第3章　液体的搅拌

3.1　复习笔记

【知识框架】

【概念汇总】

表3-1-1　本章重点概念

【重点归纳】

一、概述

1液体搅拌目的

液体搅拌目的大致可分为：

（1）加快互溶液体均匀混合。

（2）加强多相物体的分散和接触，包括：使气泡分散于液体中；使液滴分散于不互溶液体中；使固体颗粒悬浮于液体中。

（3）加强传热过程，包括冷、热液体之间的传热以及强化液体与器壁的传热。

2搅拌器的类型

搅拌器按照按工作原理可分为两大类，见表3-1-2。

表3-1-2　搅拌器分类

3混合效果的度量

表3-1-3　混合效果的度量

二、混合机理

1搅拌器的两个功能

为达到均匀混合，搅拌器应具备以下两种功能：

（1）使液体在釜内形成总体流动，总体流动与大尺度混合。

（2）使液体产生强剪切或湍动情况，强剪切或高度湍动与小尺度混合。

2均相液体的混合机理

（1）混合分类

①宏观混合：进一步可分为大尺度的混合、漩涡尺度或微团尺度混合。

②微观混合：分子尺度上的混合，依赖于分子扩散运动，只适合均相液体。

（2）低黏度液体的混合机理

液体被总体流动破碎，变成较大液团，分散于釜内各处。要想得到更小尺度混合，液体需要高度湍动形成漩涡。漩涡尺寸越小，破碎作用越大，液团尺度也就越小。漩涡尺寸和强度与总体流动的湍动有关。

（3）高黏度及非牛顿流体的混合机理

在经济的操作范围内，高黏度流体只能在层流状态下流动，主要依赖于总体流动，同时需要桨叶端部造成高剪切。

（4）混合机理步骤

①先形成小尺度宏观混合；②再依靠分子的扩散运动形成分子层面的微观混合。

（5）均相液体混合应用场合

①混合速度较慢的时候；②需要加快反应速度。

3非均相物系的混合机理

（1）液滴或气泡的分散

①机理

界面张力会抵抗液滴变形和破碎，所以要先克服界面张力，然后依靠高度湍动破碎液滴或气泡。总体流动处于高度湍动时，会形成方向迅速变换的脉动，使得液滴或气泡产生相对速度很大的绕流运动，绕流运动产生的不均匀压强分布和剪应力会将液滴或气泡扯碎。

②混合分布不均匀需采取的措施

a．加强湍动程度的均匀分布；b．加入少量保护胶或表面活性物质。

（2）固体颗粒的分散

细颗粒（＜100μm）在搅拌时，先润湿表面，液体取代原有的气体进入颗粒间隙，然后流体动力打散颗粒团聚体。搅拌通常不会改变固体颗粒大小，只能达到小尺度宏观混合。

粗颗粒（＞1mm）搅拌时需要超过悬浮临界转速。

三、搅拌器的性能

1几种常用搅拌器

表3-1-4　几种常用搅拌器

2强化湍动的措施

（1）提高搅拌器的转速，提供较大的压头。

（2）阻止容器内液体作圆周运动，主要方法包括：①在搅拌釜内装挡板；②破坏循环回路的对称性。

（3）使用导流筒。

四、搅拌功率

1搅拌器的混合效果与功率消耗

搅拌功率为

P＝ρgq_VH

其中，q_V为搅拌器所输出的液体量，H为搅拌器对单位重量流体所做之功，即压头。

【注意】①流量足够大，压头足够大，也就是说功率足够大才能达到一定的混合效果。②在实际工艺过程中搅拌配置要合理，例如，控制因素是快速均布，则需要增大输送量；控制因素是要求高的破碎度，则需要增大湍动。

2功率曲线

（1）与搅拌器所需功率有关的因素

与搅拌器所需功率有关的因素可分为几何因素与物理因素两类。见表3-1-5。

表3-1-5　与搅拌器所需功率有关的因素

（2）搅拌功率

P＝Kρn³d⁵

其中，K是与Re_M有关的常数，但是在充分湍流区，K与Re_M无关。

3搅拌功率的分配

（1）为了调匀，获得均匀性：追求流量，不追求压头，具体来说是加大直径、降低转速，功率主要消耗于总体流动；

（2）为了快速分散，利于微观混合：追求压头，不追求流量，具体来说是减小直径，提高转速，功率主要消耗于湍动。

根据不同的目的，功率可作不同分配，主要是通过调节流量q_V和压头H的相对大小，流量q_V和压头H的关系式有

五、搅拌器的放大

1搅拌器的设计

搅拌器的设计主要包括：

（1）根据物料黏度和搅拌目的，确定搅拌釜的几何形状和搅拌器的型式；

（2）确定搅拌器的几何尺寸和运转参数，如转速、功率等。

【注意】搅拌器的设计除了满足工艺要求外，还应综合考虑能耗、操作费用等各方面的因素。

2搅拌器的放大准则

表3-1-6　放大准则

【注意】下标1、2分别表示小型、大型搅拌器。