第五章搅拌聚合釜内流体的流动概念.ppt

第五章 搅拌聚合釜内流体的流动与混合 第一节 概述 机械搅拌反应器 工业上聚合反应器种类很多，如釜式、管式、塔式等，但带有搅拌器的釜式反应器用的最多，约占聚合反应器的80%。 除聚合釜外，还有许多带有搅拌装置的容器，如原料配制槽、加料罐和储槽等。 许多化工生产过程经常有多相体系的混合问题，机械搅拌是解决混合问题的重要装置。 另外，搅拌还兼有混合、搅动、悬浮、分散等多种功能。 混合是使两种或多种互溶或不互溶液体按工艺要求混合均匀，如溶液、悬浮液、乳液的配制。 搅拌是使物料强烈的流动，以提高传热和传质速率。 悬浮是使小固体颗粒在液体中均匀悬浮，以达到加速溶解、强化液固相反应、防止沉降的目的。 分散是使气体、液体在液体中充分分散成细小的气泡或液滴，增加相接触表面，以促进传质或化学反应。 为了满足以上要求，搅拌反应器应具有以下作用： 推动液体流动，混匀物料； 产生剪切力，分散物料，并使之悬浮； 增加流体的湍动，提高传热速率； 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，促使低分子物蒸出。 事实上，搅拌器经常兼有多种功能和作用，例如，在苯乙烯乳液聚合中，搅拌兼有混合（引发剂和单体）、分散（单体液滴分散在水相中）、及提高传热系数的作用等。 为满足各种生产过程对搅拌不同的要求，搅拌器应具有一定的几何和技术特性，如搅拌桨叶的型式、尺寸、转速、功率消耗以及挡板等。 高粘度体系: 由于体系的粘度大，靠单一的径向流和轴向流动已不能适应混合的需要，此时需要有较大的面积推动力。 随着粘度的增大可依次选用下列搅拌器。 推进式、锚式、螺杆、螺带、特殊型高粘度搅拌器。 第二节 搅拌釜内流体的流动状况 流体的流动状况，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动状况可以分为两个层次：宏观流动状况与微观流动状况，它们对搅拌效果起着不同的作用。 一、循环流动与剪切流动 宏观流动是指流体以大尺寸（大气泡、大液滴）在大范围中的流动状况，也称循环流动。 循环流动有三种典型的流动状况：径向流动、轴向流动、切线流动。 径向流动：流体的流动方向垂直搅拌轴； 轴向流动：流体的流动方向平行搅拌轴； 切线流动：流体绕轴作旋转运动，也称为旋转流动，当搅拌转速高时，液体表面会形成漩涡。 径向流动和轴向流动对混合有利，能起混合搅动及悬浮作用，而切线流动对混合不利，需设法消除。 微观流动是指流体以小尺寸（小气泡、微滴）在小范围中的湍动状况。 微观流动是由于搅拌桨剪切作用而引起的局部混合作用，它使气泡、液滴细微化，达到微观混合。 微观流动会促使局部混合，对促进传热、传质、分散微粒也有利。 在搅拌桨叶末端及挡板处微观流动作用最强。 不管搅拌桨叶为哪种型式，搅拌釜中都存在循环流动与剪切流动，如果某一桨叶以循环流动为主，称为循环型桨叶；若以剪切流动为主，则称为剪切型桨叶。 二、搅拌雷诺数与流态 为定量的研究搅拌桨叶的特征，经常用无因次准数加以关联，其中以搅拌雷诺数最为重要。 依雷诺数不同，搅拌釜内流体有不同的流动状态: A区间(NRe＜10) 此时处于层流区，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 l00～1000)此时处于过渡区，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。 C区间(NRe＞1000)此时处于湍流区，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。 依雷诺数不同，搅拌釜内流体有不同的流动状态。 三、挡板与导流筒 1. 挡板 当流体粘度不大，搅拌转速较高，桨叶放在釜的中心线时，液体将随着桨叶旋转的方向形成一个漩涡，通常称为打漩现象。 打漩时，液体只是随着桨叶旋转而不产生横向的或垂直的上下运动，没有发生混合的机会。 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游涡 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。 有效的消除漩涡可在釜内安装挡板，通常安装四块挡板，挡板的宽度为釜经的1/10-1/12。 若在搅拌浆料时，挡板与釜壁之间应留1/6板宽的空隙，以防止固体物料的沉积。 挡板的主要作用：一是使流动状况从旋转流改变为对混合有利的垂直流动，即将切线流动转变为轴向流动或径向流动； 二是增大被搅拌液体的湍动程度，从而改善搅拌