第5章_搅拌聚合釜内流体流动与混合

第5章搅拌聚合釜内流体的流动与混合聚合反应工程基础（浙江大学史子谨主编）高分子材料专业选修课PolymerizationReactionEngineering;HangzhouNormalUniversity25.1概述机械搅拌反应器(搅拌釜式反应器)适用于各种物性（如粘度、密度）和各种操作条件（温度、压力）的反应过程，应用于合成塑料、合成纤维、合成橡胶、医药、农药、化肥、染料、涂料、食品、冶金、废水处理等行业。绝大部分聚合物在搅拌反应釜生产相当多的化工操作在搅拌反应釜中进行PolymerizationReactionEngineering;HangzhouNormalUniversity35.1概述1、使物料混合均匀2、强化传热、传质使气体在液相中很好地分散使固体粒子（如催化剂）在液相中均匀地悬浮使不相溶的另一液相均匀悬浮或充分乳化强化相间的传质（如吸收等）强化传热搅拌的作用PolymerizationReactionEngineering;HangzhouNormalUniversity45.1概述应用化学反应、生物反应、混合、分散、溶解、结晶、萃取、吸收或解吸、传热等操作。结构组成——搅拌容器和搅拌机两大部。由筒体、换热元件及内构件组成由搅拌器、搅拌轴及其密封装置、传动装置等组成51—电动机；2—减速机；3—机架；4—人孔；5—密封装置；6—进料口；7—上封头；8—筒体：9—联轴器；10—搅拌轴；11—夹套；12—载热介质出口；13—挡板；14—螺旋导流板；15—轴向流搅拌器；16—径向流搅拌器；17—气体分布器；18—下封头；19—出料口；20—载热介质进口；21—气体进口图17-1通气式搅拌反应器典型结构PolymerizationReactionEngineering;HangzhouNormalUniversity6搅拌器反应器PolymerizationReactionEngineering;HangzhouNormalUniversity7搅拌器反应器PolymerizationReactionEngineering;HangzhouNormalUniversity8搅拌器反应器PolymerizationReactionEngineering;HangzhouNormalUniversity9搅拌容器结构搅拌容器的作用是为物料反应提供合适的空间。搅拌容器的筒体基本上是圆筒，封头常采用椭圆形封头、锥形封头和平盖，以椭圆应用最广。根据工艺需要，容器上装有各种接管，以满足进料、出料、排气等要求。为对物料加热或取走反应热，常设置外夹套或内盘管。上封头焊有凸缘法兰，用于搅拌容器与机架的连接。操作过程中为了对反应进行控制，必须测量反应物的温度、压力、成分及其他参数，还设置有温度、压力传感器。PolymerizationReactionEngineering;HangzhouNormalUniversity10搅拌容器结构几种搅拌设备筒体的高径比种类罐内物料类型高径比一般搅拌罐液-固相、液－液相1～1.3气－液相1～2聚合釜悬浮液、乳化液2.08～3.85发酵罐类发酵液1.7～2.5PolymerizationReactionEngineering;HangzhouNormalUniversity11换热元件换热元件夹套内盘管优先采用夹套，减少容器内构件，便于清洗，不占有效容积。当仅靠外夹套传热，换热面积不够时，常采用内盘管，传热效果好，但检修困难。内盘管分为螺旋盘管和蛇管。PolymerizationReactionEngineering;HangzhouNormalUniversity125.2搅拌釜内流体的流动状况宏观流动（又称循环流动）微观流动（又称剪切流动）切向，径向，轴向流况以液滴（流体微元）为流动单位小范围空间的流动，无规则的方向液滴被分为更小的单位作用：混合搅动悬浮作用：分散典型的叶轮：推进器式典型的叶轮：锯齿片状式高速分散器叶轮一、循环流动与剪切流动PolymerizationReactionEngineering;HangzhouNormalUniversity13一、循环流动与剪切流动流型与搅拌的关系流型与搅拌效果、搅拌功率的关系十分密切。搅拌器的改进和新型搅拌器的开发往往从流型着手。流型决定因素取决于搅拌器的形式、搅拌容器和内构件几何特征，以及流体性质、搅拌器转速等因素。径向流轴向流切向流流型14流体流动方向垂直于搅拌轴，沿径向流动，碰到容器壁面分成二股流体分别向上、向下流动，再回到叶端，不穿过叶片，形成上、下二个循环流动。(a)径向流(a)径向流15流体流动方向平行于搅拌轴，流体由桨叶推动，使流体向下流动，遇到容器底面再向上翻，形成上下循环流。(b)轴向流(b)轴向流16无挡板的容器内，流体绕轴作旋转运动，流速高时液体表面会形成漩涡，混合效果很差。(c)切向流(c)切向流PolymerizationReactionEngineering;HangzhouNormalUniversity17一、循环流动与剪切流动上述三种流型通常同时存在轴向流与径向流对混合起主要作用切向流应加以抑制采用挡板可削弱切向流，增强轴向流和径向流除中心安装的搅拌机外，还有偏心式、底插式、侧插式、斜插式、卧式等安装方式，见下图。不同方式安装的搅拌机产生的流型也各不相同。PolymerizationReactionEngineering;HangzhouNormalUniversity18搅拌器的安装方式搅拌器在容器内的安装方式(a)垂直偏心式(b)底插式(c)侧插式(d)斜插式(e)卧式PolymerizationReactionEngineering;HangzhouNormalUniversity19一、循环流动与剪切流动循环型桨叶——搅拌作用以循环流动为主，例如推进器式，斜桨式叶轮剪切型桨叶——搅拌作用以剪切流动为主，例如锯齿式，平桨式叶轮，涡轮式PolymerizationReactionEngineering;HangzhouNormalUniversity20二、搅拌雷诺数NRe与流态复习化工原理Re=D(管径）U流速ρ/μ当Re≥4000湍流Re≤2300层流中间状态过渡流湍流：流体质点运动速度和方向随时变化，质点间彼此碰撞本课程中，运用于搅拌釜，将D(管径）换为桨叶直径D，将U流速换为叶端速度ND搅拌雷诺数NRe=D(管径）U流速ρ/μ=ρND2/μ(5-1)NRe≤20几乎不流动20≤NRe≤100层流100≤NRe≤1000层流与湍流并存，过渡流流态NRe≥1000湍流流态如未安装挡板，有漩涡PolymerizationReactionEngineering;HangzhouNormalUniversity21三、挡板与导流筒(1)挡板目的——消除打漩和提高混合效果。物料粘度小，搅拌转速高，液体随桨叶旋转，在离心力作用下涌向内壁面并上升，中心部分液面下降，形成漩涡，称为打漩区。打漩——PolymerizationReactionEngineering;HangzhouNormalUniversity22三、挡板与导流筒打漩后果随转速增加，漩涡中心下凹到与桨叶接触，外面空气进入桨叶被吸到液体中，使其密度减小，混合效果降低。一般在容器内壁面均匀安装4块挡板宽度为容器直径的1/12～1/10。当再增加挡板数和挡板宽度，功率消耗不再增加时，称为全挡板条件。PolymerizationReactionEngineering;HangzhouNormalUniversity23三、挡板与导流筒(2)导流筒●导流筒的作用导流筒作用---提高混合效率一方面提高了对液体的搅拌程度，加强了搅拌器对液体的直接机械剪切作用；另一方面由于限定了液体的循环路径，确立了充分循环的流型，使器内所有物料均能通过导流筒内的强烈混合区，减少了走短路的机会。●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。PolymerizationReactionEngineering;HangzhouNormalUniversity24三、挡板与导流筒(b)推进式搅拌器导流筒套在桨叶外面，或略高于桨叶导流筒(a)涡轮式或桨式搅拌器导流筒置于桨叶的上方PolymerizationReactionEngineering;HangzhouNormalUniversity255.3搅拌器的构形及选择搅拌器定义功能搅拌器又称搅拌桨或搅拌叶轮，是搅拌反应器的关键部件。提供过程所需要的能量和适宜的流动状态。原理搅拌器旋转时把机械能传递给流体，在搅拌器附近形成高湍动的充分混合区，并产生一股高速射流推动液体在搅拌容器内循环流动。流型流体这种循环流动的途径叫流型PolymerizationReactionEngineering;HangzhouNormalUniversity265.3搅拌器的构形及选择一、搅拌器分类按流体流动形态轴向流搅拌器径向流搅拌器按结构分为平叶折叶螺旋面叶桨式、涡轮式、框式和锚式的桨叶都有平叶和折叶两种结构推进式、螺杆式和螺带式的桨叶为螺旋面叶混合流搅拌器轴向流搅拌器PolymerizationReactionEngineering;HangzhouNormalUniversity27一、搅拌器分类按按用用途途低粘流体用流搅拌器低粘流体用流搅拌器（推进式、长薄叶螺旋桨、桨式、开启涡轮式、圆盘涡轮式、布鲁马金式、板框桨式、三叶后弯式、MIG和改进MIG式等）高粘流体用流搅拌器高粘流体用流搅拌器（锚式、框式、锯齿圆盘式、螺旋桨式、螺带式、螺旋-螺带式等）PolymerizationReactionEngineering;HangzhouNormalUniversity28一、搅拌器分类桨式、推进式、涡轮式和锚式搅拌器在搅拌反应设备中应用最为广泛，据统计约占搅拌器总数的75～80％。PolymerizationReactionEngineering;HangzhouNormalUniversity29二、几种常用搅拌器1.桨式搅拌器叶片用扁钢制成扁钢制成，焊接或用螺栓固定在轮毂上，叶片数是2、3或4片，叶片形式可分为平直叶式和折叶式两种。桨式搅拌器主要用于流体的循环，由于在同样排量下，折叶式比平直叶式的功耗少、故轴流桨叶使用较多。所谓轴流式桨叶，是指桨叶的主要排液方向与搅拌轴平行。桨式搅拌器也可用于高粘度流体高粘度流体的搅拌，促进流体的上下交换，代替价格高的螺带式叶轮。桨式搅拌器的转速一般为20-100r/min，昀高粘度为20Pa.s。PolymerizationReactionEngineering;HangzhouNormalUniversity30一、搅拌器分类2.推进式搅拌器常用于低粘度流体中，标准推进式搅拌器有三瓣叶片，其螺距与桨直径d相等。推进式搅拌器搅拌时流体的湍流程度不高，但循环量大推进式搅拌器结构简单制造方便，适用用于粘度低、流量大的场合，循环性能好剪切作用不大，属于循环型搅拌器。推进式搅拌器的直径较小，d/D=1/4-1/3，叶端速度一般为7-10m/s，昀高达15m/s。PolymerizationReactionEngineering;HangzhouNormalUniversity31一、搅拌器分类3．涡轮式搅拌器（透平式叶轮）能有效完成几乎所有的搅拌操作，并能处理粘度范围很广的流体。涡轮式搅拌器可分为开式和盘式两种。开式有平直叶、斜叶、弯叶等；盘式有圆盘平直叶、圆盘斜叶、圆盘弯叶等。开式涡轮常用的叶片数为2叶和4叶；盘式以6片昀常见。涡轮式搅拌器有较大的剪切力，可使流体微团分散得很细，适用于低粘度到中等粘度流体的混合、液-液分散、液-固悬浮。平直叶片剪切作用较大，属剪切型搅拌器。弯叶是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流体搅拌。六直叶圆盘涡轮搅拌器六折叶圆盘涡轮搅拌器六凹叶圆盘涡轮搅拌器PolymerizationReactionEngineering