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拌装置中的搅拌体系分析

今天我们来分享一下搅拌器放大过程中的搅拌体系分析。通常来说，搅拌器的搅拌体系中某一点的状态可以通过一系列状态变量来表示。如温度、压力、流速、浓度等。作为一种基本方法，一个复杂的体系常常可以分解成几个简单的子体系进行实验和分析，从而使所获得的基本数据更有表征的价值，如在小试和模试中通常将反应和传递因素进行单独研究。但是被分离的变量之间常常存在互动和耦合效应，所以中试时经常将它们重新合并研究。如果两个子体系之间的连接是单方向的（比如i到j，j体系的输入=i体系的输出），则两个体系通常是独立的。对于两个变量是明显互相耦合在一起的，要避免将它们分离研究，或必须研究它们之间的耦合效应。举例来说，可以将一个复杂的化工过程分成进料段、反应段和后处理段进行分离研究，其中搅拌器的反应器往往是复杂的单元器，但难以再继续细分。

当体系确定，输入变量、输出变量、作用参数等随之可以确定。比如，输入变量可以包括进料中的化学组成和纯度等。输出变量可以包括流出物的化学组成，流出速率等。作用参数包括进料速率、催化剂类型、反应器进口温度、反应器进口压力、再循环流率等。当完成对子体系的定义后，需要对单个子体系进行研究，即小试研究。当小试完成后，需要考虑放大到模试。在模试阶段，除了考虑与小试过程同样关心的变量——转化率外，还要考虑副反应问题、热力学平衡、物理性质、化学平衡、热传递、相间和相内的质量传递、流体或固体的流动等。

如何通过搅拌器搅拌高黏流体

工业生产中高黏度流体的使用日渐增多，不锈钢搅拌器，许多高分子聚合物都是高黏度流体，它们很多又是非牛顿流体，在搅拌器的搅拌过程中黏度还会发生变化，因而对搅拌器的要求就更高，同时，也要求搅拌器能够适应黏度的变化而完成搅拌操作。

高黏流体的搅拌常泛指互溶的高黏度液体间的混合。但高黏流体搅拌在工业中也有分散、固体溶解、化学反应等多种非均相操作。

搅拌器工作时，用搅拌器对低黏度互溶液造成湍流并不困难，但黏度达到较高水平后，由于黏滞力的影响，就只能出现层流状态。尤其困难的是，这种层流也只能出现在搅拌器的附近，离桨叶稍远些地方的高黏度液体仍是静止的。这样就很难造成液体在搅拌器内的循环流动，即在器内会有死区存在，对混合、分散、传热、反应等各种搅拌过程十分不利。所以，高黏度液体搅拌的首要问题就是要解决流体流动与循环的问题。在这种情况下，不能靠增大搅拌器的转速来提高搅拌器的循环流量，因为流体黏度较高时，搅拌器排出的流量很少，转速过高还会在高黏度溶液中形成沟流，而周围液体仍为死区。较为有效的解决办法是设法使搅拌器推动更大范围的流体。因此，高黏度液体的搅拌器直径与器内径之比、桨叶的宽度与器内径之比都要求比较大，有时还要求增加搅拌器的层数，以增大搅拌范围。

为区分叶轮排演的流向特点，根据主要排液方向将典型叶轮分成径流型和轴流型两种。平叶的桨式、涡轮式是径流型，螺旋面叶片的螺杆式、推进式是轴流型。折叶桨则居于两者之间，一般认为它更接近于轴流型。不过这种分法是近似的，是以主要流向来分的。

搅拌雷诺数是搅拌罐内液体流动状态的一种量度。图2—2形象地表示了八平直叶涡轮和螺带式叶轮在不同雷诺数下，搅拌罐内的液体的流动状态。

对于涡轮式叶轮，若叶轮转速很低，在Re不大于10的区域，仅叶轮周围韵液体随叶轮旋转，而远离叶轮的液体是停滞的，如图中-A1所示，因而混合效果很差，混合时间也非常长，桨式搅拌器，见虚线(1)。在此区内，液体的流动是层流，叶轮旋转的阻力主要是黏滞阻力。因而N与Re成反比，如曲线(2)。叶轮旋转引起的离心效应可忽略不计，排出流量，见曲线(3)。

当Re增加到大于10，螺带式搅拌器，涡轮式叶轮旋转所产生的离心力就不可忽视。此离心力产生了排出流量，使角动量传递到远处的液体。这样远离叶轮的液体开始流动，而使Nv- Re曲线偏离曲线(2)的延伸线。在此区内，马鞍山搅拌器，如曲线(3)所示，曲线上升的坡度很陡，混合大为改善，但在靠近叶轮上下部分仍然出现环形的停滞流区。

当Re数增加到数百，涡轮式叶轮周围的液流变成湍流。在区域c，排出流量显著增加，曲线(3)达到了大值。在区域A和B中观察副的停滞区已消失。Re进一步增加，湍流域逐渐扩大，直至终湍流域占完全优势。因此区域c是一个层流和湍流共存的过渡区。

在无挡板时，在Re约为90的过渡流域，涡轮式叶轮的排出流达到大值；而在有挡板时，排出流量在湍流域达到大。