第七章、搅拌反应器放大设计

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搅拌反应器放大设计
几何相似放大准则举例
槽容积放大125倍时各混合参数的变化
模试槽 0.019 m3 Pv恒定 D P Pv N Qd V Nd Re Qd 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 5.0 125 1.0 0.34 0.34 1.7 8.5 42.5 工业槽 2.37m3 Qd V恒 定 5.0 3125 25 1.0 1.0 5.0 25.0 125 N d恒定 5.0 25 0.2 0.2 0.2 1.0 5.0 25 Re恒定 5.0 0.2 0.0016 0.04 0.04 0.2 1.0 5.0 参数
10-2 10-1 1 10 102 103 104
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新 立 式 搅 拌 器
泛能式、最大叶 片式、叶片组合 式 超级叶片式 EKATO 同轴 前进式（AR） 锥螺带（VCR） 扭格子式 复动式 多臂行星式 均质器 真空乳化釜
新 卧 式 搅 拌 器
砂磨机 LIST-AP BIVOLAK SCR HVR CONTERNA 捏和机
LIAS-AP
瑞士LIST全相型
BIVOLAK
(住友重机全相型)
CONTERNA
(德国连续 捏和机)
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搅拌反应器放大设计
搅拌反应器设计的基础
• 搅拌器的选型原则？ • 搅拌反应器的放大准则？
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搅拌器的分类选型
流动状态 高粘 对 搅拌器型 式 流 循 环 涡轮式 桨式 推进式 折叶开启 涡轮式 布尔马 金式 锚式 螺杆式 螺带式 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 1～100 1～50 1～50 1～100 0.5～50 0.5～50 100 100 100
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非几何相似放大法
不是在放大过程中简单地要求某个混合参数 （如PV、Nd等）恒等便能解决放大问题。
有时要求一个混合参数的某个幂值恒等 可能同时还要求另一个混合参数需大于某个临界值 有时还可能要有第三和第四个需同时满足的条件 更复杂的情况是随反应的进行物料的物性发生变化， 这时放大准则也要相应改变。如在聚合初期与聚合 后期可能需要不同的搅拌转速。
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对策1：非几何相似放大
几何相似放大法通常仅适合于简单的物理过 程，对于聚合反应这样的复杂过程无能为力。
几何相似仅是简化放大计算的手段，反应器 放大设计完全没有必要被几何相似所制约。
反应器非几何相似放大的实质——使工业反 应器中尽可能多的混合参数与中试相同，从 而能使工业中更好地重复中试的过程结果。
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“放大问题”的转移
过程结果： 速率、收率、质量 影 响
过程状态： 温度、浓度、传质、剪切
如何实现温度、浓度、传质 和剪切的相同？
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搅拌反应器放大的实现策略
不同规模反应器中温度、浓度、传质和剪切 率的完全相同实际上是不可能的！ 放大技术的主要手法就是千方百计使工业反 应器中的温度、浓度、传质和剪切率这四者 的平均值及其分布与中试反应器相近。 许多场合并非要求工业反应器中重现中试反 应器的所有过程结果，有些反应也并不对上 述四个量都敏感，放大设计就有可能简化。
进一步，反应器放大时可采用一切物理的和化 学的手段，必要时可在一定范围内改变配方。
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例1：整体流速法（低粘均相）
搅拌 等级 整体 流速
（m／s）
说明
《Chemical Engineering》杂志在1976年发表
1级和2级搅拌适用于要求最低整体流速的工艺过程，2级搅拌的能力为： ①可将液体相对密度差小于0.1的互溶液体混合均匀； ②如果大量的液体的粘度小于其它液体粘度的1／100时，可把互溶液体 混合均匀； ③可使不同批量的液体物料在较长的时间内达到混合； ④可使混合物料表面产生平稳的流动。 3至6级搅拌适用于化工中大多数混合操作，6级搅拌的能力为： ①可将液体相对密度差小于0.6的互溶液体混合均匀； ②如果大量的液体的粘度小于其它液体粘度的1／10000时，可把互溶液 体混合均匀； ③可使小于2％的、沉降速度为0.0102~0.0203 m／s的微量固体悬浮； ④可使粘度较低的液体表面产生小的波动。 7至10级搅拌适用于要求高整体流速的工艺过程，如要求强烈搅拌的反 应器，10级搅拌的能力为： ①可将液体相对密度差小于1.0的互溶液体混合均匀； ②如果大量的液体的粘度小于其它液体粘度的 1／100000时，可把互溶 液体混合均匀； ③可使小于2％的、沉降速度为0.0203~0.0305 m／s的微量固体悬浮； ④可使粘度较低的液体表面产生激烈的湍动。
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例2：氯乙烯悬浮聚合反应器放大
放大准则： 液液分散，颗粒大小与形态 PV=1~1.2 kW/m3 聚合物分子量（全槽温差小于0.2℃） 循环次数NC大于每分钟7次 反应器高空时产率 有足够的传热能力（内夹套） 复合引发剂，均匀放热
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搅拌器选型
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1 2
0.0305 0.0610
3 4 5 6
0.0914 0.112 0.152 0.183
7 8 9 10
0.213 0.244 0.274 0.305
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非几何相似放大－整体流速法
对于均相混合搅拌槽，用整体流速的设计法 可以看作最简单的非几何相似放大法。该法 适用于不同尺寸、不同搅拌器（低粘）。 按上表，若要达到6级混合强度，只要整体 流速达到0.183m/s便可。可以使用A310 叶轮，也可使用45°折叶涡轮，甚至可使用 标准盘式涡轮，当然使用不同叶轮其能耗有 很大差别。
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问题的提出：
3. 几何相似放大的缺陷：
误区：几何相似＝动力相似
释：几何相似条件下若Re和Fr都相等，则动力相似。然而，Re = d2 N r / h ，Fr = d N2 /g，除非(h/r)2/(h/r)1=(D2/D1)3/2，否 则不可能Re和Fr同时相等。
单位体积传热面积的下降，反应器内热传导距 离增加 单位体积传质界面的减少（脱挥？），传质路 径增加 仅单一特征混合参数的相同
湍 流 扩 散 ○ ○ ○ ○ ○
○ ○ ○ ○ ○
注:有○者为合用，表元中空白者为不详或不合用。
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低粘度
推进式
高粘度
传 统 叶 轮
齿片式 桨式、涡轮式 三叶后掠式 螺带和螺杆式 INTERMIG MIG 锚式、框式 新轴向流叶轮 、
搅拌器的 粘度选型
常见物质的粘度
水：约1mPa· s 低粘乳液：约数 mPa· s 重油：约数十 mPa· s 润滑油：约 0.1Pa· s 蜂蜜：约 1 Pa· s 涂料：约数 Pa· s 油墨：约数十 Pa· s 牙膏：约 50 Pa· s 口香糖：约 100 Pa· s 嵌缝胶：约 千 Pa· s 塑料熔体：近万Pa· s 橡胶混合物：近万Pa· s
0.5~1.1
N d (与Pv等效)
1.1 2 4 3
3 2
5. 使液滴分散的最小转速 N d
3
N d
Nd或N d (Qd/V)
0.24
Pv
0.11
或N d
3
2
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问题的提出：
1. 反应器选型与设计强烈依赖经验和实 验，对其的优劣很难用理论预测。 2. 逐级放大来以达到搅拌设备被要求的 传质、传热和混合，周期长、耗费大。
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反应器放大基本准则
rA kC k0 e
n A

E
RT
C
n A
• 影响过程结果的因素有温度、浓度、传质 和剪切率（非均相）四个变量。 • 若工业反应器中每个反应单元的温度、浓 度、传质和所受剪切率与小试或中试一样， 工业反应器的过程结果必然与小试或中试 相近，放大问题就解决了。
×

取不同的放大准则可使过程能耗相差很大，必须予以重视。 保持Qd／V 恒定（即翻转次数恒定）的放大法是最耗能的放大法。 而保持Re恒定，一般不能重现过程结果。 实用的放大法是保持Pv恒定或Nd恒定，或取二者之间。
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搅拌反应器放大设计
反应器传热能力变化(湍流)
槽径 放大 倍数 3 5 10 r N3 d2恒定 h 0.885 0.836 0.774 r -1/9 Q V 0.295 0.167 0.077 r -10/9 Nd恒定 h 0.693 0.585 0.464 r -1/3 Q V 0.231 0.117 0.046 r -4/3 N 0.81d0.32恒定 h 1.086 1.128 1.189 r0.075 Q V 0.361 0.226 0.119 r-0.925
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常用的几何相似放大准则
着眼的过程
1. 均一系混合速度 2. 分散相混合速度 3. 对应的流速一定 4. 同一液滴直径 6. 相际传质速度 7. 固液悬浮 8. 溶解速度
放大过程中需保持恒等的量（准则）
(Qd/V) Pv N d
0.33
Pv
0.16
(与N
0.81 0.32
d
等效)
常用的挡板：
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搅拌反应器放大设计
常用的内冷管：
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搅拌反应器放大设计
带刮壁机构的导流筒
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新型 立式 搅拌
最大叶片式 泛能式 叶片组合式 扭格子式 锥螺带 (VCR)
前进式(AR)
EKATO同轴
多臂行星式
真空乳化釜
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搅拌反应器放大设计
新型卧式搅拌