【搅拌器设计-连载3】搅拌器的选型和转速计算---均相液液混合

【搅拌器设计-连载3】搅拌器的选型和转速计算---均相液液混合

一、搅拌器的选型

参与均相液液混合的液体必然是互溶的流体，搅拌操作的目的是使两种或两种以上的互溶物料达到分子级的均匀混合。互溶物料之间不存在物相界的分界面，在混合过程中对物料流动时的剪切速率要求不高，所需要的主要是能使搅拌液体产生较好的循环流动，因此对于低黏度流体来说，推进式搅拌器应是首选。

 

1、当介质的混合黏度小于等于0.2Pa·s时，首选推进式搅拌器。搅拌器的结构尺寸和安装尺寸应符合以下要求：

1）搅拌器直径与槽内径的比值约为1/3。

2）当液面高度H与槽内径D之比超过1.3时，应考虑采用两个搅拌器。

3）搅拌器叶轮中心线至槽底部的距离c可取槽内径的1/3。

4）对中央进入式搅拌器，应采用挡板，并符合全挡板条件，即挡板宽度为D/12、挡板数为4～6块时，对罐顶侧入式搅拌器，在搅拌器进入侧的另一侧应安装一块宽度为D/10的挡板，挡板与槽壁的间隙约为D/72。

2、当介质的混合黏度符合0.1Pa·s＜μ_m≤20Pa·s时，可选用桨式搅拌器。其结构尺寸和安装尺寸应符合以下要求：

1）桨叶直径与槽内径之比可取1/3～1/2。

2）当液面高度H与槽内径D之比超过1.0时，应考虑采用两个搅拌器。

3）搅拌器叶轮中心线至槽底部的距离c 可取槽内径的1/3。

4）应采用挡板，并符合全挡板条件。

3、当介质的混合黏度符合5.0Pa·s＜μ_m≤20Pa·s时，可考虑选用锚式或框式搅拌器。

4、当介质的混合黏度大于20Pa·s时，应使用螺杆式、螺带式或螺带加螺杆式搅拌器。

一般当搅拌槽内径不大于600mm时，可用螺杆式；当搅拌槽内径为700～1100mm时，可用螺带式；而当搅拌槽内径超过1100mm时，为了保证在槽内不出现搅拌死角，应选择螺带加螺杆式搅拌器。

如选用螺杆式搅拌器，一般必须用导流筒。螺带式和螺杆式搅拌器的直径与槽内径之比可参照【搅拌器设计之一】的内容。

 

二、转速计算

对于不同黏度的物料以及在不同的流动状态下，宏观混合过程和微观混合过程所需要的时间是有区别的。有研究表明，对于如水等低黏度流体，在湍流状态下，两种物料块团间的分子量级的扩散过程作用很快。因此，调和操作所需要的时间将主要由宏观混合过程所决定。而对于高黏度流体在层流状态下的搅拌操作，宏观混合过程和微观混合过程所需要的时间大致相当。

对宏观混合过程起主要作用的是搅拌槽内物料的循环流动，即物料在搅拌叶轮高速旋转的作用下而排出，然后又被叶轮吸入，反复这样进行的过程。物料在搅拌槽内的循环流量与桨叶的排出量有关系，为了研究叶轮的排出量和对物料所形成的循环流量，定义两个无量纲特征数。

排量特征数：

循环量特征数：

式中Qd---搅拌器的排量，m³/s

Qc---搅拌器的循环量，m³/s

Dj---搅拌器的直径，mm

N---搅拌器的转速，r/s

实验证明，这两个特征数均与搅拌器的结构型式和雷诺数Re有关，且在湍流区，各种桨叶的这两个特征数都各自保持为定值。因此，这两个特征数可以反映流体的宏观混合过程。

均相液液混合操作的效率可用混合时间数来表示，即 

式中Tm---完成液液混合操作所需要的时间（简称均化时间），s

混合时间数θ越小，表明该搅拌器的搅拌效率越高。从上式可以看出，混合时间数θ的物理意义是完成液液调和操作搅拌器所需要转过的圈数。通过对实验数据进行分析，得到的结论是，在给定搅拌器的结构尺寸和雷诺数Re＞5×10³的范围条件（即流体流动为湍流状态）下，混合时间数θ是一个常数，且可用下面（公式1）表示：

 

式中k---常数，可取k=0.092；

Dj---搅拌器直径，mm；

D---搅拌槽内径，mm；

Nqd---排量特征数，估算时可取Nqd=0.4；

Np---功率特征数（【搅拌设计之七】会讲到），可取Np=0.32。

（公式1）中，排量特征数Nqd表示搅拌器在一定转速下排出物料的能力，该值与搅拌器的结构和雷诺数Re有关。如图1所示为开启式四叶折叶涡轮搅拌器的Nqd-Re关系曲线。当流体为高黏度时，流动状态一般为层流。此时，由实验证明搅拌时间数与雷诺数Re无关，而仅与搅拌器的结构型式有关，螺带式和螺杆式搅拌器的搅拌时间数TmN见表1，可供设计时参考。图1

 

推进式和桨式搅拌器的转速都可由上面的（公式1）确定。对于推进式搅拌器，一般还应验算流体的流动是否在湍流状态，即应满足：

 

对于用于高黏度流体的搅拌器，许多实验结果都表明，混合所需要的时间与搅拌器转速的乘积为一定值，（表1）所列为螺杆式和螺带式两种结构的TmN值。可利用该表来确定螺带式和螺杆式搅拌器的转速。对于螺带加螺杆式搅拌器，也可参照（表1）中螺带式搅拌器的TmN值来确定其转速。由于螺杆式或螺带式搅拌器都不适合在较高转速下工作，为避免所需的搅拌功率过大和使高黏度流体在流动时形成沟流，一般还应限制雷诺数Re在300以下。

表1

 

注：导流筒D39;/D=0.7；偏心安装e/dj=0.083；h表示桨叶在搅拌轴向的高度；D表示搅拌槽的直径；e表示桨叶离搅拌槽内壁的间隙；s表示螺距；b表示叶片宽度。

对于锚式或框式搅拌器，可通过控制其叶端线速度≤5m/s来确定其转速。在雷诺数不小于100且不大于1000的范围内，也可利用下式确定锚式或框式搅拌器的转速。

 

式中Tm——均化时间，s；

N——搅拌器转速，r/s；

Re——雷诺数。