括冷、熱液體之間的傳熱以及強(qiáng)化液體與器壁的傳熱。

2攪拌器的類型

攪拌器按照按工作原理可分為兩大類，見表3-1-2。

表3-1-2　攪拌器分類

3混合效果的度量

表3-1-3　混合效果的度量

二、混合機(jī)理

1攪拌器的兩個(gè)功能

為達(dá)到均勻混合，攪拌器應(yīng)具備以下兩種功能：

（1）使液體在釜內(nèi)形成總體流動(dòng)，總體流動(dòng)與大尺度混合。

（2）使液體產(chǎn)生強(qiáng)剪切或湍動(dòng)情況，強(qiáng)剪切或高度湍動(dòng)與小尺度混合。

2均相液體的混合機(jī)理

（1）混合分類

①宏觀混合：進(jìn)一步可分為大尺度的混合、漩渦尺度或微團(tuán)尺度混合。

②微觀混合：分子尺度上的混合，依賴于分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，只適合均相液體。

（2）低黏度液體的混合機(jī)理

液體被總體流動(dòng)破碎，變成較大液團(tuán)，分散于釜內(nèi)各處。要想得到更小尺度混合，液體需要高度湍動(dòng)形成漩渦。漩渦尺寸越小，破碎作用越大，液團(tuán)尺度也就越小。漩渦尺寸和強(qiáng)度與總體流動(dòng)的湍動(dòng)有關(guān)。

（3）高黏度及非牛頓流體的混合機(jī)理

在經(jīng)濟(jì)的操作范圍內(nèi)，高黏度流體只能在層流狀態(tài)下流動(dòng)，主要依賴于總體流動(dòng)，同時(shí)需要槳葉端部造成高剪切。

（4）混合機(jī)理步驟

①先形成小尺度宏觀混合；②再依靠分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成分子層面的微觀混合。

（5）均相液體混合應(yīng)用場(chǎng)合

①混合速度較慢的時(shí)候；②需要加快反應(yīng)速度。

3非均相物系的混合機(jī)理

（1）液滴或氣泡的分散

①機(jī)理

界面張力會(huì)抵抗液滴變形和破碎，所以要先克服界面張力，然后依靠高度湍動(dòng)破碎液滴或氣泡。總體流動(dòng)處于高度湍動(dòng)時(shí)，會(huì)形成方向迅速變換的脈動(dòng)，使得液滴或氣泡產(chǎn)生相對(duì)速度很大的繞流運(yùn)動(dòng)，繞流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的不均勻壓強(qiáng)分布和剪應(yīng)力會(huì)將液滴或氣泡扯碎。

②混合分布不均勻需采取的措施

a．加強(qiáng)湍動(dòng)程度的均勻分布；b．加入少量保護(hù)膠或表面活性物質(zhì)。

（2）固體顆粒的分散

細(xì)顆粒（＜100μm）在攪拌時(shí)，先潤濕表面，液體取代原有的氣體進(jìn)入顆粒間隙，然后流體動(dòng)力打散顆粒團(tuán)聚體。攪拌通常不會(huì)改變固體顆粒大小，只能達(dá)到小尺度宏觀混合。

粗顆粒（＞1mm）攪拌時(shí)需要超過懸浮臨界轉(zhuǎn)速。

三、攪拌器的性能

1幾種常用攪拌器

表3-1-4　幾種常用攪拌器

2強(qiáng)化湍動(dòng)的措施

（1）提高攪拌器的轉(zhuǎn)速，提供較大的壓頭。

（2）阻止容器內(nèi)液體作圓周運(yùn)動(dòng)，主要方法包括：①在攪拌釜內(nèi)裝擋板；②破壞循環(huán)回路的對(duì)稱性。

（3）使用導(dǎo)流筒。

四、攪拌功率

1攪拌器的混合效果與功率消耗

攪拌功率為

P＝ρgq_VH

其中，q_V為攪拌器所輸出的液體量，H為攪拌器對(duì)單位重量流體所做之功，即壓頭。

【注意】①流量足夠大，壓頭足夠大，也就是說功率足夠大才能達(dá)到一定的混合效果。②在實(shí)際工藝過程中攪拌配置要合理，例如，控制因素是快速均布，則需要增大輸送量；控制因素是要求高的破碎度，則需要增大湍動(dòng)。

2功率曲線

（1）與攪拌器所需功率有關(guān)的因素

與攪拌器所需功率有關(guān)的因素可分為幾何因素與物理因素兩類。見表3-1-5。

表3-1-5　與攪拌器所需功率有關(guān)的因素

（2）攪拌功率

P＝Kρn³d⁵

其中，K是與Re_M有關(guān)的常數(shù)，但是在充分湍流區(qū)，K與Re_M無關(guān)。

3攪拌功率的分配

（1）為了調(diào)勻，獲得均勻性：追求流量，不追求壓頭，具體來說是加大直徑、降低轉(zhuǎn)速，功率主要消耗于總體流動(dòng)；

（2）為了快速分散，利于微觀混合：追求壓頭，不追求流量，具體來說是減小直徑，提高轉(zhuǎn)速，功率主要消耗于湍動(dòng)。

根據(jù)不同的目的，功率可作不同分配，主要是通過調(diào)節(jié)流量q_V和壓頭H的相對(duì)大小，流量q_V和壓頭H的關(guān)系式有

五、攪拌器的放大

1攪拌器的設(shè)計(jì)

攪拌器的設(shè)計(jì)主要包括：

（1）根據(jù)物料黏度和攪拌目的，確定攪拌釜的幾何形狀和攪拌器的型式；

（2）確定攪拌器的幾何尺寸和運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)，如轉(zhuǎn)速、功率等。

【注意】攪拌器的設(shè)計(jì)除了滿足工藝要求外，還應(yīng)綜合考慮能耗、操作費(fèi)用等各方面的因素。

2攪拌器的放大準(zhǔn)則

表3-1-6　放大準(zhǔn)則

【注意】下標(biāo)1、2分別表示小型、大型攪拌器。