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.,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,.,第五章 第一节 概述,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。 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。 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。 机械搅拌是解决混合问题的重要装置。 搅拌兼有混合、搅动、悬浮、分散等多种功能。,.,.,搅拌器的功能,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。 搅拌:使物料强烈地流动,以提高传热、传质速率的操作。 悬浮:使小固体颗粒在液体中均匀悬浮、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。 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。,.,为满足上述要求,搅拌器应具有下述作用 (1)推动液体流动,混匀物料。 (2)产生剪切力,分散物料并使之悬浮。 (3)增加流体的湍动,以提高传热速率。 (4)加速物料的分散和合并,增大物质的传递速率。 (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。 搅拌器通常兼有以上多种功能和作用。 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)、悬浮及提高传热系数等作用。,.,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 型式 尺寸 转速 并配以适当的挡板形式与尺寸。 掌握这些技术特性及其放大规律,对完善设计非常重要。,.,第二节 搅拌釜内流体的流动状况,搅拌的各种作用均需依靠流体的流动来实现。 流体的流动与许多因素有关,包括: 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) 安装位置 操作条件(转速) 所处理物料的物性等。,.,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”。 在搅拌釜中流体的流况可以分为两个层次: 宏观状况 宏观流动 微观状况 微观流动 这两种流况反映了搅拌的效果。,.,一、循环流动与剪切流动,宏观流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。 循环流动存在三种典型的流况: 径向流动 轴向流动 切向流动,.,径向流动,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,.,轴向流动,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,.,切线流动,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,.,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。 而切线流动则对混合不利!需设法消除。,.,微观流动,微观流动是指流体以小尺寸(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。 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。 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。 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。,.,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。 在搅拌桨叶叶端附近及挡板处微观流动作用最强烈。 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不同。 对以循环流动为主的桨叶,称为循环型桨叶; 若以剪切流动为主的桨叶,称为剪切型桨叶。,.,二、搅拌雷诺数与流态,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。 主要有以下代表釜内流体特性的准数: 粘性力的搅拌雷诺数: NRe=Dv/DDN/ND2/ (5-1) 动力特性的功率准数: NpP/(N3D5) (5-2) 循环特性的排出流量数:Nqdqd/(ND3) (5-3) 混合特性的混合时间数:NM=NM (5-4) 传热特性的努塞尔准数等 式中,P为功率消耗,qd为桨叶的排出流量,M为混合时间。,.,搅拌雷诺数NRe,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: NRe=Dv/DDN/ND2/ (5-1) 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。 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。,.,图5-4为搅拌釜内流体的流态、动力循环和混合特性。 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,.,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)。 B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。,.,C区间(NRe 1001000) 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。 D区间(NRe 1000) 整个釜内的上下循环流动都处于湍流状态。 无挡板时会引起漩涡。 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。,.,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: 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! 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。,.,三、挡板与导流筒,1挡板 1.1打漩现象 当流体粘度不大,搅拌转速较高,且桨叶在釜的中心线时,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 俯视图 (b)侧视图,.,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。 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。 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。,.,消除漩涡的方法,有效的方法之一是在釜内安装挡板。 通常安装四块挡板 挡板的宽度为釜径的1/10-1/12。 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,.,挡板的主要作用,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; 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。,.,挡板的其它形式: 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。 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,但往往还需要另装挡板。,.,2导流筒,另一种消除漩涡的方法是使用导流筒。 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,.,导流筒的安装,对于推进式搅拌器,导流筒套在桨叶的外面。 对于涡轮式搅拌器,导流筒置于桨叶的上方。 如搅拌釜内有紧密卷绕的蛇管也可起导流筒的作用。 一般导流筒须将搅拌釜截面分成面积相等的两部分。 即:导流筒的直径约为釜径的70。,.,设置导流筒的作用,1.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。 2.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。 3. 限定循环路径,减少短路机会。,.,第三节 搅拌器的构形及选择,一、搅拌器的构形(分类) 搅拌器是实现搅拌操作的设备总称,从不同角度可有不同的分类方法。 按桨叶构形可分为 桨式 涡轮式(透平) 推进式(螺旋桨) 螺杆(螺轴) 螺带式等形式。,.,按物料流动的流况可分为 径向流动型 轴向流动型 按搅拌功能又可分为 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。 在化工操作中,一般按桨叶的构形加以分类。,.,主要搅拌器桨叶构形(一),.,.,主要搅拌器桨叶构形(二),图5-9 三叶后掠式及布鲁马金式桨叶构形,.,2桨式搅拌器,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。 其特点是结构简单、转速低、桨叶面积大。 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。 为增加轴向流动,可将平桨倾斜一定角度而成斜桨,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。,.,桨式搅拌器的特点,平桨或斜桨的剪切作用较强,桨叶的转速通常为20200转/分。 适用于粘度为0.1102Pas的液体搅拌。 在无挡板条件下,转速高时会形成漩涡。 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。 这种桨叶与釜壁的间隙小,一般桨径与釜径之比为0.95。,.,桨式搅拌器的特点,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。 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。 当粘度高于103Pas时,由于功率消耗太大,一般就不宜采用锚式或框式搅拌器。,.,2推进式搅拌器,标准的推进式搅拌桨有三瓣叶片,其螺距S与桨径D相等。 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。 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。,.,2推进式搅拌器,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。 推进式搅拌器的优点是结构简单,制造方便。 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。 推进式搅拌器的剪切作用不大,循环性能好,属于循环型搅拌器。,.,3.涡轮式搅拌器,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。 根据桨叶叶片的形状和位置,又有 平直叶片 弯曲叶片 倾斜叶片 圆盘平直叶片 圆盘弯叶 圆盘斜叶等。,.,涡轮式搅拌器的特点,从流动情况看,涡轮式搅拌器像一只无泵壳的离心泵。 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。 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。 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,有利于混合。,.,涡轮式搅拌器的特点,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 低粘到中粘液体的混合 液-液分散 液-固悬浮及促进良好的传热、传质或化学反应。 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。,.,涡轮式搅拌器的特点,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
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