关于混合时间,不少的研究者得出了一些计箅公式,虽然结果很不一致,但从这些公式中还是能 够看到主要的影响因索,这对理解混合过程的机理 是有帮助的。从公式中看出混合时间与搅拌器的几何尺寸、叶轮的排出流量、叶轮转速及搅拌器的功 率大小有关,这个问题将在后文谈到搅拌器的功能 时再作进一步的讨论。
不互溶性质液体的搅拌
不互溶液体的搅拌的目的有的是把分散相的液 滴直径细化,以得到均匀的分散质,如制备悬浊液 和乳化液;有的是使液滴细化,增大相间接触面 积,以进行下一步的萃取或化学反应等。对于化学 反应只有传质速度低于化学反应速度时才有利用搅 拌来強化反应过程的问题。
在制备悬浊液、乳化液时,是通过分散达到罐 内的两相液体均匀状态。评价这一搅拌作的指标 就是分散相的分散度(如分散相的比表面积或分散 相的液滴直径分布)和达到这一指标的作时间。 在搅拌作用下进行萃取、化学反应时,其终目的 是某一物质成分的传递或某些物质间的反应。其评 价指标是传质速度与反应速度、而这时搅拌的作用 仍是使液相分散细化,相接触面积、增大传 质系数和反应速度。不过这时并不一定要求全罐内 都达到均匀的分散状态,而只要在罐内的局部区 域,例如搅拌叶轮的附近,有强烈的分散作用. 使罐内液体顺序循环经过这个区域发生传质与反应,然后再循环流到罐内其他区域就可以了。因此 可以说,使分散相细化分散.并在罐内造成循环 流动,这就是不互溶液体搅拌过程对搅拌的基本要 求,其中主要的就是要求搅拌有细化分散的作用。
搅拌器的类型 主要有下列几种:
①旋桨式搅拌器
由2~3片推进式螺旋桨叶构成,工作转速较高,叶片外缘的圆周速度一般为5~15m/s。旋桨式搅拌器主要造成轴向液流,产生较大的循环量,适用于搅拌低粘度 (<2Pa·s)液体、乳浊液及固体微粒含量低于10%的悬浮液。搅拌器的转轴也可水平或斜向插入槽内,此时液流的循环回路不对称,可增加湍动,防止液面凹陷。
②涡轮式搅拌器
由在水平圆盘上安装2~4片平直的或弯曲的叶片所构成。桨叶的外径、宽度与高度的比例,一般为20:5:4,圆周速度一般为 3~8m/s。涡轮在旋转时造成高度湍动的径向流动,适用于气体及不互溶液体的分散和液液相反应过程。被搅拌液体的粘度一般不**过25Pa·s。
③桨式搅拌器
有平桨式和斜桨式两种。平桨式搅拌器由两片平直桨叶构成。桨叶直径与高度之比为 4~10,圆周速度为1.5~3m/s,所产生的径向液流速度较小。斜桨式搅拌器的两叶相反折转45°或60°,因而产生轴向液流。桨式搅拌器结构简单,常用于低粘度液体的混合以及固体微粒的溶解和悬浮。
④锚式搅拌器
桨叶外缘形状与搅拌槽内壁要一致,其间仅有很小间隙,可清除附在槽壁上的粘性反应产物或堆积于槽底的固体物,保持较好的传热效果。桨叶外缘的圆周速度为0.5~1.5m/s,可用于搅拌粘度高达 200Pa·s的牛顿型流体和拟塑性流体(见粘性流体流动。唯搅拌高粘度液体时,液层中有较大的停滞区。
搅拌器定义:使液体、气体介质强迫对流并均匀混合的器件。 搅拌器的类型、尺寸及转速,对搅拌功率在总体流动和湍流脉动之间的分配都有影响。一般说来,涡轮式搅拌器的功率分配对湍流脉动有利,而旋桨式搅拌器对总体流动有利。对于同一类型的搅拌器来说,在功率消耗相同的条件下,大直径、低转速的搅拌器,功率主要消耗于总体流动,有利于宏观混合。小直径、高转速的搅拌器,功率主要消耗于湍流脉动,有利于微观混合。搅拌器的放大是与工艺过程有关的复杂问题,至今只能通过逐级经验放大,根据取得的放大判据,外推至工业规模。
搅拌器可分为:
一、两叶桨式
二、三叶桨式
三、螺旋式
四、框式
五、开启涡轮式
六、圆盘涡轮式
七、螺杆螺带
八、特殊用途
九、搪瓷
十、防腐
搅拌过程常有设备放大的问题,主要是解决搅拌罐、搅拌器的放大以及运转条件的确定。目前这 方面也还存在着如何选定放大准则等问题。
搅拌过程既然有赖于搅拌器的正常运转,当然 搅拌器的结构、强度也是不容忽视的问题。由于搅 拌作的多种多样,也使搅拌器存在着许多型式。 各种搅拌器在配合各种可控制流动状态的附件后, 更能使流动状态以及供给能量的情况出现多种变 化,更有利于强化不同的搅拌过程。典型的搅拌器 型式有桨式、涡轮式、推进式、布鲁马金式、齿片 式、锚式、框式、螺带式、螺杆式等。
搅拌过程的研究需要多种先进的精密的测试仪 器,近来能够測试的参数已经渐渐增多,这就推动 了搅拌理论的研究工作,但是没有解决的课题仍然 很多。目前搅拌器的设计方面还多是根据一些个别 条件下的实验资料,要达到佳目的的设计还很 难。期待着搅拌过程的理论研究能与实际技术密切 地结合,使搅拌器的设计更有效,使搅拌过程的进 行更合理。
搅拌过程的种类以及对搅拌器的要求
搅拌既可以是一种的流体力学范畴的单元 作,如进行液-液混合、固-液悬浮、气-液或 液-液分散等,又往往是完成其他单元作如传 热、吸收、萃取、溶解、结晶等以及化学反应过程 的必要手段。搅拌过程可使被搅拌液体的各部分接 近于均质状态,可增大分散相的有效接触面积,可 降低分散相周围的液膜阻力以及增大相对速度提?{ 传热速率等。搅拌过程的影响因索复杂繁多,但是 考察其特点,不外乎是使用搅拌器或其他手段使设 备内的流体产生适当的流动状态,在流动状态中达 到各种作目的。因此,认识搅拌过程,就要知道 设备内的流体流动状态和各种搅拌目的有什么因果 关系,也就是要考察流体的流动状态和传热、传 质、微粒细化分散等过程有什么关联。基于这个观 点,方便的就是以搅拌介质的相态来将搅拌过程 加以分类。这样可将搅拌过程分成均相系和非均相 系两大类。前者为互溶液体的搅拌,后者包括不互 溶液体的搅拌、气-液相的搅拌以及固-液相的搅 拌。当搅拌介质的黏度相当高时,它的流动状态又 有特殊性,所以一般又单独分类为?{黏度液的 搅拌。
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