搅拌器是反应釜的重要组成部分，是一种广泛应用的操作单元，它的复杂性在于它的原理要涉及流体力学、传热、传质和化学反应等多种过程。 一、搅拌器在化工生产中的用途 化工生产的各种工艺过程涉及到各种不同特性的物料，各种不同的搅拌目的，所选的搅拌器不同，工艺过程种类多，搅拌的用途也多。 1、液体的互溶 两种或多种液体的互溶、混合，但是均相液体的搅拌又应区分均相液体混合物中是否发生化学反应，对于没有化学反应的情况，通常称为互溶液体的调和或调匀。对于两种或数种互溶液体间存在化学反应的情形，为了加速反应或使反应完全，也应进行搅拌。 2、互不相容液体的分散 这种操作目的是互不相溶的液体相互接触，相互充分分散，以有利于传质或化学反应， 或制备悬浊液和乳化液。搅拌的作用是使液滴细化，增大相对接触面积。 3、气液相的接触 这种搅拌使气体成为细微气泡，在液相中均匀分散，形成稳定的分散质，或增强液体吸收气体，或加快气液相发展化学反应等。 4、固液相的分散 固液相的搅拌用途较广，有时是制备均匀悬浮液，有时是固体的溶解，有时是固液相间发生化学反应，有时是固相在液体中洗涤，有时是从饱和液体中析出晶体等。 5、加强传热 有些液体反应的时候需要加热或者冷却，通过搅拌提高液体的传热速度或者使液体的温度更均匀。 二、搅拌器的形式 搅拌过程对搅拌器的要求各有不同，搅拌过程的情况千差万别，使搅拌器的形式也多种多样， 下面是几种常用的搅拌器： 1、推进式搅拌器 推进式搅拌器常用整体铸造，加工方便， 结构类似于轮船的螺旋推进器，常有三片桨叶组成。推进式搅拌器直径取反应釜内经的1/4～1/3 ，切向线速度可达 5～15m/s ，转速为 300～600rpm，最高转速可达1750rpm。一般说小直 径取高转速，大直径取低转速。搅拌时能使物料在反应釜内循环流动，所起的作用以容积循环为主，剪切作用小，上下翻腾效果好，但采用挡板或者导流筒则轴向循环更强。 2、桨式搅拌器 桨式搅拌器是一种结构和加工都非常简单的搅拌器，共两片桨叶，桨叶安装形式可分为平直叶和折叶两种，平直叶就是叶面与旋转方向互相垂直，折叶则是叶面与旋转方向呈一定的倾斜角度。桨式搅拌器直径取反应釜内经的 ～ 1/3 ～4/5， 一般取1/2，不宜采用太长的桨叶，因为搅拌器消耗的功率与桨叶直径的五次方成正比。桨式搅拌器的运转速度较慢，转速一般为20～80rpm，圆周速度在1.5～ 3m/s 范围内比较合适。平直叶搅拌器其低速时以水平环向 流为主，速度高时为径流型；有挡板时为上下循环流；折叶搅拌器有轴向分流、径向分流和环向分流，一般在层流、过度流状态时操作。 在料液层比较高的情况下，装有几层桨叶，相邻两层桨叶常交叉成 90°角安装。在一般情况下，几层桨叶安装位置如下： 一层安装在下封头对接环焊缝高度处； 二层的话，一层安装在下封头对接环焊缝高度处；另一层安装在下封头对接环焊缝与液面的中间的二分之一处或者稍高处； 三层的话，一层安装在下封头对接环焊缝高度处， 另一层安装在液面下约200mm 处，中间再安装一层。 3、涡轮式搅拌器 涡轮式搅拌器有开启式的和带圆盘式的，桨叶分为平直叶和弯叶两种。搅拌叶一般和圆盘焊接或者用螺栓连接，也有铸造而成的。涡轮式搅拌器直径取反应釜 内经的1/5～1/2，一般取1/3，桨叶一般为6 片，其切向线速度为4～10m/s ，转速为10～300rpm，最高转速可达600rpm。 涡轮式搅拌器使流体均匀的由垂直方向运动改变为水平方向运动,自涡轮流出的高速液流沿圆周运动的切线方向散开,使在整个液体内得到激烈的搅拌,当采用挡板时带圆盘涡轮式搅拌器的流体以桨叶为界限形成上下两个循环流,折叶的有轴向分流。圆盘上下的液体混合不如开启涡轮式。 4、框式和锚式搅拌器 框式搅拌器可以视为桨式搅拌器的变形，水平的桨叶与垂直的桨叶连成一体成为刚性的框架,结构比较坚固,当这种搅拌器底部形状和反应釜下封头形状相似时,常称为锚式搅拌器。搅拌器一般用扁钢或者角钢弯制。 框式或锚式搅拌器的框架或锚架直径往往较大,通常其直径取反应釜内经的2/3~9/10,其切向线速度为0.5~1.5m/s,转速为30~80rpm,最高转速可达100rpm左右,一般为层流状态操作。又是为了增大搅拌范围,在桨上增加立叶和横梁。 5、螺带式搅拌器 螺带式搅拌器专用于高粘度液体的搅拌。搅拌器是由钢带按一定螺距旋形绕成,钢带的外沿常做成几乎贴近釜内壁,与内壁的间隙很小,故搅拌时不能将粘于釜壁的沉积物料刮掉，一般转速较低,约0.5~50rpm,其线速度小于2m/s。运转时,液体成轴流型,一般是液体沿釜壁螺旋上升再沿桨轴而下,属层流状态操作。 6、其他形式搅拌 除上述五种搅拌外,还有很多种搅拌器。例如螺杆式、布尔马金式、三叶后掠式、圆筒式、行星式搅拌器等。 螺杆式搅拌器一般直径不大,只有反应釜内经的2/5~1/2,转速为0.5~50rpm,流动状态与螺带式搅拌器相同,不同处是螺杆式搅拌器可以偏心放在反应釜内。 三、搅拌器的选型 反应釜搅拌器一个好的选型方法最好具备两个条件:一是选择结果合理，一是选择方法简便，而这两点却往往难以同时具备。 注：表中空白为不适或不详，O为适合 由于液体的粘度对搅拌状态有很大的影响,所以根据反应釜内搅拌介质粘度大小来选型是一种基本的方法。几种典型的搅拌器都随粘度的高低而有不同的使用范围。随粘度增高的各种搅拌器使用顺序为推进式、涡轮式、浆式、锚式和螺带式等,这里对推进式的分得较细,提出了大容量液体时用低转速,小容量液体时用高转速。这个选型图不是绝对地规定了使用浆型的限制,实际上各种浆型的使用范围是有重叠的,例如浆式由于其结构简单,用挡板可以改善流型,所以在低粘度时也是应用得较普遍的,而蜗轮式由于其对流循环能力、湍流扩散和剪切力都较强,几乎是应用最广的一种浆型。根据搅拌过程的目的与搅器适成的流动状态判断该过程所适用的浆型,这是一种比较合用的方法。 推荐浆型是把浆型分成快速型与慢速型两类,前者在湍流状态操作,后者在层流状态操作。选用时根据搅拌目的与流动状态来决定桨型及挡板条件,流动状态的决定要受搅拌介质的粘度高低的影响。 下面对其中几个主要的过程进一步做些说明: 1、低粘度均相液体混合,是难度最小的一种搅拌过程,只有当容积很大且要求混合时间很短时才比较困难。由于推进式的循环能力强且消耗动力少,所以是最合适的。 2、对分散操作过程,涡轮式因具有高剪切力和较大循环能力,所以最为适用。特别是平直叶涡轮的剪力作用比折叶和弯叶的剪力作用大,就更为合适。推进式和桨式由于其剪切力比平直叶涡轮的小,所以只能在液体分散量较小的情况下可用,而其中桨式很少用于分散操作。分散操作都有挡板来加强剪切效果。 3、固体悬浮操作以涡轮式的使用范围最大,其中以开启涡轮式为最好。它没有中间的圆盘部分,不致阻碍桨叶上下的液相混合，而且弯叶开启涡轮的优点更突出,它的排出性好、桨叶不易磨损,所以用于固体悬浮操作更合适。推进式的使用范围较窄,固液比重差大或固液比在50%以上时不适用。使用挡板时,要注意防止固体颗粒在挡板角落上的堆积。一般固液比较低时,才用挡板,而折叶开启涡轮、推进式都有轴向流,所以也可以不用挡板。 4、气体吸收过程以圆盘式轮最合适,它的剪切力强,而且圆盘的下面可以存住一些气体,使气体的分散更稳定,而开式涡轮就没有这个优点。桨式及推进式对气体吸收过程基本上不合用,只有在少量以吸收的气体要求分散度不高时还能应用。 |
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