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与费用评估。

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与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 搅拌操作目的与流动状态及物系性质的关系

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= ρd j2n/μ

式中ρ—物料密度；d j—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。

一般用于液液混 转速高低的可操

、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。

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

注：一般搅拌槽内配有挡板，导流筒等附件。

②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。搅拌器与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)1.2 n b≥0.35……w—挡板宽；D—槽体直径；n b—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=16474P s f/ n b Dn （单位：N）……P s—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

i

(筒体直径)。当高粘度流体（μ≥25000CP）

1/20D i。挡板上端与静液面平（如有浮于

的固体物料，挡板上端低于静液面

，下端离罐底有一定距离。

S和设置

μ≤1000CP（低粘度）且介质为液相时，

a）安装，可取S=0。也可按图（b）安装。

μ=1000~25000CP（中粘度）或介质为

3.3.1-1中（b）安装，S=(1/5~1/2)w(一

μ≥25000CP（高粘度）或介质为固-液

3.3.1-1中（c）倾斜安装，S=(1/5~1)w(一般S≥50)。挡板倾斜方向与液体流动方向同。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）D i(筒体直径) ；

e=d j/2；h= d j/2。d j为搅拌器直径。

③板在容器内设置高度

挡板上端一般与静液面平，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。挡板下端一般与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。

1.1.7.2 导流筒

流筒的。对于液-液、气-

操作一般向上流动。推进式导流筒的几何关系见图

dj=0.3~0.35D；C=1.2dj；C1=0.8DJ；h=0.35~0.45H；d’=1.1dj；

拌器轮毂高度。螺杆式导流筒，筒径为槽径的0.5~0.7

与螺杆相同或略高。

1.1.7.3 其它附件

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）

注：1. 针对不同粘度及密度的流体，选用值可适当变动。

2. 桨端线速度与体积比功率间不存在一一对应关系。

1.1.9 搅拌特性的计算与分析

1.1.9.1 搅拌器的特性计算及分析

①搅拌器的轴功率P S计算

．对于低粘流体：P S=kρN p n3d j5

式中N p—搅拌器功率准数。其值与搅拌器型式及尺寸、搅拌雷诺数等因素有关。在Re≥103~104时，绝大多数N p值为一定值。N p一般分全挡板和无挡板两种，在层流、过渡流（Re≤103~104）时。N p值的大小相等。

k—校正系数。其值与槽体形状及尺寸、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；d j—搅拌器直径

．对于高粘流体层流（Re≤30~100）：P S=K p n2d j3η

式中K p—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K p= ReN p η—流体粘度

②搅拌器的泵出流量Q d、排出流压头H e、循环流量Q c和翻转次数N T、循环次数N Tc

搅拌器轴功率经换算P S=Q d H eρg

其中Q d=N qd nd j3H e = N p n2d j2/ N qd g

N qd—泵出流量准数；N qc—循环流量准数。一般N qc =1.5~2 N qd，也可按下式计算：

N qc ={1+0.16[(D/d j)2-1]} N qd

Q c=N qc nd j3