(高分子合成工艺学课件)搅拌聚合釜内流体的流动与混合.ppt

1、1搅拌聚合釜内流体的流动与混合2要点：掌握搅拌釜内流体的流动状态，搅拌器的主要形式、结构及选型原则，搅拌桨叶的动力特性、循环特性和混合特性。本章内容：1.概述（搅拌釜的结构，搅拌器的作用）2.搅拌釜内液体的流动状态 3.搅拌器的构型与选择 4.搅拌功率的计算 5.搅拌器的流动特性和转速的确定 6.搅拌器的混合特性3搅拌釜=搅拌器+釜(罐、槽)作用：混合、搅动、悬浮、分散等。实际上，搅拌兼有多种功能。搅拌器的作用：推动液体流动，混匀物料。产生剪切力，分散物料，并使之悬浮。增加流动的湍动，以提高传热的效率。加速物料的分散和合并，增大物质的传递速率。在高粘体系中，可以更新表面，促进低分子物(水、单体

2、、溶剂等)蒸出。顶伸式底伸式占80%90%第一节 概 述4第二节 搅拌釜内流体的流动状态流体的流动状况称为流况：定义为“在整个搅拌容器中流体速度向量的方向”分宏观状况与微观状况两个层次一、循环流动与剪切流动 微观流动二、搅拌雷诺数与流态三、挡板和导流筒5第三节 搅拌器的构型与选择 搅拌器是实现搅拌操作的设备总称一、搅拌器的构型 1.搅拌器的分类 2.桨式搅拌器 3.推进式搅拌器 4.涡轮式搅拌器 5.螺杆及螺带式搅拌器 6.三叶后掠式搅拌器二、搅拌器的选用 1.基本要求 2.一般考虑方法 3.搅拌器类别选择的基本原则均相液体的混合非均相液体的混合分散操作固体悬浮气体吸收及气液相反应高粘体系6

3、第四节 搅拌功率的计算计算搅拌器功率的目的 搅拌功率是衡量搅拌强度的主要物理量 搅拌功率是搅拌器机械设计的基本数据 根据搅拌功率选用电机搅拌器功率的组成 搅拌器推动液体流动所需的能量轴功率 搅拌轴封所消耗的能量 填料密封时，为轴功率的1015%端面密封时，为轴功率的2%机械传动所消耗的能量（摩擦损失）传动效率：0.80.957一、搅拌过程的因次分析和搅拌功率 因次分析(P153)变量：搅拌器转速N、搅拌器桨叶直径D、液体密度、液体粘度、重力加速度g几何参数（釜径、桨叶宽度、挡板尺寸、液深）与桨叶直径成正比例，则搅拌轴功率 P=f(N,D,g)指数形式为 P=kNaDbcdge 8对M，1=c+

4、d对L,2=b-3c-d+e对t,-3=-a-d-2e因次式为 P=kNaDbcdge 解方程组得a=3-d-2eb=5-2d-ec=1-d 23321acdebMLMMLkLttLLtt 9解方程组得a=3-d-2eb=5-2d-ec=1-d将a,b,c代入式得P=KN3-d-2e D5-2d-e1-ddge P=kNaDbcdge 22352235depqNDDNPK N DgNDDNK N Dg 10解方程组得a=3-d-2eb=5-2d-ec=1-d将a,b,c代入上式得P=KN3-d-2e N5-2d-11-ddge2235pqPNDDNKN Dg 22352235depqNDDNP

5、K N DgNDDNK N Dg 11q2p253e2d253gDNNDDNKgDNNDDNKP令 NP=P/(N3D5)搅拌功率准数 NRe=ND2/搅拌雷诺数 NFr=DN2/g 搅拌弗鲁德准数搅拌功率函数(5-9)Re,(59)(/,/,/,.)(5 10)pqPFrBNKN Nf D T b T H T K若考虑几何因素，则式可写成下式：2235pqPNDDNKN Dg RepqPFrNKNN即RepPNKN1qFrNRePqFrNf NN 或12NRe二、均相流体搅拌功率的计算(P154)321ReRe)1(101DNKPKNNNP曲线斜率为层流区NRe103P=K1N3D5湍流区过

6、渡区Back to 2013 NRe图(P155)图5-13(Rushton 图)25()(lg)(0,300)(0300Re253Re53Re的值见表、上式的对于无挡板且时挡板且注意：对于有挡板或无qmNmDNgDNPNNmNqmmDNPNNNNmmFrPPmFrP1415【例5-1】在一直径为1.2m，液深为1.2m，内装有4块挡板（Bw/T=0.10）的反应釜内，反应液的密度为1300kg/m3,黏度为13x10-3Pas，今用一三叶推进式搅拌器（D=0.4m，S/D=1）以300转/分的转速进行搅拌，计算（1）搅拌轴功率消耗。（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

7、多少？（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？【解】（1）计算搅拌雷诺数 224Re330013000.4608 1013 10NDN由图5-13曲线2得=0.32，因有挡板，NRe103，35353000.32 13000.45330.5360PPNN DWkW16（2）由图5-13曲线6查得=6.3，6.3PN35353006.3 13000.41048010.560PPNN DWkW（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qRelg1.0lg800000.097640Nq 220.4 300/601.029

8、.81FrDNNg由图5-13曲线5查得=1.2，0.09761.2 1.021.20.998qPFrNN35353001.20.998 13000.419901.9960PPNN DWkW17三、非均相体系搅拌功率计算(P157)采用修正的均相体系搅拌功率计算方法1.气液体系液体中通入气体，降低了被搅拌液体的有效密度，因此也就降低了搅拌功率。计算：经验式(Calderbank的研究结果)2.液液、液固体系采用混合物的平均物性(如密度、粘度)再套用均相体系搅拌功率计算方法18四、非牛顿流体的搅拌功率宾汉流体（较少,如牙膏）幂律流体或假塑性流体(Kn)粘度可变问题：难于确定釜内流体的粘度和计算搅

9、拌功率解决：Metzner表观粘度法表观粘度a代替粘度对象：非牛顿流体的搅拌功率的研究绝大多数是以层流为研究对象19四、非牛顿流体的搅拌功率(P159)或自己通过实验得到如表可查表，得)35()325(sssavkkNk)335()(1nsPSaNkKU表观粘度表示如下：anaNDN2)Re(计算由1)Re()(nNPNN32DNPN牛顿流体时的系数N即,成正比的关系与搅拌速率利用釜内平均剪切速率,为了求Nava20第五节 搅拌器的流动特性及转速的确定(P161)一、搅拌器的循环特性（qd,Nqd,Nqc,Nc tc)排出流量qd（泵送能力）：单位时间内从桨叶排出的流量。排出流量qd与该液体离

10、开桨叶的平均速度和桨叶扫过的面积的乘积有关 qd AA D2,ND所以，qdND3 即 qd=NqdND3 Nqd=qd/ND3Nqd称为排出流量数或泵送准数是搅拌雷诺数NRe的函数uu21 Nqd称为排出流量数或泵送准数22 qc=qd+qi qc称为循环流；qi称为同伴流（或称诱导流）层流时，qc=qd湍流时，qcqdNqc=qc/ND3 Nqc 循环流量数Nc=qc/V=NqcND3/Vtc=1/NcNc 循环次数，tc 循环时间，V 器内流体体积。计算：经验式（5-41)(5-47)Nc是一个很重要的搅拌参数，常用来判别搅拌的强烈程度。qdqcqi23普通搅拌 Nc=35次/分强烈搅拌

11、 Nc=510次/分NP/Nqd=12时,为循环型搅拌器NP/Nqd 3时,为剪切型搅拌器二、搅拌转速的确定(P163)概述：概念：搅拌的“尺度”和“难度”，搅拌强烈程度的级别尺度：流体体积VR，即尺度=（T2/4)H T釜直径，H液位高度难度：达到搅拌效果所需要克服的阻力，即混合液体的粘度差和密度差；悬浮粒子的沉降速度24 1.混合和搅动类型的搅拌转速的确定法(P164)混合和搅动的目的是：（1）将不同粘度或浓度的液体混合均匀；（2）提高传热或传质速率。搅拌级别 （搅拌的强烈程度）表5-5列出10个搅拌级别由表得总体流速（平均流速）NNNquqddRe总体流速25按互混液体的密度差及粘度差的

12、大小，可把混合与搅动过程的激烈程度划分为三档10级：搅拌级别总体流速(m/min)搅 拌 效 果12 1.8 3.71至2级搅拌适用于混合密度差及粘度差别很小的液体。2级搅拌可将密度差别小于0.1，粘度差别小于100倍的液体混合均匀，液面平坦。3456 5.5 7.3 9.2 11.03至6级搅拌多是间歇反应所需要的搅拌程度。6级搅拌可将密度差别小于0.6，粘度差别小于一万倍的液体混合均匀。可使沉降速度小于1.2m/min的微量固体(含固量1%)保持悬浮。液体粘度小时，液面呈波浪形。78910 12.8 14.6 16.5 18.37至10级搅拌为要求很高的聚合釜等反应器所需要的搅拌程度。10

13、级搅拌可将密度差别小于1.0，粘度差别小于10万倍的液体混合均匀。可使沉降速度小于1.8m/min的固体(含固量104时的关系为：全挡板涡轮：全挡板推进式：2.335()0.1()0.5mNDKTN D235()1.5()0.9mNDKTN D()nmNDKT：混合速率准数衰减常数，表征体系的不均匀程度的衰减速率。37衰减常数Km的物理意义(P172)衰减常数Km的物理意义：如图：A为不均匀幅度可见Km表示不均匀程度衰减的速率。可知，当规定了不均匀幅度A且已知Km后，计算所需的衰减时间，即混合时间(M)反之亦然，即规定了A和 M亦可检验式(5-56)和(5-57)中的N能否满足设计要求。)59

14、5(2mKeA高粘度流体的混合计算：通过经验式和查表(如表5-11和表5-12)来解决38第七节 搅拌釜 中的分散过程(P172)一、搅拌釜内的液-液分散和合并1、分散：一个液滴分裂成两个以上的液滴分散的推动力是作用于液滴的剪切应力，分散的阻力是界面张力和液滴内的粘性力。分散机理：（1）剪切分散推动力是粘性剪切力（2）湍流分散涡流分散()式（5-63)392、合并：两个以上液滴合并成较大的液滴；式(5-67)合并机理：布朗运动、层流速度差、湍流 合并类型：快速合并、缓慢合并3.分层：(5-63)(5-67)(a)稳定三角区理论（Church理论）实际应用困难！(a)分散相和连续相的体积比max

15、3223331()()()dcdC KN Dfg40二、搅拌对聚合物颗粒特性的影响1.聚合物颗粒特性的表示方法(1)平均粒径表示法(2)粒度分布图(3)粒径分布的特征值标准偏差s2.搅拌对粒径和粒径分布的影响分散剂和搅拌强度4142反应釜的基本结构反应釜的基本结构43 搅拌器的型式-144搅拌器的型式-2（低速型）45搅拌器桨叶的主要型式46搅拌器桨叶的主要型式47搅拌器桨叶的主要型式平直叶折叶48搅拌器桨叶的主要型式圆盘弯叶圆盘弯叶涡轮式涡轮式(透平式透平式)圆盘直叶圆盘直叶开启弯叶开启弯叶开启折叶开启折叶开启开启平直叶平直叶49搅拌器桨叶的主要型式框式Go 小结50一、循环流动和剪切流动

16、宏观流动（即宏观状况的流动）是流体以大尺寸(凝聚流体、气泡、液滴)在大范围中(如整个釜内空间)的流动，也称循环流动循环流动有三种典型的流况：径向流动：以桨叶为界，形成两个循环流动。轴向流动：形成上下的整个循环，流动方向与搅拌轴平行。切线流动：流体绕轴作旋转运动，转速高时，形成旋涡。对混合有利起混合搅动和悬浮作用对混合不利设法消除515253搅拌作用下的微观流动 微观流动流体以小尺寸(小气泡、微团，约几十个微米)在微小范围中的湍动状况，微小范围流体速度梯度和流速的激烈涨落（波动），这种湍动在微观结构上是许许多多的小涡旋。to next ppt 涡旋剪切流动分子扩散微观混合，所以，微观流动也称剪切

17、流动剪切流动由于搅拌桨叶的剪切产生剪切应力所有浆叶型式，均有宏观流动（循环流动）与微观流动（涡流，剪切流动），差别在于何者占主要。以循环流为主时循环型桨叶（推进式等）以剪切流为主时剪切型桨叶（平桨式等）5455三、挡板与导流筒漩涡 液体主要随桨叶旋转，不产生垂直运动，混合效果差。带入大量空气，桨叶接触的是密度小的气液混合物，降低了搅拌效果。消除：搅拌轴偏心安装，但难掌握 安装挡板1.挡板有效方法，使旋转改为对混合有利的垂直流动。板宽=1/101/12釜径，板与釜壁间留1/61/2板宽的间隙，防止结垢及固体颗粒沉降。板内可做成夹层通冷却水垂直的换热管等也有挡板效应，但效果欠佳，往往须另装挡板。层

18、流(NRe20)及高粘流体，不装挡板。562.导流筒导流筒：控制流向；减少短路；增强剪切作用；提高混合效率；形成循环流型。全挡板的概念：挡板数增加，动力消耗也增加。当挡板数增加到一定程度时，搅动功率P增加到最大值，此时的挡板称为“全挡板”，这种条件称为“全挡板条件”。(P157)57二、二、搅拌雷诺数与流态搅拌雷诺数与流态为了定量地研究搅拌桨叶的特性，常用无因次准数加以关联。如：搅拌雷诺数(NRe)代表釜内流体的粘性力 功率准数(NP)动力特性 泵送准数=排出流量数(NQ)循环特性 混合时间数(Ntb,tb*)混合特性 无因次速度(NU，u*)流速特性 努塞尔准数(NNu)传热特性其中：雷诺准

19、数(NRe)最为关键可以判断流动形式2ReDND DNN定义：DN式中：为桨叶的端速，称搅拌器的“特征速度”D搅拌器直径；N搅拌器转速流体密度；流体的粘度58 依据雷诺数不同，釜内流体流动有不同流态：A区间 NRe 10 滞流B区间 NRe 10 层流C区间 NRe=1001000 过渡流D区间 NRe 1000 湍流NRe对搅拌釜内的特性行为的影响在层流区和过渡流区有决定性作用，在湍流区则影响不大。图5-4 搅拌釜内液流的流态，动力循环和混合特征曲线59搅拌器的分类搅拌器按构型分类按流况分类按搅拌任务分类液体混合或乳化固体颗粒悬浮气-液接触化学反应传热桨式涡轮式(透平)推进式(螺旋桨)螺杆(

20、螺轴)螺带径向流动轴向流动涡轮式(透平)螺杆(螺轴)60 按搅拌速度低速型（几十r/min)：桨式、三叶 后掠式、锚式、框式、螺带式、螺杆式高速型（几百r/min)：涡轮式、螺旋 桨式、三叶后掠式61桨式搅拌器平桨斜桨锚形桨框形桨双叶片四叶片特点：结构简单、转速低、桨叶面积大、循环容积及剪切力小，功率消耗小平桨桨面与轴平行液体以切线方向离开桨叶水平液流搅动不激烈斜桨将平桨倾斜一定角度（4560）而成液流除径向外，还有轴向流动搅动较激烈 剪切作用较强 适用：0.1102Pa.s的液体 注意：无挡板时，转速较高时会形成漩涡。主要参数：转速：20200 rpm 叶端速度：1.52m/s 桨径/釜径=

21、0.350.862推进式搅拌器标准形式有三瓣叶片，且螺距=桨径D。属循环型，主要是推动液体轴向流动。转速高，一般在100-500r/min，最高可达1700r/min。剪切力小，与平桨合用，可增加剪切作用。特点：结构简单，循环量大，常配备挡板或导流筒主要参数：桨径/釜径 0.20.5 叶端速度：515 m/s.适宜介质粘度4个转速：10300r/min适宜介质粘度103Pa.s(高粘体系)时，宜用螺杆或螺带式搅拌器，用于层流区。螺杆搅拌器又称螺轴式 通常设置导流筒螺带式有单螺带、双螺带、四螺带。转动时，螺带使液体向上运动，螺轴使液体向下运动，。参数：螺距=搅拌器直径 螺带叶宽/釜径=0.1 搅

22、拌直径/釜径=0.90.98转速：0.550r/min66 三叶后掠式搅拌器三叶后掠式搅拌器 67 1520 （上翘角）30（后掠角）径向流。配指形挡板（如图），上下循环流，循环流量大，剪切力好。搅拌直径/釜径=0.5转速：80150r/min低粘度场合，如乳液、悬浮聚合体系。指形档板68 搅拌器的辅件挡板、导流筒、蛇管1、挡板构型及挡板的作用挡板构型:(1)数量:46个(2)宽度/釜径 1/101/12挡板的作用：（1）消除液面的V形区（漩涡）（2）提高桨叶的剪切性能（3）大容积速率（4）控制流型69当粘度大于50Pa.S或NRe20时，一般不安装挡板。全挡板的概念：挡板数增加，动力消耗也增

23、加。当挡板数增加至一定数目时，搅动功率P不再增加，此时的挡板称为“全挡板”，这种条件称为“符合全挡板条件”。70搅拌器选用的基本要求：(1)保证物料的混合及操作要求 (2)消耗最少的功率 (3)所需费用最低 (4)操作方便、易于制造也是评价搅拌器性能的主要依据71搅拌器选用的一般考虑方法 无特殊要求时，可参照类似搅拌器经验地选定。有严格要求时，应对设备、工艺过程的操作类别、搅拌的要求及经济性做全面分析，评价，找到操作的主要控制因素，然后选择相适应的搅拌器形式。对于过程开发或生产规模很大的工程，比较精确可靠的方法是，在一定的实验基础上，研究出最佳的搅拌器，再用相似模拟放大技术设计计算。721.均

24、相液体的混合主要控制因素：容积循环速率选择原则：时间没有严格要求时，如贮槽，可用任何搅拌器，但以桨式优先（结构简单）。要求快速混合推进式或涡轮式。湍流操作推进、涡轮式+挡板。根据粘度值和釜的容积大小来选用，如两图。粘度低，转速高，粘度高，转速低Go 小结732.非均相液体的混合分散操作主要控制因素：液滴的大小(分散度)；容积循环速率选用原则：涡轮式有较大的局部剪切作用和容积循环速率 开式平直叶涡轮剪切作用最大（液滴的 分散度最大）粘度较大时，采用弯叶涡轮，减少动力 消耗743.固体悬浮（介质粘度不高）主要控制因素：容积循环速率；湍流强度选用原则：固体粒子较大，固液密度差较大，固液比30%开启式涡轮、弯叶开启涡轮式、三叶后掠式 粒子较小，密度差较小，固液比在6090%平桨式、斜桨式、三叶后掠式 密度差小，固液比50%推进式（螺旋桨式）、三叶后掠式 釜体较长时，可采用多层桨754.气体吸收及气液相反应主要控制因素：局部剪切，容积循环速率选用：圆盘式涡轮最理想765.高粘体系主要控制因素：容积循环速率选用：粘涡轮、锚式、框式、螺杆、螺度增加方向带、特殊式通常，粘度随反应过程而上升，低粘搅拌不能满足高粘搅拌。可采用下述两法：变速搅拌低粘高速，高粘低速多釜串联按阶段粘度设搅拌