第3章液體攪拌LiquidAgitation2023/2/51西北師范大學化學化工學院3.1概述(Introduction)攪拌的目的(1)使兩種或多種互溶的液體分散；(2)不互溶的液體之間的分散與混合；(3)氣體與液體的混合；(4)使固體顆粒懸浮于液體之中；(5)加速化學反應、傳熱、傳質等過程的進行。攪拌方式

機械攪拌、氣流攪拌、射流攪拌、靜態混合、管道混合等。2023/2/52西北師范大學化學化工學院由攪拌槽，攪拌器和若干附件組成。攪拌器是攪拌裝置的核心部件，由它將機械能傳遞給液體。攪拌器作用類似于泵的葉輪，通常攪拌器又稱為葉輪。2023/2/53西北師范大學化學化工學院(1)圓盤平直葉(2)圓盤彎葉(3)開啟平直葉(4)開啟彎葉3.1.1常見攪拌器類型

渦輪式2023/2/54西北師范大學化學化工學院通用尺寸及葉片端部速度：S/d=1(S－螺距，d－攪拌漿直徑)Z=3(Z－槳葉數)一般5~15m/s，最大25m/s旋槳式通用尺寸及葉片端部速度：S/d=1B/d=0.1(B－葉片寬度)Z=1-2(2指雙螺帶)外緣盡可能與釜內壁接近螺帶式2023/2/55西北師范大學化學化工學院通用尺寸及葉片端部速度：d/B=4-10Z=21.5~3m/s槳式通用尺寸及葉片端部速度：B/d=1/12d＇/d=0.05-0.08d＇=25-50mmd＇為攪拌器外緣與釜內壁距離0.5-1.5m/s錨式和框式2023/2/56西北師范大學化學化工學院3.1.2混合效果度量

攪拌效果可有不同的表達方式。若為強化化學反應，可用轉化率來衡量，若為傳熱與傳質，則可用傳熱系數和傳質系數的大小來衡量。對于物理過程，可用調勻度和混和尺寸描述。I——調勻度或混合百分數。若取n個樣品，則平均混合百分數為CA<CA0CA>CA0設容器中有體積分別為VA和VB兩種液體，則A的平均體積濃度為：混合均勻，I=1

2023/2/57西北師范大學化學化工學院混和尺度（分隔尺寸）與調勻度2023/2/58西北師范大學化學化工學院3.2混合機理3.2.1攪拌器的功能(1)總體流動：包括一切不屬于分子運動或渦旋運動所引起的擴散過程。在大液團空間內進行。——大尺度混合(2)湍流擴散：由旋渦分裂運動引起，在渦旋尺度(微團)空間內進行。——小尺度混合總體流動將液體分割成大尺度液團(大尺度混合)；大尺度液團在渦旋作用下變形破裂成微團(小尺度混合)；渦旋的變形破裂增加和更新了液團高低濃度區域之間的接觸表面，促進了分子擴散。多數混合過程三種機理同時存在。湍流擴散系數約為分子擴散系數的105~107倍，湍流攪拌中，湍流混合占主導作用。2023/2/59西北師范大學化學化工學院3.2.2均相液體的混合機理

低粘度液體的混合機理：由于強剪切作用，大渦旋的分裂使液團分散成小尺度旋渦。由于粘滯阻力，能量全部轉化為熱能而耗散。葉輪附近剪切力大，湍動最為激烈，液體的混合作用主要發生在葉輪附近的混合區中。對于低粘度的互溶液體的混合，提供足夠的循環量是主要的，剪切強度次之。高粘度液體的混合機理：在湍流區域，葉輪效率差。在滯流區域，混合作用依賴充分的總體流動。應使用大直徑攪拌器，如框式、錨式和螺帶式等。2023/2/510西北師范大學化學化工學院3.2.3非均相物系的混合機理

（1)不互溶的液-液體系統一相為分散相(液滴)，另一相為連續相。葉輪附近，湍動程度高，剪切力大，液滴的破碎速率大于凝聚速率，液滴尺寸小。在遠離葉輪區域，液滴的凝聚速率大于破碎速率，因而液滴的尺寸大。液滴的分散、凝聚、再分散過程不僅增加了接觸面積，更新了液滴的表面，而且也使連續相中擴散阻力減少，強化了相際傳質。在混合液中加入少量的保護膠和表面活性劑，可使液滴難于凝聚，液滴趨于均勻。2023/2/511西北師范大學化學化工學院（2)氣-液系統氣相為分散相，以氣泡的形式分散于液相之中，其分散原理與液滴相同；氣-液界面張力大于液-液界面張力，分散更加困難，氣泡的直徑大于液滴直徑；氣液密度差大，大氣泡受到的浮升力大，易溢出液體表面；氣-液攪拌器一般應選擇產生強剪切作用的攪拌器，但對于發酵罐等生化反應器，由于微生物細胞對剪切作用比較敏感，較強的剪切作用會損害微生物細胞結構，因此需采用產生較小剪切作用的攪拌器。2023/2/512西北師范大學化學化工學院（3)固-液體系攪拌目的一是使固體顆粒在液體中均勻懸浮，二是降低固體顆粒表面的液膜厚度，減少擴散阻力，加速固體顆粒的溶解以及化學反應。懸浮臨界轉速：所有固體顆粒全部懸浮起來(流化)時的攪拌速度。與葉輪的大小和設計關系極大。實際操作中，攪拌轉速必須大于臨界轉速，保證固液兩相的接觸界面。2023/2/513西北師范大學化學化工學院1軸流式(Axial-flow)液體在攪拌槽內形成的總體流動為軸向和切向的大循環，湍動程度不高，適用于低粘度的互溶液體的混合、固體顆粒的懸浮以及強化槽內的傳熱等。旋槳式：直徑小、轉速高、流量大、壓頭低。螺帶式：旋轉半徑大，攪動范圍廣、轉速低、壓頭小，適于高粘度液體的攪拌。3.3攪拌器的性能3.3.1攪拌器的性能2023/2/514西北師范大學化學化工學院2徑流式(Radial-flow)液體在槽內作切向和徑向的渦旋運動，總體流動較復雜。適用于攪拌中等和低粘度的液體，特別適用于不互溶液體的分散、氣體和固體的溶解、液相反應及傳熱等操作，對于易分層的物系則不適用。渦輪式：轉速高，葉片寬，與螺旋漿式比較流量小、壓頭高。平葉片漿式：葉片較長、轉速較慢，產生的壓頭較低。可用于較高粘度液體的攪拌。錨式和框式：旋轉半徑更大(僅略小于反應槽的內徑)，攪動范圍很大，轉速更低，產生的壓頭更小，適用于較高粘度液體的攪拌，也常用來防止器壁產生沉積現象。2023/2/515西北師范大學化學化工學院3.3.2強化傳質的措施

1打旋現象：液體在離心力作用下涌向器壁，中心部分液面下降，形成一個大旋渦。轉速越高，形成的旋渦越深。后果：有效容積降低，且幾乎不產生軸向混合，攪拌效果下降。嚴重時出現負壓，從表面吸入空氣，使攪拌器不能正常操作。（1）安裝擋板（Baffle

）。：在槽內安裝檔板，但過多的檔板將減少總體流動，并把混合局限在局部區域內，導致不良的混合性能。2解決方法：2023/2/516西北師范大學化學化工學院（3）設置導流筒（drafttube）：引導液體流入和流出攪拌器的園形導筒。可控制液體的流向和速度，減少短路機會，提高混合效果。特別是含有固體顆粒的液體可得到均勻的懸浮。（2）偏心安裝（off-centerfixing）：對小容器，攪拌器偏心或偏心傾斜安裝可破壞循環回路的對稱性。2023/2/517西北師范大學化學化工學院3.4攪拌功率泵出流量qV：葉輪直接排出的液體體積流量，(m3/s或m3/h)。3.4.1攪拌器的功率消耗

葉輪對單位重量液體所作的功即壓頭H。H與速度u的平方成正比，即und2023/2/518西北師范大學化學化工學院攪拌器本質上是一個泵，任何葉輪提供的功率都會產生泵送流量及壓頭，其功率可表示為：P相同時，既可產生大流量、低壓頭，也可產生高壓頭、小流量；葉輪提供給液體的全部功率用于產生流量和壓頭；不同工藝過程對qV及H要求不一樣，例：低粘度均相液體的混合需要泵送流量大而氣-液混合需要強剪切作用。要功率消耗小，攪拌效果好，就應根據工藝要求正確地配置好攪拌裝置，合理地分配功率消耗。功率相等條件下，大直徑、低轉速葉輪更多的功率消耗于總體流動。小直徑、高轉速的葉輪更多功率消耗于湍動。2023/2/519西北師范大學化學化工學院3.4.2功率關聯式及功率曲線

由于攪拌槽內液體的運動狀況很復雜，影響功率的因素很多。不能由理論分析法，常利用因次分析方法，通過實驗關聯。P

——功率ReM

——攪拌雷諾準數，表征液體流動類型Fr

——弗魯德準數，表征打旋。“標準”構型攪拌裝置2023/2/520西北師范大學化學化工學院——功率函數式中k為與流動型態、幾何構型有關的常數。若攪拌器中沒有發生打旋現象，則不考慮Fr的影響，即y=0對于幾何相似攪拌器：—功率特征數2023/2/521西北師范大學化學化工學院將

與Re標繪在雙對數坐標上，可得到功率曲線。對一具體幾何構型只有一條功率曲線，與攪拌槽大小無關。2023/2/522西北師范大學化學化工學院滯流區：Re<10湍流區：Re>104對于典型的渦輪葉片攪拌器（曲線1）2023/2/523西北師范大學化學化工學院(1)由工藝要求，確定攪拌器的類型及攪拌槽的幾何形狀；(2)通過小規模實驗，確定攪拌裝置的具體幾何構形，然后放大，確定具體尺寸、轉速和功率。3.5攪拌器的放大3.5.1攪拌器的設計幾何相似：全部相應的尺寸有相同比例(幾何構形相同)；運動相似：對應點有相同速度比，且有相同的運動方向；動力相似：對應點上各種力(慣性力、流體粘滯力、表面張力和重力)的比例相等3.5.2放大準則

2023/2/524西北師范大學化學化工學院1保持單位體積功率消耗(P/V)

相等用于流體物性不變，放大比不太大，攪拌效果主要依賴于流體的湍動強度的情況。在充分湍流區2保持葉端速度不變對幾何相似系統即保持單位體積