【搅拌器设计-连载6】搅拌器的选型和转速计算-气液分散和混合

【搅拌器设计-连载6】

搅拌器的选型和转速计算-气液分散和混合

一、气液分散混合

在非均相的气液搅拌操作过程中，其目的可能仅为分散，也可能是通过气液分散而进行传质、反应或传热。气体在通入液体后，如无搅拌器的搅拌作用，气体将以较大的气泡直接由下而上通过液体而逸出。在这种情况下，气体和液体之间没有进行良好的接触，将不能达到预先设计的化工工艺过程。通过搅拌器的旋转作用，一方面将液体中的大气泡打碎，可增加气液两相的接触表面积；另一方面，在液体的旋转翻腾作用下，可增加气体与液体的接触时间。在这两方面中，将大气泡打碎，增加两相的接触表面积是主要的。

当搅拌器在含有气体的液体中旋转时，将通过两种方式使气体分散。第一种方式是搅拌器直接将一部分气泡打碎；第二种方式，由于在旋转搅拌器的叶片背面存在负压而形成气穴，气穴在随搅拌器旋转时，在气液两相惯性力的作用下被破碎，变成小气泡。这些小气泡被叶轮排出后，随液体流动而到达搅拌槽内的气体区域。同时，其他区域内的气体和液体又被吸入叶轮区，重复上述过程。在搅拌槽内远离搅拌器的区域，一部分已被打碎的小气泡会重新聚并。当气泡被打碎和聚并的两个相反过程达到相对平衡时，搅拌操作即进入稳定状态。在这个气体分散过程中，第二种过程是起决定作用的。如在物料中加入某些表面活性剂，则可有效降低远离搅拌器区域中小气泡的聚并。

二、搅拌器选型和转速计算

2.1、搅拌器选型

对于气液分散的搅拌操作，一般应选择直叶或折叶的圆盘涡轮式搅拌器。这种搅拌器的结构尺寸和安装尺寸可按下述条件确定：

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1.0时，应采用两个搅拌器；当H与D之比超过1.6时，应考虑采用三个搅拌器。

③ 搅拌器中心线至槽底部的距离c可取槽内径的1/3。

④ 应安装挡板，并符合全挡板条件。

⑤ 当气体从搅拌器下方通入时，应在搅拌器下面设置环形气体分布管，其中心线直径小于容器直径的1/4。如果气体分布管小孔极易堵塞，可采用通气管直接将气体通入叶轮下部中央。

 

2.2、转速计算

在通气速率一定的条件下，当搅拌器的转速较低，没有达到一定值时，可以看到，大部分气泡没有被打碎，直接从通入口上升到液面而逸出，这种现象称为气泛。当搅拌器的转速达到一定值时，气泛现象会消失。这时，气泡会被打碎，并在搅拌器的搅拌作用下，流动到槽壁处。但在槽内的某些区域，气泡仍不能到达，如在叶轮的下方。继续增大搅拌器的转速，气泡会变得更小，同时，气泡会分布到整个槽内的所有区域，这时，称达到了完全分散状态。使气泛现象正好消失时的搅拌转速称为泛点转速N_F，而达到完全分散状态时的转速称为临界分散转速N₀。从气泛现象消失到完全分散状态之间有一个过渡区，在这个过渡区内，当搅拌器转速提高时，液体中的持气量Φ也会增加。当处于完全分散状态以后，再提高搅拌器的转速，持气量将基本不变。实验表明，一般情况下，气液操作的合适载气条件较窄，在一定操作条件下，搅拌器的泛点转速N_F与临界分散转速N₀相差不大。另外，通气速率越大，搅拌器的泛点转速N_F与临界分散转速N₀也越大。

气液分散操作中，有关文献对搅拌器泛点转速的计算式介绍较多，对于六直叶圆盘涡轮可用式1计算

式1

 

式中σ——表面张力，N/m；

ρ——液体的密度，kg/m3；

uog——表观气速，uog= Qg/At，m/s；

Qg——通气速率，m3/s；

At——搅拌槽横截面积，m2。

如要求操作达到完全分散状态，则可用式2估算所需要的搅拌器转速N₀

_式2

 

式2的误差范围为-20%～7%，故如使用该式确定搅拌器转速时，可将计算结果乘以1.1即能满足要求。一般在确定气液操作中搅拌器的转速时，以使转速稍大于临界分散转速N₀为宜。如还需使液面上的气体被上层搅拌器吸入时，则还应使搅拌器的转速不小于式3所算得的值N*

式3

 

式中H——液面高度，m；

C——搅拌器离槽底的距离，m。

当需要通过气液相搅拌操作来完成传质或反应等工艺过程时，对于给定的介质，单位时间内所需要的传质量与搅拌器的转速有一定的关联，有关文献中也给出了部分介质和搅拌器条件的关联式。但这些关联式的正确度较差，计算过程也很麻烦，在工程中使用有较大的困难。一般来说，除了气液分散之外，如对传质或反应有更高要求时，还应以实验或实测结果来作为工程设计时确定搅拌器转速的依据。

2.3、总结

当不要求搅拌器将液面上的气体吸入时，可用式1和式2来确定搅拌器的转速，取两式中算得的大值。当然，一般应是式2算得的值较大。当还要求搅拌器将液面上的气体也吸入时，则还需用式3计算，然后取其中的大值。

也可选用半管式圆盘涡轮搅拌器进行气液分散的搅拌操作，实践证明该种搅拌器的效果良好，并具有较低的功率特征数，在确定其转速时，可参照圆盘涡轮的计算式。