第五章聚合釜内的搅拌和流动.doc

第五章 搅拌聚合釜内流体的流动与混合 第一节 概述 搅拌器的主要用途： 混合：使两种或多种互溶或不互溶液体技工艺要求混合均匀，如溶液、悬浮液、乳液等的配制。 搅拌：使物料强烈地流动，以提高传热、传质速率 悬浮：使小固体颗粒在液体中均匀悬浮、防止沉降等。以达到加速溶解、强化浸取、促进液固相反应、防止沉降的目的 分散：则使气体、液体在流体中充分分散成细小的气泡或液滴，增加接触面，促进传质或化学反应，并满足聚合物对粒度的要求。 搅拌反应器应具有的要求： (1)推动液体流动，混匀物料。 (2)产生剪切力，分散物料，并使之悬浮。 (3)增加流体的湍动，以提高传热速率。 (4)在高粘体系，可以更新表面，促使低分子物蒸出。 (5)加速物料的分散和合并，增大物质的传递速率。 第二节 搅拌釜内流体的流动状况 流体的流动状况，简称流况，可以定义为“在整个搅拌容器中流体速度向量的方向”。 在搅拌釜中流体的流况可以分为两个层次：宏观状况与微观状况，它们对搅拌效果起着不同的作用。 一、循环流动与剪切流动 宏观状况流动也称为宏观流动，而微观状况流动则称为微观流动。 宏观流动是指流体以大尺寸(凝集流体、气泡、液滴)在大范围(整个釜内空间)流动状况，所以也称循环流动。 循环流动存在三种典型的流况，径向流动、轴向流动、切线流动 径向流：液体轴向流入，径向流出； 特点：搅拌器叶片与旋转平面夹角等于90° 液体轴向流入，轴向流出 特点：搅拌器叶片与旋转平面夹角小于90° 切线流动：物料粘度较低而搅拌器旋转速度较高时，液体围绕搅拌轴 作旋转运动。发生旋转运动的区域称为“圆柱状回转区”为消除圆柱状回转区，通常在釜内设置挡板。 微观流动是指流体以小尺寸(小气泡、液滴分散成更小的液滴)在小范围(气泡、液滴大小的空间)中的湍动状况。 微观流动是由于搅拌桨的剪切作用而引起的局部混合作用，它促使气泡、液滴的细微化最后由于分子扩散达到微观混合。 微观流动的作用促使局部混合及异相表面更新，对促进传热、传质、分散微粒也有利。在搅拌桨叶叶端附近及挡板处是微观流动作用最强烈处。微观流动也称剪切流动，它促使液体细微化达到分散作用。 二、搅拌雷诺数与流态 在搅拌釜内，常以桨叶的端速ND作为定性速度，所以搅拌雷诺数定义为： 搅拌雷诺数不仅决定搅拌釜内流体流动的流态(层流、过渡流、湍流)，而且对搅拌器的特性和行为也有决定性作用。 A区间(NRe＜10) 液体仅在桨叶附近呈滞流旋转流动，桨叶无液体吐出，釜内的其余部分为液体停滞区(即死角)。 B区间(NRe～l0) 当雷诺数达数十时，自桨叶端开始有吐出流产生，并引起整个釜内流体的上下循环流动(可能尚存在四周死角)，此时处于层流。 C区间(NRe l00～1000) 此时处于过渡流态，即在桨叶周围液体为湍流状态，上下循环流动为滞流，随雷诺数增大，其湍动程度增大。 D区间(NRe＞1000) 整个釜内的上下循环流动都处于湍流状态。 无挡板时会引起旋涡, 有挡板时整釜会处于湍流状态。 当桨叶直径D与釜径T之比D／T＜0.1时，釜内流体虽为湍流状态，但上下循环流不会遍及整个釜内，易出现死角。 搅拌桨叶的动力特性、循环特性、混合特性，分别用无因次准数表示。 三、挡板与导流筒 1．挡板 ?? 当流体粘度不大，搅拌转速较高，而且桨叶放在釜的中心线时，液体将随着桨叶旋转的方向循着釜壁滑动，釜内液体在离心力作用下涌向釜壁，使液面沿釜壁上升，中心部分的液面下降，形成一个漩涡，通常称打漩现象。 打漩现象消除措施： a.???搅拌轴偏心安装时，能减弱游涡，提高轴向循环速率; b.???在釜内安装挡板可有效的消除旋涡 挡板 挡板的作用是避免旋涡现象，增大被搅拌液体的湍流程度，将切向流动变为轴向和径向流动，强化反应器内液体的对流和扩散，改善搅拌效果。 可有效地防止粘滞液体在挡板处形成死角，以防止固体颗粒的堆积。 在高粘度物料中使用桨式搅拌器时，可安装横挡板以增加掺合作用，挡板宽度可与搅拌叶同宽。 2．导流筒 ??设置导流筒，既可提高釜内流体的搅拌程度，加强桨叶对流体的直接剪切作用，同时又造成一定的循环流型，使釜内所有物料均可通过导流筒内的强烈混合区，提高混合效率。另外由于限定了循环路径，减少了短路机会。 导流筒的组成：导流筒是一个圆筒，安装在搅拌器的外面。常用于推进式和涡轮式搅拌器。 第三节 搅拌器的构形及选择搅拌器的构形 搅拌器是实现搅拌操作的设备总称，从不同角度，可有不同的分类方法。 1．按桨叶构形可分为桨式、涡轮式、推进式、螺杆(螺轴)和螺带式等； 2．按物料流动的流况，可分为径向流动和轴向流动； 3．按搅拌任务，又可分为液体混合或乳化、