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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。

涡轮式搅拌器的分类及特点

涡轮式搅拌器随叶片形状和安装的角度不同其名称和用途也不同。从安装形式上看有两大类，一类是有一个圆盘安装在轮毂上，叶片再安装在圆盘上，称圆盘涡轮式机械搅拌器．另一种是叶片直接安装在轮毂上，称开启涡轮式搅拌器。若叶片垂直安装的称径向流涡轮，叶片倾斜安装的称轴向流涡轮。若叶片呈弯曲形的还可称作弯曲叶涡轮。　涡轮式搅拌器的叶径与罐径之比通常为0.25-0.5，转速为50-300dmin．适应的高黏度为30Pa.s左右。

通常弯曲叶径向流涡轮的叶片是用钢板弯曲制成的，有些场合用压扁的圆管来制作弯曲形叶片，并且为了能使叶轮能贴近罐底的封头安装，将叶片略向上翘（上翘角约15度左右），叶片有二叶、三叶和四叶的，其中以三叶的用得多，且往往叶片的倾角不足90度而是75度-80度，习惯上常将此类叶轮称为后掠式叶轮。三叶后掠式叶轮还被称作法武都拉式(Pfaudler)叶轮，因为它是法武都拉公司开发的，它常与指形挡板配合用于混合、传热、悬浮、气体吸收和乳化。三叶后掠式叶轮还常用于搪玻璃搅拌釜中。

高黏度流体搅拌器的设计要素

高黏度流体的搅拌器设计，一直是搅拌混合领域中一个很重要的课题。

在我们用多种叶轮对高黏度牛顿流体以及非牛顿流体的混合进行了试验后发现，一个的高黏度液体搅拌器，至少具备两个条件：1.叶轮能提供强有力的剪切，这是减小浓度斑尺寸即分离尺寸的必要条件，如前所述，只有浓度斑足够小，才能产生大面积的界面，促进分子扩散，从而快速达到分子级的混合效果，例如螺带式叶轮和锚式叶轮，通常其d/D都在0.9/0，97左右，即都是所谓近壁型叶轮，机械搅拌器立足市场，在叶轮端部与罐壁之间会产生强烈的剪切，在此消耗了搅拌功率的90%左右。2.由于高剪切区总是只占有罐体积的一小部分，因此只有叶轮能使液体在罐内进行快速的循环，使高剪切区和低剪切区的液体快速交换，才能使全罐快速地达到均匀混合。

长久以来，业内存在这样一种观点，对于近壁型搅拌器，其剪切总是足够的，决定搅拌器混合能力的是叶轮的循环能力，并且还认为要达到全罐均匀混合，液体至少要在罐内循环三次。因此，哪种叶轮能以短时间完成三次循环，那一种叶轮便是混合速率快的叶轮。这一结论，长时间以来被应用在搅拌器的设计中。然而近年来一些具有复杂传动机构的搅拌器，如在回转的同时进行上、下移动的复动搅拌器和使叶轮往复摆动的往复式搅拌器等，此类搅拌器会产生速度脉动，此类速度脉动，我们可以将其理解为液体在一定方向上的周期性的较为激烈的变化，事实证明速度脉动对于促进混合有很大作用。速度脉动原来是湍流操作特有的现象，然而，复动式搅拌器和往复式搅拌器以其上、下往复运动或正、反转运动，在高黏度液体中产生了强的速度脉动，从而获得了高的混合效率。因此可以将剪切、循环和速度脉动归结为快速混合的二要素。这二要素是开发新型高黏度液体搅拌器的依据。