(聚合反应工程5-6

第五章搅拌聚合釜内流体的流动与混合第六章搅拌聚合釜的传热与传质第五章第一节概述工业上聚合反应器种类很多，釜式反应器(简称搅拌釜)应用最普遍，约占聚合反应器的80％。在聚合物生产过程中，除聚合釜外，还有许多带有搅拌装置的容器，如原料配制槽、加料槽、凝聚槽、浆料沉析槽和贮槽等。化工生产过程中，经常有液-液、气-液、液-固以及气-液-固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。搅拌兼有混合、搅动、悬浮、分散等多种功能。搅拌器的功能混合：使两种或多种互溶或不互溶液体按工艺要求混合均匀的操作，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、传质速率的操作。悬浮：使小固体颗粒在液体中均匀悬浮、以达到加速溶解、强化浸取、促进液-固相反应、防止沉降等目的的操作。分散：使气体、液体在流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，并满足聚合物对粒度要求的操作。为满足上述要求，搅拌器应具有下述作用(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)加速物料的分散和合并，增大物质的传递速率。(5)在高粘体系，更新表面，促使低分子物(如水、单体、溶剂等)逸出。搅拌器通常兼有以上多种功能和作用。例如，在苯乙烯悬浮聚合过程中，搅拌兼有混合(引发剂与单体)、剪切分散（单体液滴分散在水相中)、悬浮及提高传热系数等作用。为满足各种生产过程对搅拌的不同要求，搅拌器应具有一定的几何形状和技术特性，如搅拌桨叶的型式尺寸转速并配以适当的挡板形式与尺寸。掌握这些技术特性及其放大规律，对完善设计非常重要。第二节搅拌釜内流体的流动状况搅拌的各种作用均需依靠流体的流动来实现。流体的流动与许多因素有关，包括：釜体与搅拌器等釜内构件(挡板、导流筒)设置、结构（几何型式、尺寸）安装位置操作条件(转速)所处理物料的物性等。流体的流动状况（简称流况）的定义为“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：宏观状况宏观流动微观状况微观流动这两种流况反映了搅拌的效果。一、循环流动与剪切流动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，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切向流动径向流动流体的流动方向垂直搅拌轴，沿径向流动碰到釜壁转向上、下两股再回到桨叶端，不穿过桨叶片，而形成上、下两个循环流动。图5-1径向流动轴向流动流体的流动方向平行搅拌轴，流体由桨叶推动，使流体向下流动，碰到釜底再翻上，形成上下循环流动。图5-2轴向流动切线流动流体绕轴作旋转运动，也称旋转流动，当搅拌转速较高时，液体表面会形成漩涡。图5-3切线流动轴向流动及径向流动对混合有利，能起混合搅动及悬浮作用。而切线流动则对混合不利！需设法消除。微观流动微观流动是指流体以小尺寸(小气泡、液滴分散成更小的微滴)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；可促使气泡、液滴细微化，最后经分子扩散达到微观混合。当搅拌具有一定粘度的流体时，随液体流速增加，产生速度梯度使液体变形，同时产生流速的涨落，因而形成湍动。这种湍动在结构上可视为许多小涡旋，它对其中或周围的液体微元产生剪切作用，使其被撕成微滴。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微观流动作用最强烈。虽然搅拌桨叶型式千差万别，在搅拌釜中都存在循环流动与剪切流动，只是二者的比重有所不同。对以循环流动为主的桨叶，称为循环型桨叶；若以剪切流动为主的桨叶，称为剪切型桨叶。二、搅拌雷诺数与流态为定量地分析搅拌桨叶的特性，经常用无因次准数进行研究。主要有以下代表釜内流体特性的准数：粘性力的搅拌雷诺数：NRe=Dvρ/μ＝D·DN·ρ/μ＝ρND2/μ(5-1)动力特性的功率准数：Np＝P/(ρN3D5)(5-2)循环特性的排出流量数：Nqd＝qd/(ND3)(5-3)混合特性的混合时间数：NθM=NθM(5-4)传热特性的努塞尔准数等式中，P为功率消耗，qd为桨叶的排出流量，θM为混合时间。搅拌雷诺数NRe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：NRe=Dvρ/μ＝D·DN·ρ/μ＝ρND2/μ(5-1)式中，D为桨叶直径，N为搅拌器转速，ρ为流体的密度，μ为流体的粘度。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。图5-4为搅拌釜内流体的流态、动力循环和混合特性。依雷诺数不同，釜内流体流动有不同的流态。图5-4搅拌釜内液流的流态、动力循环和混合特性曲线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～10)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(NRe100～1000)此时处于过渡流态，即在桨叶周围液体为湍流状态，上下循环流仍为滞流，随雷诺数增大，其湍动程度增大。D区间(NRe1000)整个釜内的上下循环流动都处于湍流状态。无挡板时会引起漩涡。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。由于搅拌桨叶特性与釜内流体的流态有密切关系，在设计搅拌桨叶、釜型及釜内部构件时：首先应使釜内没有死角，在釜内任何地方都有流体流动很难做到！其次依操作目的，使釜内液体形成有效的流况和适当的流态相对容易做到。三、挡板与导流筒1．挡板1.1打漩现象当流体粘度不大，搅拌转速较高，且桨叶在釜的中心线时，液体将随桨叶漩转的方向循釜壁滑动，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，形成一个漩涡的现象。图5-5打漩现象(a)俯视图(b)侧视图打漩时；液体只随桨叶旋转而不产生横向或垂直的上下运动，没有发生混合的机会。随搅拌转速加大，漩涡中心下凹到与桨叶接触。此时，外面的空气可进入桨叶而被吸到液体中，桨叶所接触的是密度较小的气液混合物，从而降低了搅拌效果。搅拌轴偏心安装时，能减弱漩涡，提高轴向循环速率；但如果安装位置选择不当，会造成更大的打漩和反常漩涡，对搅拌轴造成危险的应力。消除漩涡的方法有效的方法之一是在釜内安装挡板。通常安装四块挡板挡板的宽度为釜径的1/10-1/12。若搅拌浆料时，挡板与釜壁之间应留一定的空隙，以防止固体物料的沉积。图5-6安装挡板后的流况挡板的主要作用一、使流况从主要是生成涡流或漩涡的旋转流，改变为对混合有利的垂直流动，也即将切线流动转变为轴向流动或径向流动，这对于增强釜内液体的对流扩散、轴向流动和径向流动都有效；二、增大被搅拌液体的湍动程度，从而改善搅拌效果。如有必要，挡板可以制成空心状(内冷挡板)，内部能通传热介质，这样既可改善搅拌效果又能增加传热而积。挡板的其它形式：如在釜中垂直安装的换热管、温度计套管也能起挡板的作用，但不及通常的挡板有效。螺旋形蛇管也能产生有限的挡板效应，这种效应因装设蛇管的垂直支撑构件而略有增加，但往往还需要另装挡板。2．导流筒另一种消除漩涡的方法是使用导流筒。图5-7表示导流筒的安装方式及流动情况。图5-7导流筒安装方式(a)螺旋桨导流筒(b)透平桨导流筒导流筒的安装对于推进式搅拌器，导流筒套在桨叶的外面。对于涡轮式搅拌器，导流筒置于桨叶的上方。如搅拌釜内有紧密卷绕的蛇管也可起导流筒的作用。一般导流筒须将搅拌釜截面分成面积相等的两部分。即：导流筒的直径约为釜径的70％。设置导流筒的作用1.可提高釜内流体的搅拌强度，加强桨叶对流体的直接剪切作用。2.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。3.限定循环路径，减少短路机会。第三节搅拌器的构形及选择一、搅拌器的构形（分类）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。按桨叶构形可分为桨式涡轮式(透平)推进式(螺旋桨)螺杆(螺轴)螺带式等形式。按物料流动的流况可分为径向流动型轴向流动型按搅拌功能又可分为液体混合或乳化型固体颗粒悬浮型气-液接触型化学反应型传热型等形式。在化工操作中，一般按桨叶的构形加以分类。主要搅拌器桨叶构形（一）主要搅拌器桨叶构形（二）图5-9三叶后掠式及布鲁马金式桨叶构形2．桨式搅拌器凡桨叶的构形为平桨、斜桨、锚形桨或框形桨者均属桨式搅拌器。其特点是结构简单、转速低、桨叶面积大。桨叶旋转时，平板桨面与轴平行，液体仅以切线方向离开桨叶，主要形成水平液流，搅动不激烈。为增加轴向流动，可将平桨倾斜一定角度而成斜桨，此时桨叶面与轴不平行，旋转时液流除形成切向流动外，还形成向上或向下的垂直液流，搅拌较激烈。桨式搅拌器的特点平桨或斜桨的剪切作用较强，桨叶的转速通常为20～200转/分。适用于粘度为0.1～102Pa·s的液体搅拌。在无挡板条件下，转速高时会形成漩涡。对于高粘度液体的搅拌，可按照釜底部的形状把桨式搅拌器做成锚式或框式。这种桨叶与釜壁的间隙小，一般桨径与釜径之比为0.95。桨式搅拌器的特点高粘液体的搅拌，需要转速低、剪切作用小，但要求搅动范围很大，不易产生死区。对必须通过釜壁传热的情况，可利用桨叶的刮扫作用来防止搅拌器与釜壁之间产生滞流层，从而促进传热宜采用锚式或框式搅拌器。当粘度高于103Pa·s时，由于功率消耗太大，一般就不宜采用锚式或框式搅拌器。2．推进式搅拌器标准的推进式搅拌桨有三瓣叶片，其螺距S与桨径D相等。搅拌时，流体的流况复杂：液体由桨叶上方吸入，从下方以圆筒状螺旋形排出，即驱使流体向下流动，轴向分速度使液体沿轴向流动，待流至釜底再沿壁折回返至螺旋桨上方，形成轴向循环流动，同时，也存在部分径向液流。推进式桨叶造成流动的湍流程度不高，但循环量大，无挡板时，也会形成漩涡。2．推进式搅拌器推进式桨叶直径较小，通常采用较小的D/T比，直径一般不大于0.4m。推进式搅拌器的优点是结构简单，制造方便。适用于液体粘度低，液量大的液体搅拌，利用较小的搅拌功率通过高速转动的桨叶获得较好的搅拌效果。推进式搅拌器的剪切作用不大，循环性能好，属于循环型搅拌器。3.涡轮式搅拌器又称透平搅拌器，能有效地完成几乎所有的搅拌操作，并能处理粘度范围很广的液体，桨叶形式很多，有开式和闭式两大类。根据桨叶叶片的形状和位置，又有平直叶片弯曲叶片倾斜叶片圆盘平直叶片圆盘弯叶圆盘斜叶等。涡轮式搅拌器的特点从流动情况看，涡轮式搅拌器像一只无泵壳的离心泵。物料被抽吸后，在离心力作用下，液体作切向和径向流动，并以很高的绝对速度从出口冲出。出口液体的径向分速度使液体流向壁面，然后分成上、下两路回流入搅拌桨叶，形成径向流况的循环流动，径向流动与釜壁和转轴垂直，并在釜壁附近折转为向上、下垂直流动。既有垂直液流，又有径向液流，使液体有良好的从顶到底的翻转运动，有利于混合。涡轮式搅拌器的特点涡轮式搅拌器的剪切力较大，可使液体微团分散得很细，适用于低粘到中粘液体的混合液-液分散液-固悬浮及促进良好的传热、传质或化学反应。弯叶（指叶片朝着流动方向弯曲）可降低功率消耗，适用于含有易碎固体颗粒的液体搅拌。涡轮式搅拌器的特点斜桨涡轮的排液能力较小，但由于旋转时产生的轴向流动分量，有助于固体颗粒的悬浮。桨叶可做成闭式，即于桨叶上下两侧加盖板，与离心泵的闭式叶轮相似。盖板可用于控制抽液和排液，如在涡轮上面加装盖板，抽吸液体被限制在涡轮的底部。4．螺杆及螺带式搅拌器当搅拌粘度大于10Pa·s的液体时，宜采用螺杆和螺带式搅拌器。通常将螺杆桨置于釜中心，