搅拌的应用及工艺过程.docx

资源描述

搅拌的应用及工艺过程.docx

《搅拌的应用及工艺过程.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《搅拌的应用及工艺过程.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

搅拌的应用及工艺过程.docx

搅拌的应用及工艺过程

1.搅拌设备常规设计方法

搅拌装置广泛用于工艺过程的混合（如调和、乳化、分散、固液悬浮等）；传质（如溶解、气体吸收、结晶、萃取、浸取等）；传热（如加热、冷却等）；传递动能；反应等。

具体涉及生物发酵（如医药、饲料、饮料、酒类、调味品等）；石油化工（如合成树脂、合成纤维、合成橡胶、粘接剂、催化剂等）；精细化工（如化妆品、涂料、染料、农药、助剂等）；环保（如给排水处理、烟气脱硫等）；湿法冶金；造纸；有机/无机化工等行业。

搅拌设备设计遵循以下三个过程：

①根据搅拌操作目的和物系性质进行搅拌设备工艺设计及结构选型。

②在选型的基础上进行该搅拌的特性计算和工艺工程设计。

③进行搅拌设备的机械工程设计及费用评估。

1.1根据搅拌操作目的和物系性质进行搅拌设备工艺设计及结构选型。

1.1.1确定操作参数

搅拌的操作参数包括搅拌槽容积、操作压力和温度、操作时间、连续或间歇操作、物料有关特性（见1.1.2节）、物料的流动状态（见1.1.3节）、搅拌器有关参数等，其最基本目的则是要通过有关参数，进行计算搅拌流型、功率、循环能力、剪切力以及各种搅拌目的要求的特性参数计算。

1.1.2明确搅拌操作目的于物系性质的关系

了解搅拌操作目的和物系性质是搅拌设备设计的基础，表1.1.1-1展示不同搅拌操作目的及物系特性参数间的联系。

除此之外，需要了解的物系性质还包括：

物料处理量，物料停留时间，体系反应的变化过程，固体粒子沉降速度，固体粒子含量，通气量等。

表1.1.2-1搅拌操作目的及流动状态及物系性质的关系

搅拌操作目的

流动状态

物性

连续相

相对速度

粘度

粘度差

密度

密度差

扩散系数

表面张力

导热系数

比热容

粒径浓度分布

循环速率

湍流扩散

剪切流

均相混合

低粘度液

高粘度液

○

分散

液-液相系

气-液相系

固-液相系

○

固液悬浮（固-液相系）

溶解（固-液相系）

结晶（固-液相系）

浸取（固-液相系）

萃取（液-液相系）

乳化（液-液相系）

吸收（气-液相系）

传热（气-固-液相系）

○

注：

表中¤○表示该因素的影响程度，¤≥○。

1.1.3搅拌流动状态（流型）

搅拌槽内物系在搅拌作用下的流动状态是用雷诺数来度量的，搅拌雷诺数由下式定义：

Re=ρdj2n/μ

式中ρ—物料密度；dj—搅拌器直径；n—搅拌器转速；μ物料粘度。

一般认为：

Re≤10~30时为层流；10~30≤Re≤103~104时为过渡流；Re≥103~104时为湍流。

搅拌槽内的流型取决于搅拌方式；搅拌器、槽体、挡板等几何特征；流体性质；转速等因素。

在一般湍流状态下，搅拌轴在槽中心安装，搅拌将产生如图1.1-1所示三种基本流型及偏心和侧壁安装的流型。

1切向流：

流体的流动平行于搅拌器所经历的路径，产生打旋即旋涡现象。

流体混合及剪切分散效果差。

除部分特定要求外（如吸气），搅拌流型设计中应尽量避免。

对于中心顶入式搅拌在搅拌雷诺数Re≥103时，就可能产生打旋，一般用偏心安装及加装壁挡板来避免。

②径向流：

流体从桨叶以垂直于搅拌轴的方向排出，径向流动后，再向上、下输送。

一般用于液液及气液分散等要求较大剪切力的流型。

3轴向流：

流体从桨叶以平行于搅拌轴的方向排出，形成轴向循环。

一般用于液液混均及固液悬浮等要求轴向循环的流型。

1.1.4搅拌操作目的、搅拌效果及搅拌器选型的关系

搅拌器的选型首先应考虑达到搅拌目的的所需的桨型，同时力求消耗较小的功率。

其次考虑叶轮的大小、转速高低的可操作性。

按照不同搅拌操作目的以及同类工艺借鉴来对搅拌器选型是常用的方法，如表1.1.3.2-1、表1.1.3.2-2所示。

采用多种类型搅拌器组合来达到搅拌目的是目前常见的方法。

各类搅拌器的形式、主要尺寸、特性参数见第***节。

表1.1.3.2-1常见搅拌器选型参数表

搅拌器类型

流动状态

搅拌目的

最高粘度

Pa.s

对流循环

湍流循环

剪切流

流型

低粘混合

高粘混合

分散

溶解

悬浮

气体吸收

结晶

传热

液相反应

直叶涡轮

湍流

折叶涡轮

湍流

推进式

湍流

桨式

湍/过渡流

旋桨式

湍流

盘式涡轮

湍流

布鲁马金

湍流

三叶后掠

湍流

锚框式

层/过渡流

100

螺带/杆式

层/过渡流

150

表1.1.3.2-2操作目的和搅拌器各因素关系

操作目的

推荐搅拌器

评估搅拌效果的特性参数

过度搅拌对过程影响

搅拌器的循环流量或剪切力的重要性

均相低粘度液混合

（易溶液体调和）

推进式、轴流旋桨及涡轮式等

混合时间，混合指数，翻转次数，均匀度

无影响，但返混增大

提高循环流量能增大搅拌效果，剪切力影响小

均相高粘度液混合

锚框式、螺带、螺杆、大叶片式等

混合时间，剪切速率，翻转次数，均匀度

依据多数非牛顿流体特性来判断

循环流量及剪切速率均能增大搅拌效果

液-液分散

（不互溶液体混合）

轴流式涡轮、圆盘式涡轮、直叶涡轮等

均匀分散时间，液滴比表面积、平均滴径或滴径分布，分散均匀度

两相再分开困难，返混增大

剪切力用作分裂液滴，循环流动使液滴通过叶轮强剪切区次数增多

气-液分散

气-液吸收

盘式涡轮、大叶片式轴流涡轮等

分散时间,气泡比表面积、平均滴径或滴径分布，溶气率，临界分散转速

生成难于破碎的泡沫及较稳定的小气泡，返混增大

剪切力用作分裂气泡，循环流动使气泡通过叶轮强剪切区次数增多

固-液分散

均化器、锯齿圆盘、胶体磨等

固体破碎程度，粒子分布均匀度、润湿程度

易产生乳化

剪切力用作打散粒子，循环流动使粒子通过叶轮强剪切区次数增多

固-液悬浮

推进式、轴流旋桨、轴流涡轮等

悬浮状态，临界悬浮转速，固液浓度，比表面积

脆性粒子破碎

提高循环流量提高搅拌效果，剪切力无影响

固-液溶解

推进式、轴流旋桨、轴流涡轮等

溶解速度，以固粒表面积为基准的液膜传质系数及总容积传质系数

无影响，离底悬浮即可

提高循环流量提高搅拌效果，剪切力影响有一定影响

固-液结晶

桨式、开启涡轮、推进式加导流筒等

结晶速率，晶粒大小和均匀度

晶粒被破碎，生成大量晶核

提高循环流量提高搅拌效果，剪切力决定晶粒粒径的大小。

固-液浸取

桨式、轴流旋桨等

悬浮状态，固液浓度，比表面积，溶解速度

无影响

提高循环流量提高搅拌效果，剪切力无影响

液-液萃取

轴流旋桨、直叶涡轮、盘式涡轮等

萃取速率，萃取效率，液滴比表面积，液膜传质系数和总容积传质系数

两相再分开困难，返混增大

剪切力用作分裂液滴，循环流动使液滴通过叶轮强剪切区次数增多

液-液乳化

直叶涡轮、均化器、胶体磨、锯齿圆盘等

乳化速率，液滴大小及均匀度

液滴过小

剪切力用作分裂液滴，循环流动使液滴通过叶轮强剪切区次数增多

传热（气、固、液）

推进式、轴流涡轮、布鲁马金、三叶后掠式等

传热速率，液膜传热系数，总传热系数

无影响，

提高循环流量提高搅拌效果，剪切力影响小

反应（气、固、液）

按特定的反应条件要求配给

反应时间，传热、传质要求，翻转次数。

对高分子聚合，转化率、相对分子量及分布为主要指标

据不同反应各有要求

循环流量及剪切力对反应均有影响。

注：

1.对于停留时间很短的快速混合操作，宜选用管道搅拌器。

1.1.5搅拌槽工艺结构设计

根据生产规模和搅拌操作目的确定搅拌槽的形状和尺寸。

在确定搅拌槽容积时应合理选用装料系数，尽量提高设备的利用率。

通常物料装料系数可取0.6~0.85，如果物料容易起泡或沸腾取低值0.6~0.7，当过程平稳或粘度较高可取高值0.8~0.85。

一般搅拌槽高径比为0.8~2.5。

高径比主要考虑对搅拌功率影响、对传热影响、对固液悬浮影响、对反应特性影响等方面。

一般传热要求高、发酵等方面的槽高径比较大，固液悬浮的槽高径比较小。

根据实际经验常用高径比如表1.2.1-1。

表1.2.1-1常用搅拌槽高径比

种类

物料类型

高（液位）径比

一般搅拌槽

液-固体系采用单层搅拌器

0.7~1.0

液-液体系采用单层搅拌器

1.0~1.3

气-液体系一般采用多层搅拌器

1~2

发酵罐

气-液体系一般采用多层搅拌器

1.7~2.5

有传热要求槽

气-液-固体系

1~2

1.1.5搅拌装置安装位置及搅拌器安装尺寸要求

①搅拌装置沿搅拌槽中心轴线垂直安装

如右图所示，大多数搅拌装置采用此种安装方式。

在湍流操作下，搅拌器的层数N=Hρ/D（Ρ为混合物比重），其次搅拌器上下可及范围为4dj，按以上两者计算取大值决定层数，同时浸入深度h一般不小于1.5dj。

对于过渡流、层流及中高粘流体可据实际选取大直径、小间隙叶轮（例如螺带式，锚框式等）。

不同操作各参数间关系按表1.1.5-1选用。

表1.1.5-1湍流操作搅拌器安装尺寸关系

液-液混合及分散

固-液悬浮

气-液分散

桨径dj

离底高C

层间距S

桨径dj

离底高C

层间距S

桨径dj

离底高C

层间距S

0.2~0.4D

0.8~1.5dj

1~2.0dj

0.3~0.6D

0.3~1.0dj

0.5~2.0dj

0.3~0.4

0.8~1.5dj

1.5~2.5dj

粘度低桨径取低值，离底高、层间距粘度低可取高值。

粘度低、固体含量大桨径取大值，层间距反之，离底高以桨叶不埋没在固体沉降层内为准

粘度低、固体含量大桨径取大值，层间距反之，离底高气相进管为准

注：

一般搅拌槽内配有挡板，导流筒等附件。

平行搅拌槽中心轴线偏心安装；倾斜搅拌槽中心轴线安装。

对于部分液液混合、固液悬浮（固体含量少、易悬浮）常采用偏心安装。

偏心距E=1/4~1/2dj；倾斜安装常见便携式搅拌器，夹持罐壁倾斜中心轴线5~10°安装（见图1.1.6-2），搅拌器离底高一般C=1.5~3dj。

此两类安装搅拌器搅拌槽内无须挡板等附件，达到搅拌效果的功耗较中心安装低，其余要求同中心顶入式搅拌。

一般不用于容积稍大的搅拌槽。

3搅拌槽底部安装

底部安装的搅拌槽一般用于顶入安装轴伸长度较大的搅拌槽，用于降低轴长及轴径，其要求同中心顶入式搅拌。

4搅拌槽侧壁安装

侧入式搅拌器常用于中、大型储罐的均质、调和、固液悬浮等，常多个组合使用，针对储槽操作要求不同其安装要求不同，详见图1.1.6-2所示。

以上安装要求是按左旋推进式，从减速机往搅拌器看顺时针旋转的向左偏转安装尺寸，对于搅拌器旋向及转向不同，其偏转方向不同。

搅拌器及轴线夹角一般随罐体直径加大而增大。

1.1.7搅拌附件

1.1.7.1挡板

根据搅拌器及物料特性确定是否需要在搅拌槽内设置挡板来消除打旋现象（见1.1.3节），将切向流转化为径向流和轴向流，增大对流循环及湍流程度，提高搅拌效果。

通常搅拌在全挡板条件下操作，全挡板条件关联式：

（w/D）1.2nb≥0.35……w—挡板宽；D—槽体直径；nb—挡板数量。

按全挡板条件壁挡板所受最大搅拌流体作用力F（圆管可按投影面计算）：

F=16474Psf/nbDn（单位：

N）……Ps—轴功率；n—转速；f—动力因子，一般f=2.0

搅拌容器常见挡板有三种型式：

长条形壁挡板、指状挡板、底挡板。

挡板的数量及其大小以及安装方式都不是随意的。

以下指明普通常见挡板安装要求：

⑴长条形壁挡板有4种图1.1.7.1-1挡板安装方式。

1挡板数量及尺寸

对于小直径槽挡板数量Z=2~4个，大直径槽挡板数量Z=4~6个，一般安装4块即能满足全挡板条件。

挡板宽度w=（1/10~1/12）Di（筒体直径）。

当高粘度流体（μ≥25000CP）时，挡板宽度w取1/20Di。

挡板上端及静液面平（如有浮于液面的不易润湿的固体物料，挡板上端低于静液面100~150mm安装），下端离罐底有一定距离。

②挡板及容器间隙S和设置

．当被搅拌介质粘度μ≤1000CP（低粘度）且介质为液相时，可取图3.3.1-1中（a）安装，可取S=0。

也可按图（b）安装。

．当被搅拌介质粘度μ=1000~25000CP（中粘度）或介质为固-液两相时，可取图3.3.1-1中（b）安装，S=（1/5~1/2）w（一般25≤S≤50）。

．当被搅拌介质粘度μ≥25000CP（高粘度）或介质为固-液两相时，为避免挡板形成死角，可取图3.3.1-1中（c）倾斜安装，S=（1/5~1）w（一般S≥50）。

挡板倾斜方向及液体流动方向同。

除此之外，可取挡板宽度常用值75%来安装。

．当被搅拌介质粘度μ≥50000CP，不设挡板。

因为挡板会干扰高粘流体的流动，降低搅拌效果。

．当被搅拌介质低粘度液-液两相分散时，可取图3.3.1-1中（d）挡板方式安装，w=（1/10~1/12）Di（筒体直径）；e=dj/2；h=dj/2。

dj为搅拌器直径。

3板在容器内设置高度

挡板上端一般及静液面平，当液面有轻质易浮而不易润湿的固体物料时，挡板上端可低于液面100~150mm。

便于润湿固体物料。

挡板下端一般及容器底封头的切线齐平。

对于需要搅拌作用将介质中重相沉淀分离时，挡板下端高于搅拌器。

使容器底部维持水平回转流，有利于重相沉降。

⑵指状挡板

一般在搪玻璃釜中配合三叶后掠式搅拌器使用的一种挡板型式。

这种挡板具有节约动力。

又有利于出现上下循环流的特点。

指状挡板因操作目的不同可有不同的配置方法。

如图3.3.1-2指状挡板的配置方法所示。

⑶底挡板（见图3.3.1-3底挡板）

在固-液悬浮过程中，采用长条形壁挡板容易在桨叶底部形成固体颗粒堆积，采用底挡板就可明显改善这种状况。

一般为四块，十字形安放。

其中h1=0.05Di（筒体直径）；w=0.1Di；φ=dj（搅拌器直径）；C=Di/4；以上适用条件：

Re=（3~6）x104。

1.1.7.2导流筒

导流筒主要用于推进式、螺杆式搅拌器的导流，涡轮式搅拌器有时也有用导流筒的。

对于液-液、气-液相操作导流筒内流体一般向下流动；固-液相结晶操作一般向上流动。

推进式导流筒的几何关系见图1.1.7.2-1，其中dj=0.3~0.35D；C=1.2dj；C1=0.8DJ；h=0.35~0.45H；d’=1.1dj；h1=d’；h2为搅拌器轮毂高度。

螺杆式导流筒，筒径为槽径的0.5~0.7倍，无喇叭口。

其高度及螺杆相同或略高。

1.1.7.3其它附件

许多搅拌槽内都装有许多阻碍水平回转切向流的构件如蛇管、排管、温度计、支撑件等，其挡板条件系数φ≥1.0也可认为具有全挡板作用。

φ=2.5∑F/D2……∑F—垂直于流体切向流的构件投影面积总和D—罐体直径。

1.1.8搅拌的工艺过程的搅拌级别、体积比轴功率选用和其它参数值

针对不同的搅拌工艺过程和强度要求，可按以下表中所述估算完成搅拌工艺过程所需的搅拌轴功率。

表1.3-1常用桨端线速度及体积比功率值（按水溶液或类似溶液）

搅拌方式

缓慢搅拌

普通搅拌

强力搅拌

特强搅拌

高速分散和乳化

桨端线速度m/s

2.0~3.3

3.3~4.2

4.2~6.0

6.0以上

15~30（预分散用小值）

单位体积搅拌功率kw/m3

0.15以下

0.15~1.0

1.0~3.0

3.0以上

5~30

注：

1.针对不同粘度及密度的流体，选用值可适当变动。

2.桨端线速度及体积比功率间不存在一一对应关系。

表1.3-2搅拌常用翻转次数和体积比功率值（按水溶液或类似溶液）

搅拌方式

普通搅拌

强力搅拌

单位体积搅拌功率kw/m3

0.1~0.75

0.75~2.3

翻转次数次/min

3~5

5~10

表1.3-3各种工艺过程常见液体单位体积功率选用推荐值

搅拌工艺过程

液体单位体积功率kw/m3

搅拌工艺过程

液体单位体积功率kw/m3

易溶液体混合（调和）

0.05~0.2（按混合时间）

胶浆絮凝

0.3~0.8（按胶浆粘度）

不互溶液体混合（分散）

0.5~1.2（按密度、张力差）

大型储罐侧搅拌

0.005~0.015（按罐体大小）

固液悬浮（小密度差）

0.2~0.4（按粒径大小）

传热

0.4~1.1（按搅拌器型式）

气液分散和吸收（空气）

0.5~3.0（按通气量大小）

间歇发酵、聚合反应釜

0.5~3（按反应要求）

固体有机物溶解

0.3~0.5（按密度差）

本体聚合反应釜（层流）

5~30（按粘度大小）

固体无机物溶解

0.5~1.1（按密度差）

高速液液乳化

5~30（按乳化液安定程度）

机械爆气

0.010~0.03（按爆气强度）

注：

除注明外，本表推荐值均指液体为湍流操作

表1.3-4搅拌工艺过程要求的搅拌等级

搅拌等级

液液混合

固液悬浮

气液分散

1~2级

适用于低流动速度的工艺过程

①比重差小于0.1互溶液混均。

②粘度比大于1/100互溶液混均。

③不同物料长时间混合均匀。

④混合液体表面产生平稳流动。

适用于最低固液悬浮的工艺过程

①颗粒在容器底部缓慢移动。

②容器底部颗粒可有周期性悬浮沉降。

适用于气液分散不是关键因素的工艺过程

①搅拌器超过临界转速，较低水平的气液分散。

②不受气液传质限制的过程。

3~5级

适用于普通混合搅拌工艺过程

①比重差小于0.5互溶液混均。

②粘度比大于1/1000互溶液混均。

③低粘度液体表面产生小波动。

适用于溶解搅拌工艺过程。

离底固液悬浮

①颗粒离开容器底部悬浮。

②颗粒在1/3液体高度均匀。

③悬浮液可从底部出口排出。

适用于普通气液分散的工艺过程

①可使小气泡达到容器壁。

②可使部分气泡再循环到搅拌器产生再循环。

6~8级

适用于大多数混合搅拌工艺过程

①比重差小于1.0互溶液混均。

②高粘度差互溶液混均。

③低粘度液体表面产生大波动。

适用于大多数固液悬浮搅拌工艺过程。

固液悬浮均匀

①颗粒在95%液体高度均匀。

②悬浮液可从80%液体高度处排出。

适用于常见气液分散的工艺过程

①可使气泡表面积达到一定的传质要求。

②可使多数气泡产生再循环。

9~10级

适用于强烈混合搅拌工艺过程

①比重差较大互溶液混均。

②高粘度差互溶液混均。

③低粘度液体表面产生激烈波动。

适用于完全均匀固液悬浮搅拌工艺过程。

①颗粒在98%液体高度均匀。

②悬浮液可溢流排出。

适用于常见气液分散的工艺过程

①可使气泡表面积达到最大程度。

②可使全部气泡产生再循环。

1.1.9搅拌特性的计算及分析

1.1.9.1搅拌器的特性计算及分析

1搅拌器的轴功率PS计算

．对于低粘流体：

PS=kρNpn3dj5

式中Np—搅拌器功率准数。

其值及搅拌器型式及尺寸、搅拌雷诺数等因素有关。

在Re≥103~104时，绝大多数Np值为一定值。

Np一般分全挡板和无挡板两种，在层流、过渡流（Re≤103~104）时。

Np值的大小相等。

k—校正系数。

其值及槽体形状及尺寸、安装位置、挡板系数、离底高度、内构件等因素有关。

一般在全挡板条件下k=1.0。

ρ—流体混合比重；n—搅拌轴转速；dj—搅拌器直径

．对于高粘流体层流（Re≤30~100）：

PS=Kpn2dj3η

式中Kp—功率常数，针对各类锚框式、螺带式、螺杆式、螺带螺杆式等为定值Kp=ReNp

η—流体粘度

②搅拌器的泵出流量Qd、排出流压头He、循环流量Qc和翻转次数NT、循环次数NTc

搅拌器轴功率经换算PS=QdHeρg

其中Qd=Nqdndj3He=Npn2dj2/Nqdg

Nqd—泵出流量准数；Nqc—循环流量准数。

一般Nqc=1.5~2Nqd，也可按下式计算：

Nqc={1+0.16[（D/dj）2-1]}Nqd

Qc=Nqcndj3

NT=Qd/VNTc=Qc/V……式中V—被搅拌流体的体积

对于高粘流体计算循环量可参见许多研究报告及论文

1.1.9.2其它特性计算

其它计算包括：

搅拌槽传热系数、液-液分散临界转速、比界面积、固-液悬浮临界转速、气液分散临界转速、传质速率等，在有搅拌介质物性参数条件下，可向用户提供计算。

这里从略，可直接向我公司咨询。

1.2搅拌装置机械设计

1.2.1搅拌装置的组成

如图1.2.1-1搅拌装置组图所示，一般由电动机、减速机、机架、传动联轴器、传动上轴轴封、安装底盖、凸缘法兰、釜内内联轴器、搅拌轴、中间轴承、搅拌器、底轴承等零部件组成。

这些零部件大部分均有HG、CD标准，另外浙江长城减速机均有配套的企业标准对应每种零部件。

机架和安装底盖及容器凸缘法兰连接可按样本要求选用不同的连接型式。

一般按功率大小划分常用搅拌装置规格大小如下：

⑴小型搅拌装置：

电动机功率≤5.5kw。

⑵中型搅拌装置：

5.5kw＜电动机功率≤30kw。

⑶大型搅拌装置：

30kw＜电动机功率≤100kw。

⑷特大型搅拌装置：

电动机功率＞100kw

1.2.2搅拌轴机架支点数量及使用条件

用联轴器相连的搅拌传动轴支点方案有五种，现分述如下：

⑴搅拌轴由减速机轴的两轴承支承：

（见图3.2-1搅拌轴支承结构A）

一般适用条件：

小型搅拌装置；LS/L≤3；悬臂长度≤1500mm；承受较小的径向、轴向力。

采用刚性釜外联轴器连接减速机出轴及传动上轴。

⑵搅拌轴由减速机出轴侧轴承及单支点机架上轴承支承：

（见图3.2-2搅拌轴支承结构B）

一般适用条件：

大、中、小型搅拌装置；LS/L≤3；悬臂长度≤3000mm；能承受一定的径向、轴向力。

采用刚性釜外联轴器连接减速机出轴及传动上轴。

⑶搅拌轴由双支点机架上两个轴承支承：

（见图3.2-3搅拌轴支承结构C）

一般适用条件：

中、大、特大型搅拌装置；LS/L=3~4；悬

展开阅读全文