第五章攪拌聚合釜內(nèi)流體的流動(dòng)與混合第六章攪拌聚合釜的傳熱與傳質(zhì)第五章1第五章第一節(jié)概述工業(yè)上聚合反應(yīng)器種類很多，釜式反應(yīng)器(簡稱攪拌釜)應(yīng)用最普遍，約占聚合反應(yīng)器的80％。在聚合物生產(chǎn)過程中，除聚合釜外，還有許多帶有攪拌裝置的容器，如原料配制槽、加料槽、凝聚槽、漿料沉析槽和貯槽等?；どa(chǎn)過程中，經(jīng)常有液-液、氣-液、液-固以及氣-液-固多相體系的混合問題。機(jī)械攪拌是解決混合問題的重要裝置。攪拌兼有混合、攪動(dòng)、懸浮、分散等多種功能。第五章第一節(jié)概述工業(yè)上聚合反應(yīng)器種類很多，釜式反應(yīng)器(2聚合反應(yīng)工程課件3攪拌器的功能混合：使兩種或多種互溶或不互溶液體按工藝要求混合均勻的操作，如溶液、懸浮液、乳液等的配制。攪拌：使物料強(qiáng)烈地流動(dòng)，以提高傳熱、傳質(zhì)速率的操作。懸?。菏剐」腆w顆粒在液體中均勻懸浮、以達(dá)到加速溶解、強(qiáng)化浸取、促進(jìn)液-固相反應(yīng)、防止沉降等目的的操作。分散：使氣體、液體在流體中充分分散成細(xì)小的氣泡或液滴，增加相接觸表面，以促進(jìn)傳質(zhì)或化學(xué)反應(yīng)，并滿足聚合物對(duì)粒度要求的操作。攪拌器的功能混合：使兩種或多種互溶或不互溶液體按工藝要求混合4為滿足上述要求，攪拌器應(yīng)具有下述作用(1)推動(dòng)液體流動(dòng)，混勻物料。(2)產(chǎn)生剪切力，分散物料并使之懸浮。(3)增加流體的湍動(dòng)，以提高傳熱速率。(4)加速物料的分散和合并，增大物質(zhì)的傳遞速率。(5)在高粘體系，更新表面，促使低分子物(如水、單體、溶劑等)逸出。攪拌器通常兼有以上多種功能和作用。例如，在苯乙烯懸浮聚合過程中，攪拌兼有混合(引發(fā)劑與單體)、剪切分散（單體液滴分散在水相中)、懸浮及提高傳熱系數(shù)等作用。為滿足上述要求，攪拌器應(yīng)具有下述作用5為滿足各種生產(chǎn)過程對(duì)攪拌的不同要求，攪拌器應(yīng)具有一定的幾何形狀和技術(shù)特性，如攪拌槳葉的型式尺寸轉(zhuǎn)速并配以適當(dāng)?shù)膿醢逍问脚c尺寸。掌握這些技術(shù)特性及其放大規(guī)律，對(duì)完善設(shè)計(jì)非常重要。為滿足各種生產(chǎn)過程對(duì)攪拌的不同要求，攪拌器應(yīng)具有一定的幾何形6第二節(jié)攪拌釜內(nèi)流體的流動(dòng)狀況攪拌的各種作用均需依靠流體的流動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。流體的流動(dòng)與許多因素有關(guān)，包括：釜體與攪拌器等釜內(nèi)構(gòu)件(擋板、導(dǎo)流筒)設(shè)置、結(jié)構(gòu)（幾何型式、尺寸）安裝位置操作條件(轉(zhuǎn)速)所處理物料的物性等。第二節(jié)攪拌釜內(nèi)流體的流動(dòng)狀況攪拌的各種作用均需依靠流體的7流體的流動(dòng)狀況（簡稱流況）的定義為“在整個(gè)攪拌容器中流體速度向量的方向”。在攪拌釜中流體的流況可以分為兩個(gè)層次：宏觀狀況宏觀流動(dòng)微觀狀況微觀流動(dòng)這兩種流況反映了攪拌的效果。流體的流動(dòng)狀況（簡稱流況）的定義為“在整個(gè)攪拌容器中流體速度8一、循環(huán)流動(dòng)與剪切流動(dòng)宏觀流動(dòng)是指流體以大尺寸(凝集流體、氣泡、液滴)在大范圍(整個(gè)釜內(nèi)空間)流動(dòng)狀況，也稱循環(huán)流動(dòng)。循環(huán)流動(dòng)存在三種典型的流況：徑向流動(dòng)軸向流動(dòng)切向流動(dòng)一、循環(huán)流動(dòng)與剪切流動(dòng)宏觀流動(dòng)是指流體以大尺寸(凝集流體、氣9徑向流動(dòng)流體的流動(dòng)方向垂直攪拌軸，沿徑向流動(dòng)碰到釜壁轉(zhuǎn)向上、下兩股再回到槳葉端，不穿過槳葉片，而形成上、下兩個(gè)循環(huán)流動(dòng)。

圖5-1徑向流動(dòng)

徑向流動(dòng)流體的流動(dòng)方向垂直攪拌軸，沿徑向流動(dòng)碰到釜壁轉(zhuǎn)向上、10軸向流動(dòng)流體的流動(dòng)方向平行攪拌軸，流體由槳葉推動(dòng)，使流體向下流動(dòng)，碰到釜底再翻上，形成上下循環(huán)流動(dòng)。

圖5-2軸向流動(dòng)

軸向流動(dòng)流體的流動(dòng)方向平行攪拌軸，流體由槳葉推動(dòng)，使流體向下11切線流動(dòng)流體繞軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，也稱旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速較高時(shí)，液體表面會(huì)形成漩渦。圖5-3切線流動(dòng)切線流動(dòng)流體繞軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，也稱旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速較高時(shí)，12軸向流動(dòng)及徑向流動(dòng)對(duì)混合有利，能起混合攪動(dòng)及懸浮作用。而切線流動(dòng)則對(duì)混合不利！需設(shè)法消除。軸向流動(dòng)及徑向流動(dòng)對(duì)混合有利，能起混合攪動(dòng)及懸浮作用。13微觀流動(dòng)

微觀流動(dòng)是指流體以小尺寸(小氣泡、液滴分散成更小的微滴)在小范圍(氣泡、液滴大小的空間)中的湍動(dòng)狀況。微觀流動(dòng)是由于攪拌槳的剪切作用而引起的局部混合作用；可促使氣泡、液滴細(xì)微化，最后經(jīng)分子擴(kuò)散達(dá)到微觀混合。當(dāng)攪拌具有一定粘度的流體時(shí)，隨液體流速增加，產(chǎn)生速度梯度使液體變形，同時(shí)產(chǎn)生流速的漲落，因而形成湍動(dòng)。這種湍動(dòng)在結(jié)構(gòu)上可視為許多小渦旋，它對(duì)其中或周圍的液體微元產(chǎn)生剪切作用，使其被撕成微滴。微觀流動(dòng)微觀流動(dòng)是指流體以小尺寸(小氣泡、液滴分散成更小的14微觀流動(dòng)的作用促使局部混合及異相表面更新，對(duì)促進(jìn)傳熱、傳質(zhì)、分散微粒也有利。在攪拌槳葉葉端附近及擋板處微觀流動(dòng)作用最強(qiáng)烈。雖然攪拌槳葉型式千差萬別，在攪拌釜中都存在循環(huán)流動(dòng)與剪切流動(dòng)，只是二者的比重有所不同。對(duì)以循環(huán)流動(dòng)為主的槳葉，稱為循環(huán)型槳葉；若以剪切流動(dòng)為主的槳葉，稱為剪切型槳葉。微觀流動(dòng)的作用促使局部混合及異相表面更新，對(duì)促進(jìn)傳熱、傳質(zhì)、15二、攪拌雷諾數(shù)與流態(tài)為定量地分析攪拌槳葉的特性，經(jīng)常用無因次準(zhǔn)數(shù)進(jìn)行研究。主要有以下代表釜內(nèi)流體特性的準(zhǔn)數(shù)：粘性力的攪拌雷諾數(shù)：NRe=Dvρ/μ＝D·DN·ρ/μ＝ρND2/μ(5-1)動(dòng)力特性的功率準(zhǔn)數(shù)：Np＝P/(ρN3D5)(5-2)循環(huán)特性的排出流量數(shù)：Nqd＝qd/(ND3)(5-3)混合特性的混合時(shí)間數(shù)：NθM=NθM(5-4)傳熱特性的努塞爾準(zhǔn)數(shù)等式中，P為功率消耗，qd為槳葉的排出流量，θM為混合時(shí)間。二、攪拌雷諾數(shù)與流態(tài)為定量地分析攪拌槳葉的特性，經(jīng)常用無因次16攪拌雷諾數(shù)NRe在攪拌釜內(nèi)，常以槳葉的端速ND作為定性速度，所以攪拌雷諾數(shù)定義為：NRe=Dvρ/μ＝D·DN·ρ/μ＝ρND2/μ(5-1)式中，D為槳葉直徑，N為攪拌器轉(zhuǎn)速，ρ為流體的密度，μ為流體的粘度。攪拌雷諾數(shù)不僅決定攪拌釜內(nèi)流體流動(dòng)的流態(tài)(層流、過渡流、湍流)，而且對(duì)攪拌器的特性和行為也有決定性作用。

攪拌雷諾數(shù)NRe在攪拌釜內(nèi)，常以槳葉的端速ND作為定性速度，17圖5-4為攪拌釜內(nèi)流體的流態(tài)、動(dòng)力循環(huán)和混合特性。依雷諾數(shù)不同，釜內(nèi)流體流動(dòng)有不同的流態(tài)。圖5-4攪拌釜內(nèi)液流的流態(tài)、動(dòng)力循環(huán)和混合特性曲線圖5-4為攪拌釜內(nèi)流體的流態(tài)、動(dòng)力循環(huán)和混合特性。圖5-418

A區(qū)間(NRe＜10)液體僅在槳葉附近呈滯流旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，槳葉無液體吐出，釜內(nèi)的其余部分為液體停滯區(qū)(即死角)。B區(qū)間(NRe～10)當(dāng)雷諾數(shù)達(dá)數(shù)十時(shí)，自槳葉端開始有吐出流產(chǎn)生，并引起整個(gè)釜內(nèi)流體的上下循環(huán)流動(dòng)(可能尚存在四周死角)，此時(shí)處于層流。A區(qū)間(NRe＜10)液體僅在槳葉附近呈滯流旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，19C區(qū)間(NRe100～1000)此時(shí)處于過渡流態(tài)，即在槳葉周圍液體為湍流狀態(tài)，上下循環(huán)流仍為滯流，隨雷諾數(shù)增大，其湍動(dòng)程度增大。D區(qū)間(NRe>1000)整個(gè)釜內(nèi)的上下循環(huán)流動(dòng)都處于湍流狀態(tài)。無擋板時(shí)會(huì)引起漩渦。當(dāng)槳葉直徑D與釜徑T之比D/T＜0.1時(shí)，釜內(nèi)流體雖為湍流狀態(tài)，但上下循環(huán)流不會(huì)遍及整個(gè)釜內(nèi)，易出現(xiàn)死角。C區(qū)間(NRe100～1000)此時(shí)處于過渡流態(tài)，即在20由于攪拌槳葉特性與釜內(nèi)流體的流態(tài)有密切關(guān)系，在設(shè)計(jì)攪拌槳葉、釜型及釜內(nèi)部構(gòu)件時(shí)：首先應(yīng)使釜內(nèi)沒有死角，在釜內(nèi)任何地方都有流體流動(dòng)很難做到！其次依操作目的，使釜內(nèi)液體形成有效的流況和適當(dāng)?shù)牧鲬B(tài)相對(duì)容易做到。由于攪拌槳葉特性與釜內(nèi)流體的流態(tài)有密切關(guān)系，在設(shè)計(jì)攪拌槳葉、21三、擋板與導(dǎo)流筒1．擋板1.1打漩現(xiàn)象當(dāng)流體粘度不大，攪拌轉(zhuǎn)速較高，且槳葉在釜的中心線時(shí)，液體將隨槳葉漩轉(zhuǎn)的方向循釜壁滑動(dòng)，釜內(nèi)液體在離心力作用下涌向釜壁，使液面沿釜壁上升，中心部分的液面下降，形成一個(gè)漩渦的現(xiàn)象。圖5-5打漩現(xiàn)象俯視圖(b)側(cè)視圖三、擋板與導(dǎo)流筒1．擋板圖5-5打漩現(xiàn)象22打漩時(shí)；液體只隨槳葉旋轉(zhuǎn)而不產(chǎn)生橫向或垂直的上下運(yùn)動(dòng)，沒有發(fā)生混合的機(jī)會(huì)。隨攪拌轉(zhuǎn)速加大，漩渦中心下凹到與槳葉接觸。此時(shí)，外面的空氣可進(jìn)入槳葉而被吸到液體中，槳葉所接觸的是密度較小的氣液混合物，從而降低了攪拌效果。攪拌軸偏心安裝時(shí)，能減弱漩渦，提高軸向循環(huán)速率；但如果安裝位置選擇不當(dāng)，會(huì)造成更大的打漩和反常漩渦，對(duì)攪拌軸造成危險(xiǎn)的應(yīng)力。打漩時(shí)；液體只隨槳葉旋轉(zhuǎn)而不產(chǎn)生橫向或垂直的上下運(yùn)動(dòng)，沒有發(fā)23消除漩渦的方法有效的方法之一是在釜內(nèi)安裝擋板。通常安裝四塊擋板擋板的寬度為釜徑的1/10-1/12。若攪拌漿料時(shí)，擋板與釜壁之間應(yīng)留一定的空隙，以防止固體物料的沉積。圖5-6安裝擋板后的流況

消除漩渦的方法有效的方法之一是在釜內(nèi)安裝擋板。圖5-624擋板的主要作用一、使流況從主要是生成渦流或漩渦的旋轉(zhuǎn)流，改變?yōu)閷?duì)混合有利的垂直流動(dòng)，也即將切線流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向流動(dòng)或徑向流動(dòng)，這對(duì)于增強(qiáng)釜內(nèi)液體的對(duì)流擴(kuò)散、軸向流動(dòng)和徑向流動(dòng)都有效；二、增大被攪拌液體的湍動(dòng)程度，從而改善攪拌效果。如有必要，擋板可以制成空心狀(內(nèi)冷擋板)，內(nèi)部能通傳熱介質(zhì)，這樣既可改善攪拌效果又能增加傳熱而積。擋板的主要作用一、使流況從主要是生成渦流或漩渦的旋轉(zhuǎn)流，改變25擋板的其它形式：如在釜中垂直安裝的換熱管、溫度計(jì)套管也能起擋板的作用，但不及通常的擋板有效。螺旋形蛇管也能產(chǎn)生有限的擋板效應(yīng)，這種效應(yīng)因裝設(shè)蛇管的垂直支撐構(gòu)件而略有增加，但往往還需要另裝擋板。擋板的其它形式：262．導(dǎo)流筒另一種消除漩渦的方法是使用導(dǎo)流筒。圖5-7表示導(dǎo)流筒的安裝方式及流動(dòng)情況。圖5-7導(dǎo)流筒安裝方式(a)螺旋槳導(dǎo)流筒(b)透平槳導(dǎo)流筒2．導(dǎo)流筒另一種消除漩渦的方法是使用導(dǎo)流筒。圖5-7導(dǎo)流27導(dǎo)流筒的安裝對(duì)于推進(jìn)式攪拌器，導(dǎo)流筒套在槳葉的外面。對(duì)于渦輪式攪拌器，導(dǎo)流筒置于槳葉的上方。如攪拌釜內(nèi)有緊密卷繞的蛇管也可起導(dǎo)流筒的作用。一般導(dǎo)流筒須將攪拌釜截面分成面積相等的兩部分。即：導(dǎo)流筒的直徑約為釜徑的70％。導(dǎo)流筒的安裝對(duì)于推進(jìn)式攪拌器，導(dǎo)流筒套在槳葉的外面。28設(shè)置導(dǎo)流筒的作用1.可提高釜內(nèi)流體的攪拌強(qiáng)度，加強(qiáng)槳葉對(duì)流體的直接剪切作用。2.造成一定的循環(huán)流型，使釜內(nèi)所有物料均可通過導(dǎo)流筒內(nèi)的強(qiáng)烈混合區(qū)，提高混合效率。3.限定循環(huán)路徑，減少短路機(jī)會(huì)。設(shè)置導(dǎo)流筒的作用1.可提高釜內(nèi)流體的攪拌強(qiáng)度，加強(qiáng)槳葉對(duì)流體29第三節(jié)攪拌器的構(gòu)形及選擇一、攪拌器的構(gòu)形（分類）攪拌器是實(shí)現(xiàn)攪拌操作的設(shè)備總稱，從不同角度可有不同的分類方法。按槳葉構(gòu)形可分為槳式渦輪式(透平)推進(jìn)式(螺旋槳)螺桿(螺軸)螺帶式等形式。第三節(jié)攪拌器的構(gòu)形及選擇一、攪拌器的構(gòu)形（分類）30按物料流動(dòng)的流況可分為徑向流動(dòng)型軸向流動(dòng)型按攪拌功能又可分為液體混合或乳化型固體顆粒懸浮型氣-液接觸型化學(xué)反應(yīng)型傳熱型等形式。在化工操作中，一般按槳葉的構(gòu)形加以分類。

按物料流動(dòng)的流況可分為31主要攪拌器槳葉構(gòu)形（一）

主要攪拌器槳葉構(gòu)形（一）32聚合反應(yīng)工程課件33主要攪拌器槳葉構(gòu)形（二）圖5-9三葉后掠式及布魯馬金式槳葉構(gòu)形主要攪拌器槳葉構(gòu)形（二）圖5-9三葉后掠式及布魯馬金式槳342．槳式攪拌器凡槳葉的構(gòu)形為平槳、斜槳、錨形槳或框形槳者均屬槳式攪拌器。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)速低、槳葉面積大。槳葉旋轉(zhuǎn)時(shí)，平板槳面與軸平行，液體僅以切線方向離開槳葉，主要形成水平液流，攪動(dòng)不激烈。為增加軸向流動(dòng)，可將平槳傾斜一定角度而成斜槳，此時(shí)槳葉面與軸不平行，旋轉(zhuǎn)時(shí)液流除形成切向流動(dòng)外，還形成向上或向下的垂直液流，攪拌較激烈。

2．槳式攪拌器凡槳葉的構(gòu)形為平槳、斜槳、錨形槳或框形槳者均屬35槳式攪拌器的特點(diǎn)平槳或斜槳的剪切作用較強(qiáng)，槳葉的轉(zhuǎn)速通常為20～200轉(zhuǎn)/分。適用于粘度為0.1～102Pa·s的液體攪拌。在無擋板條件下，轉(zhuǎn)速高時(shí)會(huì)形成漩渦。對(duì)于高粘度液體的攪拌，可按照釜底部的形狀把槳式攪拌器做成錨式或框式。這種槳葉與釜壁的間隙小，一般槳徑與釜徑之比為0.95。槳式攪拌器的特點(diǎn)平槳或斜槳的剪切作用較強(qiáng)，槳葉的轉(zhuǎn)速通常為236槳式攪拌器的特點(diǎn)高粘液體的攪拌，需要轉(zhuǎn)速低、剪切作用小，但要求攪動(dòng)范圍很大，不易產(chǎn)生死區(qū)。對(duì)必須通過釜壁傳熱的情況，可利用槳葉的刮掃作用來防止攪拌器與釜壁之間產(chǎn)生滯流層，從而促進(jìn)傳熱宜采用錨式或框式攪拌器。當(dāng)粘度高于103Pa·s時(shí)，由于功率消耗太大，一般就不宜采用錨式或框式攪拌器。

槳式攪拌器的特點(diǎn)高粘液體的攪拌，需要轉(zhuǎn)速低、剪切作用小，但要372．推進(jìn)式攪拌器標(biāo)準(zhǔn)的推進(jìn)式攪拌槳有三瓣葉片，其螺距S與槳徑D相等。攪拌時(shí)，流體的流況復(fù)雜：液體由槳葉上方吸入，從下方以圓筒狀螺旋形排出，即驅(qū)使流體向下流動(dòng)，軸向分速度使液體沿軸向流動(dòng)，待流至釜底再沿壁折回返至螺旋槳上方，形成軸向循環(huán)流動(dòng)，同時(shí)，也存在部分徑向液流。推進(jìn)式槳葉造成流動(dòng)的湍流程度不高，但循環(huán)量大，無擋板時(shí)，也會(huì)形成漩渦。2．推進(jìn)式攪拌器標(biāo)準(zhǔn)的推進(jìn)式攪拌槳有三瓣葉片，其螺距S與槳徑382．推進(jìn)式攪拌器推進(jìn)式槳葉直徑較小，通常采用較小的D/T比，直徑一般不大于0.4m。推進(jìn)式攪拌器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，制造方便。適用于液體粘度低，液量大的液體攪拌，利用較小的攪拌功率通過高速轉(zhuǎn)動(dòng)的槳葉獲得較好的攪拌效果。推進(jìn)式攪拌器的剪切作用不大，循環(huán)性能好，屬于循環(huán)型攪拌器。2．推進(jìn)式攪拌器推進(jìn)式槳葉直徑較小，通常采用較小的D/T比，393.渦輪式攪拌器又稱透平攪拌器，能有效地完成幾乎所有的攪拌操作，并能處理粘度范圍很廣的液體，槳葉形式很多，有開式和閉式兩大類。根據(jù)槳葉葉片的形狀和位置，又有平直葉片彎曲葉片傾斜葉片圓盤平直葉片圓盤彎葉圓盤斜葉等。3.渦輪式攪拌器又稱透平攪拌器，能有效地完成幾乎所有的攪拌操40渦輪式攪拌器的特點(diǎn)從流動(dòng)情況看，渦輪式攪拌器像一只無泵殼的離心泵。物料被抽吸后，在離心力作用下，液體作切向和徑向流動(dòng)，并以很高的絕對(duì)速度從出口沖出。出口液體的徑向分速度使液體流向壁面，然后分成上、下兩路回流入攪拌槳葉，形成徑向流況的循環(huán)流動(dòng)，徑向流動(dòng)與釜壁和轉(zhuǎn)軸垂直，并在釜壁附近折轉(zhuǎn)為向上、下垂直流動(dòng)。既有垂直液流，又有徑向液流，使液體有良好的從頂?shù)降椎姆D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，有利于混合。渦輪式攪拌器的特點(diǎn)從流動(dòng)情況看，渦輪式攪拌器像一只無泵殼的離41渦輪式攪拌器的特點(diǎn)渦輪式攪拌器的剪切力較大，可使液體微團(tuán)分散得很細(xì)，適用于低粘到中粘液體的混合液-液分散液-固懸浮及促進(jìn)良好的傳熱、傳質(zhì)或化學(xué)反應(yīng)。彎葉（指葉片朝著流動(dòng)方向彎曲）可降低功率消耗，適用于含有易碎固體顆粒的液體攪拌。渦輪式攪拌器的特點(diǎn)渦輪式攪拌器的剪切力較大，可使液體微團(tuán)分散42渦輪式攪拌器的特點(diǎn)斜槳渦輪的排液能力較小，但由于旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的軸向流動(dòng)分量，有助于固體顆粒的懸浮。槳葉可做成閉式，即于槳葉上下兩側(cè)加蓋板，與離心泵的閉式葉輪相似。蓋板可用于控制抽液和排液，如在渦輪上面加裝蓋板，抽吸液體被限制在渦輪的底部。渦輪式攪拌器的特點(diǎn)斜槳渦輪的排液能力較小，但由于旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的434．螺桿及螺帶式攪拌器當(dāng)攪拌粘度大于10Pa·s的液體時(shí)，宜采用螺桿和螺帶式攪拌器。通常將螺桿槳置于釜中心，釜內(nèi)設(shè)置離壁擋板或?qū)Я魍?，提高釜?nèi)液體的攪拌強(qiáng)度并造成一定的循環(huán)流型，提高混合效率。螺帶式攪拌器適用于粘度極高的場合(如達(dá)103Pa·s)。具體構(gòu)形有單螺帶雙螺帶四螺帶螺桿/螺帶式等。

4．螺桿及螺帶式攪拌器當(dāng)攪拌粘度大于10Pa·s的液體時(shí)，宜44聚合反應(yīng)工程課件45螺桿/螺帶式攪拌器旋轉(zhuǎn)時(shí)內(nèi)螺桿迫使液體向下運(yùn)動(dòng)外螺帶則使液體向上運(yùn)動(dòng)，從而可使液體充分混合，不致產(chǎn)生停滯區(qū)。外螺帶還可與釜內(nèi)壁很好地吻合，直接刮掃釜壁上的液體，有利于夾套式攪拌釜的傳熱。螺桿/螺帶式攪拌器旋轉(zhuǎn)時(shí)46二、攪拌器的選用攪拌器選用首先應(yīng)滿足下列要求：(1)保證物料的混合(2)消耗最少的功率(3)所需費(fèi)用最低(4)操作方便，易于制造和維修。上述各條也是評(píng)價(jià)攪拌器性能的主要根據(jù)。

二、攪拌器的選用攪拌器選用首先應(yīng)滿足下列要求：47聚合反應(yīng)工程課件48聚合反應(yīng)工程課件49聚合反應(yīng)工程課件50選用攪拌器的一般原則

(1)假如生產(chǎn)上對(duì)攪拌沒有特殊要求，則可參照生產(chǎn)時(shí)所使用的類似攪拌器經(jīng)驗(yàn)地選定。(2)對(duì)攪拌有嚴(yán)格的要求，又無類似過程的攪拌型式可供參考時(shí)，則應(yīng)針對(duì)設(shè)備、工藝過程的操作類別、攪拌的要求及經(jīng)濟(jì)性作全面的分析評(píng)價(jià)，找到操作的主要控制因素，然后選擇相適應(yīng)的攪拌器型式。(3)對(duì)于過程開發(fā)或生產(chǎn)規(guī)模很大的工程，需經(jīng)試驗(yàn)研究，確定最佳的攪拌器槳葉形式、尺寸及操作條件，再用適當(dāng)?shù)姆糯蠓椒ㄟM(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。選用攪拌器的一般原則(1)假如生產(chǎn)上對(duì)攪拌沒有特殊要求，則51選用攪拌器的一般原則1．均相液體混合型攪拌器選擇均相液體混合的主要控制因素是容積循環(huán)速率。假如對(duì)達(dá)到完全混合的時(shí)間沒有嚴(yán)格要求(如貯槽)，任何一般類型的攪拌器都可以選用。槳式攪拌器結(jié)構(gòu)簡單，可優(yōu)先予以考慮。如果要求快速混合，則可選用推進(jìn)式或渦輪式。對(duì)于粘度較高的體系，可根據(jù)粘度值和釜的容積大小來選用。選用攪拌器的一般原則1．均相液體混合型攪拌器選擇522．非均相液體的混合(分散操作)混合的目的是使互不相溶的液體能良好地分散。為保證液體能分散成細(xì)滴，要求有較大的剪切力和容積循環(huán)速率。所以，非均相液體混合的主要控制因素是液滴的大小(分散度)及容積循環(huán)速率。渦輪式槳葉具有較大的局部剪切作用和容積循環(huán)速率，對(duì)此類操作效果較好。當(dāng)分散粘度較大的液體時(shí)，可采用彎葉渦輪，以減少動(dòng)力消耗。2．非均相液體的混合(分散操作)混合的目的是使互不相溶的液體533.固體懸浮保證固體顆粒均勻分散和不沉降的主要控制因素是容積循環(huán)速率及湍流程度?？筛鶕?jù)固體顆粒的性質(zhì)選用攪拌器。當(dāng)固體粒徑和固液密度差較大，可選用開式渦輪；粒徑和固液密度差較小，可選用平槳；推進(jìn)式適用于固液密度差小的攪拌。當(dāng)釜體較長時(shí)，可采用多層槳攪拌。3.固體懸浮保證固體顆粒均勻分散和不沉降的主要控制因素是容積544．氣體吸收及氣液相反應(yīng)這類操作主要保證氣體進(jìn)入液體后被打散，進(jìn)而能形成更小的氣泡并能使氣泡均勻地分散。故控制因素是局部剪切作用、容積循環(huán)速率及高轉(zhuǎn)速。圓盤式渦輪最理想。

4．氣體吸收及氣液相反應(yīng)這類操作主要保證氣體進(jìn)入液體后被打散555.高粘度體系控制因素是容積循環(huán)速率并需低轉(zhuǎn)速。由于體系的粘度大，靠單一的徑向流動(dòng)和軸向流動(dòng)不能適應(yīng)混合的需要，此時(shí)要有大的面積推動(dòng)力。隨著粘度的增大可依次選用下列攪拌器：透平、錨式、框式、螺桿、螺帶、特殊型高粘度攪拌器5.高粘度體系控制因素是容積循環(huán)速率并需低轉(zhuǎn)速。56圖5-10、5-11攪拌器選型指南

圖5-10、5-11攪拌器選型指南57第四節(jié)攪拌功率的計(jì)算攪拌器所需功率由三方面構(gòu)成：(1)攪拌器所消耗的能量，即攪拌器推動(dòng)液體流動(dòng)所需的能量；(2)攪拌軸封所消耗的能量；(3)機(jī)械傳動(dòng)所消耗的能。其中，所需功率以攪拌器軸功率為主。軸封所消耗能量在使用填料密封時(shí)，一般為攪拌器軸功率的10～15％；機(jī)械端面密封時(shí)一般約為攪拌器軸功率的為2％。機(jī)械傳動(dòng)效率一般為0.8～0.95。第四節(jié)攪拌功率的計(jì)算攪拌器所需功率由三方面構(gòu)成：58計(jì)算攪拌功率的目的

(1)攪拌功率是衡量攪拌強(qiáng)度的主要物理量。(2)攪拌功率是攪拌器機(jī)械設(shè)計(jì)的基本數(shù)據(jù)。(3)根據(jù)攪拌功率為攪拌電機(jī)選用提供依據(jù)。計(jì)算攪拌功率的目的(1)攪拌功率是衡量攪拌強(qiáng)度的主要物理量59一、攪拌過程的因次分析因次分析所依據(jù)的基礎(chǔ)是因次的一致性，即每一個(gè)物理方程式，其兩端不僅數(shù)值相等，而且因次也相等。在許多情況下，由于研究的對(duì)象過于復(fù)雜，所涉及各個(gè)因素之間的關(guān)系尚不能用簡單的微分方程加以描述或微分方程過于復(fù)雜，難以求解。通常的處理方法是將物理量與影響因素之間的關(guān)系寫成一般的不定函數(shù)形式，然后根據(jù)這些物理量的基本因次將它們組合為一個(gè)或幾個(gè)無因次組(即數(shù)群)。由于因次論不是從所研究的物理現(xiàn)象的本質(zhì)出發(fā)，而只是單純依靠各物理量間的因次關(guān)系的分析，故所得到的無因次數(shù)群不一定有明確的物理意義。一、攪拌過程的因次分析因次分析所依據(jù)的基礎(chǔ)是因次的一致性，即60在研究攪拌軸功率P時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)它與下面幾個(gè)變量有關(guān)：攪拌器轉(zhuǎn)速N攪拌器槳葉直徑D液體密度ρ液體粘度μ重力加速度g在研究攪拌軸功率P時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)它與下面幾個(gè)變量有關(guān)：61假定與幾何構(gòu)型有關(guān)的參數(shù)(如釜徑、槳葉寬度、擋板尺寸、液深等)嚴(yán)格地與槳葉直徑D成比例則攪拌軸功率P與上述變量的函數(shù)關(guān)系可寫成P=f(N,D,ρ,μ,g)(5-5)寫成指數(shù)形式：P＝KNaDbρcμdge(5-6)式中，K為常數(shù)a、b、c、d、e為指數(shù)。根據(jù)因次關(guān)系，上式可表示為ML2/t3=(1/t)a(L)b(M/L3)c(M/Lt)d(L/t2)(5-7)假定與幾何構(gòu)型有關(guān)的參數(shù)(如釜徑、槳葉寬度、擋板尺寸、液深等62由因次一致性，經(jīng)整理可得：(5-8)式中：p＝-d，q＝-e。用無因次數(shù)群表示時(shí)，上式可寫成NP=KNRepNFrq(5-9)式中：NP=P/(ρN3D5)攪拌功率準(zhǔn)數(shù)NRe=ρND2/μ攪拌雷諾數(shù)NFr=DN2/g攪拌弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)由因次一致性，經(jīng)整理可得：63若把幾何因素加以考慮，式(5-9)可寫成更普遍的形式：NP=KNRepNFrqf(D/T,b/T,H/T,Kb,θ……)(5-10)功率準(zhǔn)數(shù)與雷諾準(zhǔn)數(shù)及弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)的關(guān)系式是攪拌功率計(jì)算的基礎(chǔ)。當(dāng)幾何構(gòu)形一定時(shí)，若以功率函數(shù)表示，則式(5-9)可簡化為：NP=KNRepNFrqφ＝NP/NFrq=f(NRe)也即功率函數(shù)Φ是攪拌雷諾數(shù)的函數(shù)。若把幾何因素加以考慮，式(5-9)可寫成更普遍的形式：64二、均相流體攪拌功率的計(jì)算把功率函數(shù)Φ或功率準(zhǔn)數(shù)Np與雷諾數(shù)NRe值在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上標(biāo)繪，所得曲線稱為功率曲線。各種攪拌器的功率準(zhǔn)數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系大體相似，對(duì)于一個(gè)具體的幾何構(gòu)形只有一條功率曲線，它與攪拌釜的大小無關(guān)，但不同幾何構(gòu)形的攪拌槳葉各有特定的功率曲線。圖5-12為某攪拌槳葉的典型功率曲線。

圖5-12攪拌釜的NP～NRe曲線

二、均相流體攪拌功率的計(jì)算把功率函數(shù)Φ或功率準(zhǔn)數(shù)Np與雷諾數(shù)65由圖5-12可見，功率曲線可分為三個(gè)區(qū)域：1．NRe＝l～10(AB段)：在此區(qū)域中，所用攪拌器的功率曲線斜率為-1的直線，為攪拌的層流區(qū)。此時(shí)釜內(nèi)呈粘性力占優(yōu)勢(shì)的粘性流動(dòng)，重力影響可忽略，即不考慮NRe的影響。層流時(shí)的功率準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式可表示為：NP=Φ＝KNRe-1，NP=P/(ρN3D5)P=KμN(yùn)2D3(5-10)式中，K為常數(shù)與攪拌條件有關(guān)。式(5-10)顯示，層流時(shí)在一定的攪拌轉(zhuǎn)速下，功率消耗與液體粘度成正比，而與液體的密度無關(guān)。由圖5-12可見，功率曲線可分為三個(gè)區(qū)域：662．NRe＝10～103(BC段)：在此區(qū)域中，流體從層流過渡到湍流，稱為攪拌過渡區(qū)，各種尺寸或各種構(gòu)形槳葉的BC段不同。3．NRe＞103(CD段)：在此區(qū)域內(nèi)為湍流區(qū)，功率曲線呈一水平直線。在全擋板釜時(shí)，液體不形成漏斗狀下陷漩渦，可不考慮重力的影響，此時(shí)功率準(zhǔn)數(shù)NP為常數(shù)，所以P=K1ρN3D5(5-11)式中，K1為常數(shù)。2．NRe＝10～103(BC段)：在此區(qū)域中，流體從層流67由式(5-11)即：P=K1ρN3D5，可以看出：湍流時(shí)，全擋板釜的攪拌功率消耗與液體密度成正比，而與液體的粘度無關(guān)。由大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累，已歸納出不同攪拌槳葉的常數(shù)K及Kl值，如表5-1所示（p155）。對(duì)于無擋板釜，當(dāng)NRe＜300時(shí)，液體不形成漩渦，此時(shí)可不考慮重力影響。但當(dāng)NRe＞300時(shí)，將產(chǎn)生漩渦，重力影響顯著，此時(shí)式(5－9)（NP=KNRepNFrq)中的指數(shù)q≠0，q值由下式計(jì)算：q＝(α-lgNRe/β)(5-12)由式(5-11)即：P=K1ρN3D5，可以看出：68表5-1、表5-2表5-1、表5-269針對(duì)各種槳葉的攪拌特性，許多研究者提出了各種功率曲線圖可供使用。其中，較通用的是由Rushton等人提出的功率函數(shù)Φ～NRe曲線，如圖5-13所示（p155）。

針對(duì)各種槳葉的攪拌特性，許多研究者提出了各種功率曲線圖可供使70提示：利用功率曲線圖計(jì)算攪拌功率消耗時(shí)，應(yīng)注意圖中各曲線的適用范圍，如果應(yīng)用時(shí)與圖5-13中所列條件偏離較遠(yuǎn)時(shí)，將會(huì)引起較大的誤差。提示：71

[例5-1]

在一直徑為1.2m，液深為1.2m，內(nèi)裝有4塊擋板(Bw/T＝0.10)的反應(yīng)釜內(nèi)，反應(yīng)液的密度為1300kg/m3，粘度為13×10-3Pa·s，今用一三葉推進(jìn)式攪拌器(D＝0.4m，S/D＝1)以300轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速進(jìn)行攪拌，計(jì)算(1)攪拌軸功率消耗。(2)若改用同樣直徑的六葉平直圓盤渦輪，轉(zhuǎn)速不變，攪拌功率是多少？(3)若釜內(nèi)不設(shè)擋板，仍采用六葉平直圓盤渦輪時(shí)，其攪拌功率是多少?[例5-1]在一直徑為1.2m，液深為1.2m，內(nèi)裝有72[解]:

(1)計(jì)算攪拌雷諾數(shù)由圖5-13曲線2得Φ＝0.32，因有擋板，NRe＞103，Np=Φ·NFrq=Φ=0.32（q＝0）(2)由5-13曲線6查得Φ＝6.3，NP=Φ=6.3[解]:73(3)無擋板，NRe＞300，有漩渦，查表5-2得α＝1.0，β＝40.0，代入式(5-12)計(jì)算指數(shù)q：由圖5-13曲線5查得Φ＝1.2，

(3)無擋板，NRe＞300，有漩渦，查表5-2得α＝1.074三、非均相體系攪拌功率計(jì)算對(duì)于氣-液、液-液、液-固等非均相體系，其攪拌功率計(jì)算一般可參照均相液體攪拌功率的計(jì)算方法，并加以修正。1．氣-液體系液體中通入氣體，降低了被攪拌液體的有效密度，因此也就降低了攪拌功率。永田對(duì)六葉渦輪攪拌釜在廣泛通氣流率范圍內(nèi)研究了對(duì)攪傳功率的影響，得到如下關(guān)聯(lián)式(5-19):三、非均相體系攪拌功率計(jì)算對(duì)于氣-液、液-液、液-固等非均相75式(5-19)中，Pg和P0分別為通氣和不通氣條件下的攪拌功率，q為通氣速率[m3/s]。Calderbank用六葉平直渦輪在全擋板攪拌釜中研究了通氣系數(shù)G與攪拌功率的關(guān)系，得到如下關(guān)聯(lián)式:Pg/P0=1-1.26G;G<3.6×10-2(5-20)Pg/P0=0.62-1.85G;3.6×10-2<G<11×10-2

(5-21)式中，G=q/ND3，見圖5-14（p158）。顯然，只要算出不通氣時(shí)均相液體的攪拌功率，通過該式（圖）就能方便地計(jì)算通氣條件下的攪拌功率。式(5-19)中，Pg和P0分別為通氣和不通氣條件下的攪拌功76當(dāng)大量通入氣體時(shí)，開始出現(xiàn)大氣泡，功率消耗不再明顯變化，該狀態(tài)稱“液泛”。圖5-14攪拌的功率比Pg/P0與通氣系數(shù)G的關(guān)系Pg/P0當(dāng)大量通入氣體時(shí)，開始出現(xiàn)大氣泡，功率消耗不再明顯變化，該狀77第五節(jié)

攪拌器的流動(dòng)特性及轉(zhuǎn)速計(jì)算

在攪拌器作用下，流體在釜內(nèi)按一定的流況作循環(huán)流動(dòng)，攪拌器的流動(dòng)特性也稱循環(huán)特性，是影響攪拌效果的重要因素。一、攪拌器的循環(huán)特性攪拌槳葉旋轉(zhuǎn)時(shí)，液體從中心吸入，經(jīng)離心力作用從葉端排出，如同離心泵一樣將液體泵出。單位時(shí)間內(nèi)從槳葉排出的流量qd稱為攪拌槳葉的排出流量或泵送能力。

第五節(jié)

攪拌器的流動(dòng)特性及轉(zhuǎn)速計(jì)算在攪拌器作用下，流體78排出流量qd可按液體離開槳葉的平均速率u和槳葉掃過面積的乘積來計(jì)算。槳葉掃過的面積與槳葉直徑D2成正比，而平均速率又正比于葉端速度(πND)，故可得qd=Nqd·ND3(5-38)式中的比例系數(shù)Nqd稱為排出流量數(shù)或泵送準(zhǔn)數(shù)。排出流量數(shù)Nqd包含了流體的流速和攪拌器的泵送能力，反映了攪拌的劇烈程度。排出流量數(shù)與功率準(zhǔn)數(shù)相類似，也是攪拌雷諾數(shù)的函數(shù)。排出流量qd可按液體離開槳葉的平均速率u和槳葉掃過面積的乘積79渦輪攪拌器

排出流量數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系

圖5-17渦輪攪拌器排出流量數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系

渦輪攪拌器

排出流量數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系圖5-17渦輪攪拌器排80在層流時(shí)，qc≈qd；湍流時(shí)，qc＞qd。與排出流量數(shù)相類似，可用循環(huán)流量數(shù)Nqc來表征攪拌槳葉的循環(huán)特性Nqc=qc/ND3(5-40)在湍流域時(shí)，它們的關(guān)系為Nqc=Nqd{1+0.16[(T/D)2-1]}(5-41)影響Nqd及Nqc的主要因素是雷諾數(shù)及槳葉特性。在層流時(shí)，qc≈qd；湍流時(shí)，qc＞qd。81若用循環(huán)次數(shù)Nc或循環(huán)時(shí)間tc來表征攪拌器的循環(huán)特性更為直觀。Nc=qc/V＝Nqc·ND3/V(5-46)tc=1/Nc(5-47)式中，V為攪拌釜內(nèi)流體的體積。若用循環(huán)次數(shù)Nc或循環(huán)時(shí)間tc來表征攪拌器的循環(huán)特性更為直82循環(huán)次數(shù)Nc是一個(gè)很重要的攪拌參數(shù)，通?？捎靡耘袆e攪拌強(qiáng)度。

普通攪拌Nc＝3～5次/分強(qiáng)烈攪拌Nc＝5～10次/分

習(xí)慣上用排出流量數(shù)Nqd與功率準(zhǔn)數(shù)Np的比值來判斷槳葉的流動(dòng)特性：當(dāng)Np/Nqd＝1~2時(shí)，為循環(huán)型槳葉；當(dāng)Np/Nqd＞3時(shí)，為剪切型槳葉。循環(huán)次數(shù)Nc是一個(gè)很重要的攪拌參數(shù)，通?？捎靡耘袆e攪拌強(qiáng)度83二、攪拌轉(zhuǎn)速的確定攪拌器設(shè)計(jì)首先要考慮反應(yīng)體系對(duì)攪拌效果的要求：本體聚合及溶液聚合要求達(dá)到混合和攪動(dòng)。懸浮聚合更要求分散和懸浮，以形成穩(wěn)定的懸浮體系。從攪拌效果來看，可將攪拌操作分成混合攪動(dòng)型和懸浮型兩大類。攪拌釜內(nèi)流體的流速分布和攪拌轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。攪拌轉(zhuǎn)速的確定取決于對(duì)攪拌的具體要求。如在連續(xù)攪拌反應(yīng)釜中，應(yīng)確保進(jìn)料有效混合，此時(shí)攪拌槳葉應(yīng)有足夠的泵送能力。二、攪拌轉(zhuǎn)速的確定攪拌器設(shè)計(jì)首先要考慮反應(yīng)體系對(duì)攪拌效果的要841．混合和攪動(dòng)型攪拌轉(zhuǎn)速的確定對(duì)于混合和攪動(dòng)類型攪拌過程的強(qiáng)烈程度按相互混合液體的粘度差和密度差來區(qū)分。攪拌強(qiáng)烈程度分為10級(jí)，表5-5列出10個(gè)攪拌等級(jí)的劃分標(biāo)難。1．混合和攪動(dòng)型攪拌轉(zhuǎn)速的確定對(duì)于混合和攪動(dòng)類型攪拌過程的強(qiáng)85設(shè)計(jì)混合、攪動(dòng)型攪拌裝置的步驟

(1)根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)確定攪拌釜容積和釜徑T；(2)選定槳葉直徑與釜徑比值D/T，初步求出槳葉的直徑D；D/T的比值一般在0.2～0.8之間。實(shí)際使用時(shí)常用的槳葉D/T比值范圍如下：

平槳0.5～0.83渦輪0.33～0.40推進(jìn)式0.1～0.33(3)根據(jù)所得攪拌程度確定攪拌等級(jí)和總體流速u；(4)計(jì)算攪拌槳葉的排出流量qd＝uπT2/4；設(shè)計(jì)混合、攪動(dòng)型攪拌裝置的步驟(1)根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)確定攪拌釜86(5)運(yùn)用雷諾準(zhǔn)數(shù)NRe和排出流量數(shù)Nqd關(guān)系圖(見圖5-17，p162)，計(jì)算攪拌槳葉轉(zhuǎn)速N；首先假設(shè)在湍流區(qū)，由圖5-17查得Nqd，從而初選出轉(zhuǎn)速N，根據(jù)初選出的N值計(jì)算NRe后，再從圖上讀出Nqd，通過反復(fù)試差校正，可計(jì)算出合適的轉(zhuǎn)速；(6)對(duì)攪拌槳葉直徑進(jìn)行粘度校正，校正因數(shù)CF列于表5-6。De＝D/CF，其中，De表示槳葉經(jīng)校正后的直徑；(7)計(jì)算攪拌槳葉的軸功率消耗(5)運(yùn)用雷諾準(zhǔn)數(shù)NRe和排出流量數(shù)Nqd關(guān)系圖(見圖5-187[例5-2]

一個(gè)容積為40m3貯槽，容納幾臺(tái)分批反應(yīng)器的產(chǎn)物，產(chǎn)物密度為1.05，最大波動(dòng)為0.05。粘度為0.49Pa·s。各批產(chǎn)品間粘度無明顯變化，產(chǎn)品在貯槽中至少存放兩天。槽徑3.5m，直邊高3.65m，碟形底。試設(shè)計(jì)攪拌裝置。[解]各批物料的密度差別小，粘度無明顯變化，對(duì)均勻程度沒有提出特別要求，存放時(shí)間又長，攪拌強(qiáng)度可選用一級(jí)。

[例5-2]一個(gè)容積為40m3貯槽，容納幾臺(tái)分批反應(yīng)器的產(chǎn)88由表5-6查得，總體流速u＝1.8m/min，則排出流量為qd=u(πT2/4)=1.8(3.14×3.52/4)=17.26m3/min若選用六葉渦輪槳葉，取D/T＝0.25，則D＝0.25T＝0.25×3.5＝0.875m計(jì)算攪拌轉(zhuǎn)速，利用圖5-17，假設(shè)為湍流操作，由D/T＝0.25時(shí)，查得Nqd＝0.87，從而N=qd/(Nqd·D3)=17.26/（0.87×0.8753）=29.6rpm此時(shí)的雷諾數(shù)為：N=ρND2/μ＝1.05×1000（29.6/60）×（0.875）2/0.49=809由圖5-17讀出，Nqd約為0.71，重新計(jì)算轉(zhuǎn)速由表5-6查得，總體流速u＝1.8m/min，則排出流量為89N=qd/(Nqd·D3)=17.27/(0.71×0.8753)=36.3rpm由此，得雷諾數(shù)：NRe=ρND2/μ=1050(36.3/60)(0.875)2/0.49=994由圖5-17讀出，此時(shí)的Nq≈0.73，重新計(jì)算轉(zhuǎn)速得：N=17.26/{0.73(0.875)3}=35.3rpm計(jì)算雷諾數(shù)：NRe=1050(35.3/60)(0.875)2/0.49=965再從圖5-17讀出，Nq≈0.73，與上一個(gè)設(shè)定的Nqd相近，故攪拌槳葉轉(zhuǎn)速可確定為N=35.3rpm。N=qd/(Nqd·D3)=17.27/(0.71×0.8790對(duì)槳葉直徑進(jìn)行粘度校正：由表5-6看出，當(dāng)NRe為965時(shí)(＞700)，CF＝1，也即槳葉直徑不需校正，仍取D＝0.875m。表5-6槳葉直徑的粘度校正因數(shù)CF雷諾數(shù)NRe700500400300200校正系數(shù)CF1.000.990.980.970.95150100807060500.930.910.900.890.880.87對(duì)槳葉直徑進(jìn)行粘度校正：由表5-6看出，當(dāng)NRe為965時(shí)(912．顆粒懸浮型攪拌轉(zhuǎn)速的確定

顆粒懸浮型攪拌器一般是按顆粒懸浮問題來處理，按懸浮程度的要求計(jì)算攪拌槳葉的尺寸和轉(zhuǎn)速，而顆粒懸浮系統(tǒng)的攪拌難度，則決定于懸浮粒子的沉降速率。Stokes曾對(duì)單顆光滑球形粒子的沉降進(jìn)行研究，并提出極限沉降速率的計(jì)算式。但對(duì)實(shí)際體系，情況遠(yuǎn)非如此，主要由于：顆粒多，不再是單顆粒經(jīng)不均一，存在粒經(jīng)分布形狀不規(guī)則，不一定都是球形表面也不可能都是光滑的所以計(jì)算式的應(yīng)用受到限制。2．顆粒懸浮型攪拌轉(zhuǎn)速的確定顆粒懸浮型攪拌器一般是按顆粒懸92比較實(shí)用的方法是將：粒子的平均粒徑dp極限沉降速率ut顆粒與懸浮介質(zhì)密度差三者之間的關(guān)系整理成圖，如圖5-19所示。由圖5-19可直接查得顆粒的極限沉降速率。

比較實(shí)用的方法是將：93圖5-19球形顆粒在液體中自由沉降的極限沉降速率圖圖5-19球形顆粒在液體中自由沉降的極限沉降速率圖94懸浮類型攪拌強(qiáng)烈程度，也可劃為10個(gè)等級(jí)，表5-7列出10個(gè)攪拌等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)。攪拌級(jí)別(懸浮程度)與有關(guān)下列因素：顆粒的沉降速率槳葉直徑轉(zhuǎn)速槳葉的轉(zhuǎn)速愈高，直徑愈大，顆粒的沉降速率愈小，所獲得的懸浮程度愈高。即：懸浮程度(攪拌級(jí)別)∝NnDm/ud(5-48)式中ud為設(shè)計(jì)沉降速率。懸浮類型攪拌強(qiáng)烈程度，也可劃為10個(gè)等級(jí)，表5-7列出10個(gè)95表5-7不同攪拌級(jí)別的攪拌效果

(顆粒懸浮型)表5-7不同攪拌級(jí)別的攪拌效果

(顆粒懸浮型)96圖5-20為攪拌級(jí)別與槳葉直徑、轉(zhuǎn)速及顆粒設(shè)計(jì)沉降速率的關(guān)系。圖中的橫坐標(biāo)以Φ＝9.28×103N3.75D2.81/ud來表示的。利用圖5-20，在確定了攪拌級(jí)別，槳葉直徑設(shè)計(jì)沉降速率后，可以計(jì)算攪拌槳葉的轉(zhuǎn)速。具體設(shè)計(jì)計(jì)算步驟如下：圖5-20為攪拌級(jí)別與槳葉直徑、轉(zhuǎn)速及顆粒設(shè)計(jì)沉降速率的關(guān)系97具體設(shè)計(jì)計(jì)算步驟

(1)計(jì)算密度差：假設(shè)顆粒雷諾數(shù)處于層流或湍流區(qū)域，分別計(jì)算密度差(ρp-ρ)/μ或(ρp-ρ)/ρ；(2)查取極限沉降速率ut：根據(jù)顆粒直徑dp及密度差由圖5-19查取極限沉降速率ut；(3)設(shè)計(jì)沉降速率ud校正：當(dāng)懸浮體系的稠度較高時(shí)，顆粒之間容易發(fā)生粘合，此時(shí)將大于單個(gè)顆粒的沉降速率。經(jīng)驗(yàn)表明，稠度愈高，攪拌愈困難。因此，需校正以求出設(shè)計(jì)沉降速率ud；ud＝fw·ut，fw的數(shù)值見表5-8；具體設(shè)計(jì)計(jì)算步驟(1)計(jì)算密度差：假設(shè)顆粒雷諾數(shù)處于層流或98表5-8顆粒沉降校正因數(shù)顆粒濃度，％（質(zhì)量）fw顆粒濃度，％（質(zhì)量）fw顆粒濃度，％（質(zhì)量）fw20.80201.10401.5550.84251.20451.70100.91301.30501.85151.0351.42表5-8顆粒沉降校正因數(shù)顆粒濃度，％（質(zhì)量）fw顆粒濃度，99(4)選定攪拌槳葉形式及槳葉直徑，即確定槳葉直徑與釜徑之比值D/T，(5)根據(jù)表5-7選定攪拌等級(jí)；(6)計(jì)算攪拌槳葉轉(zhuǎn)速：運(yùn)用圖5-20由選定的攪拌級(jí)別、D/T值及ud讀取Φ值，計(jì)算轉(zhuǎn)速N：N={Φ·ud/(9.28×103D3.81)}t/3.75（5-49）(7)校正顆粒雷諾數(shù)NRe(p)NRe(P)=dP·ut·ρ/μ(5-50)NRe(P)<0.3呈層流態(tài)，NRe(P)>1000為湍流態(tài)。(8)計(jì)算攪拌軸功率。(4)選定攪拌槳葉形式及槳葉直徑，100高聚物生產(chǎn)攪拌裝置設(shè)計(jì)參考標(biāo)準(zhǔn)高聚物生產(chǎn)攪拌裝置設(shè)計(jì)參考標(biāo)準(zhǔn)101思考題1.攪拌器一般具有哪些功能？2.攪拌釜內(nèi)流體的流動(dòng)分為哪兩個(gè)層次？3.循環(huán)流動(dòng)的三個(gè)典型流況分別是什么？哪些流動(dòng)對(duì)混合有利？哪些流動(dòng)需克服？4.何為打漩現(xiàn)象？如何消除打漩現(xiàn)象？5.試說出幾種攪拌器的構(gòu)型、特點(diǎn)和應(yīng)用。6.攪拌器應(yīng)滿足哪些基本要求?選擇攪拌器的基本方法是什么？7.攪拌器的功率消耗主要用于哪些方面？計(jì)算攪拌器功率有何重要意義？思考題1.攪拌器一般具有哪些功能？1028.從攪拌器的功率曲線可以得出哪些重要信息？9.氣液體系的攪拌功率與均相體系相比有何特點(diǎn)？10.何為泵送準(zhǔn)數(shù)？其對(duì)攪拌器計(jì)算有何重要作用？11.攪拌級(jí)別一般分為幾個(gè)等級(jí)？12.常用的攪拌槳葉直徑的大致范圍如何？13.何為顆粒雷諾數(shù)？其在不同的范圍時(shí)，密度差如何計(jì)算？14.聚合反應(yīng)的攪拌級(jí)別一般選擇幾級(jí)？15.懸浮程度與哪些因素密切相關(guān)？16.層流和湍流時(shí)的攪拌功率如何計(jì)算？為什么？8.從攪拌器的功率曲線可以得出哪些重要信息？103第六章攪拌聚合釜的傳熱與傳質(zhì)

第一節(jié)聚合過程的傳熱問題聚合反應(yīng)通常是放熱反應(yīng)，而聚合物的分子量及其分布又對(duì)溫度十分敏感。因此，傳熱是控制聚合過程的重要問題，傳熱速率與放熱速率相等，才能使聚合溫度恒定。放熱速率：等于聚合速率與單體聚合熱的乘積。表6-1列舉一些常見單體的聚合熱。第六章攪拌聚合釜的傳熱與傳質(zhì)第一節(jié)聚合過程的傳熱問104聚合速率在聚合過程中通常是變化的并受引發(fā)劑種類、濃度及單體濃度等影響。根據(jù)轉(zhuǎn)化率-時(shí)間關(guān)系大致有減速勻速加速三種類型，其轉(zhuǎn)化率-時(shí)間曲線如圖6-1所示。圖6-2轉(zhuǎn)化率-時(shí)間曲線1-減速，2-加速，3-勻速聚合速率在聚合過程中通常是變化的圖6-2轉(zhuǎn)化率-時(shí)間曲線105(1)減速型：如離子型聚合、縮聚反應(yīng)，其聚合速率隨單體濃度降低而降低。(2)加速型：自由基聚合在高轉(zhuǎn)化階段有凝膠效應(yīng)，出現(xiàn)自動(dòng)加速現(xiàn)象，聚合速率呈S型變化，造成放熱速率不均勻，最高放熱速率可能是平均放熱速率的2～3倍。(3)勻速型：如果引發(fā)劑半衰期選擇得當(dāng)，可達(dá)到勻速反應(yīng)。采用復(fù)合引發(fā)劑、逐漸或分批加單體或催化劑等措施可使聚合速率保持均衡。(1)減速型：106常用放熱不均勻系數(shù)R表示放熱特性。R=Qmax/Qav(6-1)式中，Qmax為最大放熱速率，Qav為平均放熱速率。R值與引發(fā)劑體系有關(guān)。如以AIBN引發(fā)劑進(jìn)行氯乙烯懸浮聚合時(shí)，R＝1.8～2.67，用IPP引發(fā)劑時(shí)，R=1.2～1.4。常用放熱不均勻系數(shù)R表示放熱特性。107從配方與操作方法入手，使放熱速率均勻是解決聚合釜傳熱問題的重要途徑。除考慮反應(yīng)熱外，有時(shí)攪拌熱也不能忽視。懸浮聚合與乳液聚合時(shí)，攪拌熱僅占5％，但在高粘度情況下攪拌熱可達(dá)30～40％。應(yīng)該指出，最大的傳熱速率有時(shí)可能不在反應(yīng)階段！從配方與操作方法入手，使放熱速率均勻是解決聚合釜傳熱問題的重108如在自由基聚合過程中，為使聚合物分子量均勻，要求盡快達(dá)到設(shè)定聚合溫度，升溫階段的傳熱量可能最大。例如：苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯懸浮共聚時(shí)，要求在5～8min內(nèi)，從40℃升溫到90℃，其升溫階段的傳熱速率是平均傳熱速率的十倍以上。對(duì)于高粘聚合體系，由于釜壁有較厚的液層，從而嚴(yán)重影響聚合釜的傳熱系數(shù)。因此，如何提高傳熱速率是聚合釜設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)認(rèn)真考慮的問題。如在自由基聚合過程中，為使聚合物分子量均勻，要求盡快達(dá)到設(shè)定109第二節(jié)攪拌聚合釜的幾種傳熱方式確定攪拌聚合釜的傳熱方式，首先要從聚合反應(yīng)過程的特點(diǎn)出發(fā)。聚合反應(yīng)往往要求嚴(yán)格控制聚合溫度、反應(yīng)物料純凈、釜內(nèi)常需處理高粘度易結(jié)垢的物料。因此，要求攪拌聚合釜傳熱裝置的傳熱速率要高、結(jié)構(gòu)簡單、避免形成易引起掛膠的粗糙表面及導(dǎo)致結(jié)垢的死角、易于清洗。第二節(jié)攪拌聚合釜的幾種傳熱方式確定攪拌聚合釜的傳熱方式，110傳熱方式常用間接傳熱。常用傳熱裝置有夾套內(nèi)冷件回流冷凝體外循環(huán)冷卻器等。傳熱方式常用間接傳熱。111(1)夾套

夾套傳熱最常采用，其結(jié)構(gòu)簡單，如圖6-2所示。在處理粘度較高的物料時(shí)，由于傳熱系數(shù)下降?？刹捎靡韵麓胧?)提高夾套內(nèi)傳熱介質(zhì)(或稱載熱體，通常是水)的湍動(dòng)來增加攪拌釜的總傳熱系數(shù)。圖6-2攪拌聚合釜的夾套傳熱裝置

(1)夾套夾套傳熱最常采用，其結(jié)構(gòu)簡單，如圖6-2所示。圖1122）夾套內(nèi)安裝導(dǎo)流擋板或擾流噴嘴圖6-4擾流噴咀

圖6-3安裝導(dǎo)流擋板的傳熱夾套2）夾套內(nèi)安裝導(dǎo)流擋板或擾流噴嘴圖6-4擾流噴咀圖6-113(2)內(nèi)冷件

有襯里的聚合釜或釜壁采用導(dǎo)熱性不良的材質(zhì)制造時(shí)(如搪瓷釜)，有時(shí)因傳熱系數(shù)低不能僅用夾套傳熱。大型聚合釜，由于單位體積的傳熱面積較小，僅采用夾套傳熱能力也不夠。為此，除安裝夾套外，還需附加釜內(nèi)傳熱裝置。最常使用在釜內(nèi)安裝內(nèi)冷件，如內(nèi)冷管和內(nèi)冷擋板的方法。(2)內(nèi)冷件有襯里的聚合釜或釜壁采用導(dǎo)熱性不良的材質(zhì)制造時(shí)114裝有傳熱擋板的攪拌釜

內(nèi)冷管的管壁較薄，冷卻水流速大，所以傳熱系數(shù)比夾套傳熱系數(shù)大得多?？蓸O大改善攪拌聚合釜的傳熱條件。裝有傳熱擋板的攪拌釜內(nèi)冷管的管壁較薄，冷卻水流速大，所以傳115在容易結(jié)垢的聚合過程中，聚合釜內(nèi)不宜采用蛇管或管束冷卻。因?yàn)樯吖芘c釜壁間，易結(jié)垢且不易清洗。在這種情況下，僅設(shè)置少數(shù)內(nèi)冷管兼作擋板。如國產(chǎn)33m3帶內(nèi)冷管夾套攪拌釜，內(nèi)冷管占總傳熱面積的22％，可擔(dān)負(fù)45％的傳熱量。內(nèi)冷擋板及內(nèi)冷管的設(shè)計(jì)和安裝應(yīng)消除死角、全部置于液面之下，以避免氣液界面處積聚聚合物。在容易結(jié)垢的聚合過程中，聚合釜內(nèi)不宜采用蛇管或管束冷卻。116(3)回流冷凝器

當(dāng)采用夾套及釜內(nèi)傳熱裝置還不能滿足傳熱要求時(shí)，可采用釜外傳熱方式強(qiáng)化傳熱。釜外傳熱可以分為兩種一種是將釜內(nèi)物料氣相導(dǎo)出，進(jìn)行釜外循環(huán)熱交換；另一種是液相導(dǎo)出進(jìn)行釜外循環(huán)熱交換。如圖6-6，6-7所示。(3)回流冷凝器當(dāng)采用夾套及釜內(nèi)傳熱裝置還不能滿足傳熱要求117圖6-6氣相釜外循環(huán)熱交換裝置圖6-7液相釜外循環(huán)熱交換裝置

圖6-6氣相釜外循環(huán)圖6-7液相釜外循環(huán)熱交換裝置118氣相釜外循環(huán)熱交換裝置(回流冷凝器)，是以蒸汽冷凝方式傳熱，具有傳熱系數(shù)高，傳熱面積不受釜容積限制等優(yōu)點(diǎn)。通常管內(nèi)通物料蒸汽，管外通冷卻介質(zhì)，以便于清洗?；亓骼淠鞯慕Y(jié)構(gòu)應(yīng)避免死角。要求：管子及管板表面要光滑、管子不可伸出管板、連接處應(yīng)密封以防物料被冷卻介質(zhì)污染和破壞催化劑。用于聚合釜時(shí)，回流冷凝器要注意防止單體在冷凝器中進(jìn)行聚合而造成堵塞，不使用易揮發(fā)的催化劑或引發(fā)劑以防止帶入冷凝器。

氣相釜外循環(huán)熱交換裝置(回流冷凝器)，是以蒸汽冷凝方式傳熱，119下列情況不宜采用液相外循熱交換裝置：1）要求嚴(yán)格控制反應(yīng)溫度的一類聚合反應(yīng)：物料在換熱器中溫度會(huì)下降5～10℃左右，不利于反應(yīng)控制。懸浮聚合：易造成結(jié)塊。對(duì)剪切敏感的膠乳體系應(yīng)慎用：因?yàn)檠h(huán)泵里的剪切速率很大，容易破壞膠乳的穩(wěn)定性。體系粘度過大的本體聚合或溶液聚合：泵送有困難。下列情況不宜采用液相外循熱交換裝置：120外部冷卻器應(yīng)具有清理方便，傳熱系數(shù)高等特點(diǎn)。常用的有板式熱交換器

套管式熱交換器列管式熱交換器等。外部冷卻器應(yīng)具有清理方便，傳熱系數(shù)高等特點(diǎn)。121第三節(jié)攪拌聚合釜的傳熱計(jì)算

攪拌聚合釜的傳熱計(jì)算與一般傳熱計(jì)算相同。傳熱速率同樣取決于釜內(nèi)流體與載熱體的溫度差、傳熱面積及總傳熱系數(shù)。故有Q=KA(ti-t0)（6-2）式中，Q為傳熱速率，A為傳熱面積，ti為過程流體的溫度，t0為載熱體的溫度，K為總傳熱系數(shù)。式(6-2)顯示：提高總傳熱系數(shù)，增加傳熱面積和降低冷卻水溫度以擴(kuò)大溫差等措施均可提高傳熱速率。釜大型化后，單位體積的傳熱面積減小，降低水溫會(huì)增加冷凍的動(dòng)力消耗，因此，提高總傳熱系數(shù)是改善傳熱效率的最好辦法。第三節(jié)攪拌聚合釜的傳熱計(jì)算攪拌聚合釜的傳熱計(jì)算與一般傳122總傳熱系數(shù)與下列因素有關(guān)：釜內(nèi)物料性質(zhì)攪拌條件夾套內(nèi)水流情況水溫釜壁材質(zhì)粘釜物及水垢的沉積。其定量關(guān)系可由下列熱阻方程表示：1/K＝1/αi＋1/α0＋Σδ/λ（6-3）式中，αi和α0分別代表釜的內(nèi)壁和釜外壁傳熱膜系數(shù)，Σδ/L為釜壁固體導(dǎo)熱部分的總熱阻。其中,δ為厚度，L為導(dǎo)熱系數(shù)。通過熱阻分析可以找出主要熱阻所在和提高傳熱總系數(shù)的方法、途徑。總傳熱系數(shù)與下列因素有關(guān)：123釜內(nèi)壁傳熱膜系數(shù)αi的主要因素聚合釜內(nèi)物料性質(zhì)(尤其是體系的粘度)和攪拌條件，如攪拌槳葉形式、尺寸、流動(dòng)形態(tài)、擋板條件等是影響釜內(nèi)壁傳熱膜系數(shù)αi的主要因素。體系粘度愈小，攪拌效果愈好，則釜內(nèi)壁滯流層愈薄，熱阻就愈小，傳熱膜系數(shù)αi就愈大。因此，降低體系粘度和改善攪拌效果是提高αi和總傳熱系數(shù)K值的重要途徑。對(duì)低粘度體系，如懸浮聚合、乳液聚合及低粘度溶液聚合，攪拌在湍流區(qū)操作，此時(shí)的αi較大，一般約2000w/m2K，故1/αi不構(gòu)成熱阻的主要部分。

釜內(nèi)壁傳熱膜系數(shù)αi的主要因素聚合釜內(nèi)物料性質(zhì)(尤其是體系的124隨物料粘度增加，熱阻1/αi數(shù)值迅速增如，在總傳熱阻力中所占比重愈來愈大，當(dāng)粘度增加到某一限度時(shí)，1/αi將構(gòu)成熱阻的主要部分。例如生產(chǎn)疏松型聚氯乙烯時(shí)，在聚合后期，由于樹脂表面疏松吸收較多水分，體系內(nèi)的自由流體減少，粘度增加，導(dǎo)致總傳熱系數(shù)劇降。本體聚合及溶液聚合在聚合后期也因體系的粘度劇增，導(dǎo)致聚合釜的總傳熱系數(shù)下降到100以下。因此，降低體系粘度也是提高1/αi的重要途徑。隨物料粘度增加，熱阻1/αi數(shù)值迅速增如，在總傳熱阻力中所占125釜外壁傳熱膜系數(shù)α0的影響因素聚合釜以夾套冷卻時(shí)，α0的數(shù)值隨冷卻水的流況而定。如果冷卻水處于自然對(duì)流狀態(tài)時(shí)，α0約為500，總傳熱系數(shù)只能在300～350；當(dāng)冷卻水處于激烈流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，α0可達(dá)3000～5000，此時(shí)總傳熱系數(shù)提高到400～600。由此可見：改變夾套中冷卻水流況是提高傳熱膜系數(shù)α0的重要途徑。例如在夾套內(nèi)按裝導(dǎo)流擋板或擾流噴咀，多點(diǎn)切向進(jìn)水等措施都能使冷卻水處于激烈流動(dòng)狀況并提高α0。釜外壁傳熱膜系數(shù)α0的影響因素聚合釜以夾套冷卻時(shí)，α0的數(shù)值126從Σδ/λ進(jìn)行分析固體導(dǎo)熱系數(shù)一般較小，尤其是聚合物垢層及水垢層的導(dǎo)熱系數(shù)很小，對(duì)傳熱影響很大，一般在400～500左右，會(huì)極大限制聚合釜總傳熱系數(shù)的提高。為降低釜壁固體導(dǎo)熱部分總熱阻，可采取以下措施：應(yīng)盡可能采用導(dǎo)熱系數(shù)高的材質(zhì)：例如碳鋼比不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)高，為防止腐蝕采用不銹鋼和碳鋼的復(fù)合板，在保證強(qiáng)度的前提下，釜壁宜薄些。設(shè)法降低粘釜和掛膠發(fā)生：及時(shí)進(jìn)行清釜。改善冷卻水水質(zhì)：以減小水垢的沉積。從Σδ/λ進(jìn)行分析固體導(dǎo)熱系數(shù)一般較小，尤其是聚合物垢層及水127αi與α0的計(jì)算一、均相液體的傳熱計(jì)算對(duì)于低粘度均相液體在攪拌釜中的傳熱計(jì)算已有大量研究，一般可用強(qiáng)制對(duì)流傳熱的無因次準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式表示。Nu=a(NRe)b(NPr)c(μb/μw)m或αL/λ=a(ρND2/μ)b(Cpμ/λ)c(μb/μw)m(6-4)式中，α為被攪拌液體對(duì)壁面的傳熱膜系數(shù)，L為定性長度，對(duì)夾套釜L取釜徑T，D為攪拌槳葉直徑，N為攪拌器轉(zhuǎn)速；λ，Cp，ρ，μ分別為流體在主體溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)、熱容、密度和粘度；μw為壁溫下流體的粘度。αi與α0的計(jì)算一、均相液體的傳熱計(jì)算128湍流時(shí)，雷諾數(shù)的指數(shù)一般取b＝2/3，Npr的指數(shù)C＝1/3，粘度比的指數(shù)m＝0.14。各種攪拌釜傳熱方程的主要差別在于常數(shù)a值的不同。a值包含了幾何因素的影響，所以各攪拌釜傳熱方程只能在幾何相似的條件下應(yīng)用。無特殊說明時(shí)，有關(guān)攪拌釜的傳熱關(guān)聯(lián)式均由標(biāo)準(zhǔn)釜所得。標(biāo)準(zhǔn)釜的幾何尺寸為：攪拌釜直徑T與攪拌器直徑D之比為3：1液層高度H與釜徑T之比為1：1攪拌槳葉離底高度C與槳葉直徑D之比為1。推薦的攪拌一側(cè)傳熱膜系數(shù)關(guān)聯(lián)式匯集于表6-2中。湍流時(shí)，雷諾數(shù)的指數(shù)一般取b＝2/3，Npr的指數(shù)C＝1/3129表6-2推薦的攪拌一側(cè)傳熱膜系數(shù)關(guān)聯(lián)式通式：αL/λ=a(ρND2/μ)b(Cpμ/λ)c(μb/μw)m(其它項(xiàng))

表6-2推薦的攪拌一側(cè)傳熱膜系數(shù)關(guān)聯(lián)式通式：130二、非均相體系的傳熱

非均相的液-固懸浮體系所形成的漿液，當(dāng)固體顆粒體積分率小于1％時(shí)，固體顆粒對(duì)于傳熱影響很小，此時(shí)可以應(yīng)用均相體系的傳熱關(guān)聯(lián)式進(jìn)行傳熱計(jì)算。若固體體積分率大于1％時(shí)，影響變得顯著并使傳熱系數(shù)下降。Frantisak對(duì)裝有四塊擋板及推進(jìn)式攪拌器的夾套攪拌釜進(jìn)行研究，根據(jù)對(duì)363個(gè)牛頓型漿液測(cè)量值的線性回歸分析，得到(6-17)式。二、非均相體系的傳熱非均相的液-固懸浮體系所形成的漿液，當(dāng)131式中，NRea，NPra表示采用體系物料的平均物性計(jì)算所得雷諾數(shù)和普蘭特?cái)?shù)；Cpd，Cpc分別為分散相和連續(xù)相的恒壓熱容；ρd，ρc分別為分散相和連續(xù)相的密度；Φd為分散相的體積分率?；旌衔锏钠骄镄訡pm，ρm可根據(jù)以濃度為基礎(chǔ)的加和性予以確定。式中，NRea，NPra表示采用體系物料的平均物性計(jì)算所得雷132而λm和μm可按下式計(jì)算：式中，λd，λc分別為分散相相連續(xù)相的導(dǎo)熱系數(shù)，μc為連續(xù)相的粘度，Φd為分?jǐn)?shù)相體積分率。

(6-18)

(6-19)

而λm和μm可按下式計(jì)算：(6-18)(6-19)133四、攪拌聚合釜總傳熱系數(shù)的計(jì)算外側(cè)（夾套側(cè)）傳熱膜系數(shù)α0的計(jì)算方法：Lehrer提出，對(duì)流體通過夾套作強(qiáng)制對(duì)流時(shí)的傳熱膜系數(shù)α0，可按下式計(jì)算：(6-32)

式中，De是夾套的當(dāng)量直徑，用(6-33)式求算。De=(8/3)0.5(D2-Dl)/2(6-33)式中，Dl為夾套內(nèi)徑，D2為夾套外徑。四、攪拌聚合釜總傳熱系數(shù)的計(jì)算外側(cè)（夾套側(cè)）傳熱膜系數(shù)α0的134NRe的計(jì)算與夾套進(jìn)水方式：如圖(6-8)所示，若冷卻水的入口接管安裝在容器下部，出口管安裝在容器的上部時(shí)，雷諾數(shù)NRe用(6-34)式計(jì)算：NRe=Deρ(u0·uA)0.5/μ(6-34)式中，u0是接管入口處流體流速，設(shè)夾套側(cè)冷卻水流量為W，接管內(nèi)徑為di，則u0為u0=4W/πdi2ρ(6-35)NRe的計(jì)算與夾套進(jìn)水方式：135接管沿徑向方向安裝時(shí)（圖6-8）：uA取夾套內(nèi)流體上升速度，即uA=4W/[π(D22-D12)ρ](6-36)接管按切線方向安裝時(shí)（圖6-9）：uA取夾套內(nèi)間隙流體速度，即uA=2W/[Hj(D22-D12)ρ](6-37)式中的Hj為夾套高度。切向進(jìn)水時(shí)，增加了冷卻水的流速，從而增加了湍動(dòng)程度使傳熱膜系數(shù)提高。接管沿徑向方向安裝時(shí)（圖6-8）：136由釜壁側(cè)的傳熱膜系數(shù)αi及夾套側(cè)的傳熱膜系數(shù)α0，結(jié)合攪拌釜材質(zhì)的熱阻就可利用式(6-3)計(jì)算攪拌釜的總傳熱系數(shù)K。聚合反應(yīng)工程課件137第四節(jié)攪拌釜內(nèi)的傳質(zhì)過程

物理過程：擴(kuò)散、溶解化學(xué)過程提高攪拌強(qiáng)度，增大傳質(zhì)膜系數(shù)，增大傳質(zhì)速率傳質(zhì)面積一定，攪拌程度與傳質(zhì)系數(shù)無關(guān)第四節(jié)攪拌釜內(nèi)的傳質(zhì)過程物理過程：擴(kuò)散、溶解138一分散體系的傳質(zhì)膜系數(shù)N=Kla（Cs-Cl）擴(kuò)散努賽爾準(zhǔn)數(shù)N’u=NSh=KD/DAB擴(kuò)散普蘭德準(zhǔn)數(shù)Nsc=u/pDAB傳質(zhì)過程關(guān)系式NSh=f（N’u，Nsc）一分散體系的傳質(zhì)膜系數(shù)139二伴有相間傳質(zhì)的聚合反應(yīng)在應(yīng)用混合，損拌等理論來處理聚合反應(yīng)過程還是獲得很大的成功伴有相間傳質(zhì)的聚合反應(yīng)與低分子化學(xué)反應(yīng)類似以氣液相聚合為例，在氣液單體從氣相傳遞到相界而，再從相界面進(jìn)入液相進(jìn)行聚合反應(yīng)過程中，存在有傳遞阻力和化學(xué)反應(yīng)阻力。實(shí)際表現(xiàn)出來反應(yīng)速率是包括傳遞過程阻力在內(nèi)的綜合反應(yīng)速率，面不是純粹的反應(yīng)速率。這種含有傳遞過程阻力在內(nèi)的反應(yīng)速率關(guān)系就稱為宏觀動(dòng)力學(xué)。二伴有相間傳質(zhì)的聚合反應(yīng)140排除傳質(zhì)阻力的影響，使實(shí)際反應(yīng)速率與傳遞過程特性無關(guān)，即所謂動(dòng)力學(xué)控制。必須竭力提高聚合反應(yīng)器的攪拌轉(zhuǎn)速，攪拌轉(zhuǎn)速不再影響實(shí)際反應(yīng)速率為止。倘若傳質(zhì)速率遠(yuǎn)小于聚合反應(yīng)速率時(shí)，實(shí)際反應(yīng)速率就完全取決于傳遞過程速率，表現(xiàn)為傳遞過程特性而與聚合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性無關(guān)，此時(shí)稱為擴(kuò)散控制。如果聚合反應(yīng)和傳遞過程兩者的速率有相同數(shù)量級(jí)時(shí)，那末二種過程的特性都以不可忽視的程度影響實(shí)際反應(yīng)速率的特性。排除傳質(zhì)阻力的影響，使實(shí)際反應(yīng)速率與傳遞過程特性無關(guān)，即所謂141在伴有相間傳質(zhì)的聚合反應(yīng)中，傳質(zhì)阻力主要導(dǎo)致反應(yīng)物或反應(yīng)產(chǎn)物在體系中產(chǎn)生濃度差，特別是當(dāng)裝置大型化后影響更為顯著。聚合反應(yīng)中的傳質(zhì)情況盡管多種多樣，但一般可歸納入傳質(zhì)過程與聚合反應(yīng)相伴進(jìn)行或相繼進(jìn)行兩種模式，如圖6-10及圖6-11所示。在伴有相間傳質(zhì)的聚合反應(yīng)中，傳質(zhì)阻力主要導(dǎo)致反應(yīng)物或反應(yīng)產(chǎn)物142在模式1中，氣相單體從氣相本體經(jīng)氣膜傳遞到氣-液相界面，再經(jīng)湍流擴(kuò)散進(jìn)入液相，與液相中的引發(fā)劑相遇進(jìn)行聚合反應(yīng)。單休在液相中的擴(kuò)散過程與聚合反應(yīng)相伴進(jìn)行，由于單體在液相中存在一定的濃度差，所以隨著擴(kuò)散的近行，聚合反應(yīng)是在不向的單體濃度下進(jìn)行的。在模式1中，氣相單體從氣相本體經(jīng)氣膜傳遞到氣-液相界面，再經(jīng)143在模式2中，氣相單體經(jīng)氣膜，液膜進(jìn)入液相本體的傳遞外，還存在由液相本體經(jīng)公因膜到固體催化劑表而的傳遞過程，最后在催化劑表面反應(yīng)。氣體單體所經(jīng)的一系列傳遞過程均在聚合反應(yīng)前進(jìn)行，聚合時(shí)的單體濃度是CAB，傳質(zhì)過程與聚合反應(yīng)是相繼串聯(lián)進(jìn)行的。在模式2中，氣相單體經(jīng)氣膜，液膜進(jìn)入液相本體的傳遞外，還存144根據(jù)傳質(zhì)速率和聚合速率的比值不同，按氣液相反應(yīng)理論，對(duì)擬一級(jí)反應(yīng)可分為快速反應(yīng)、中速反應(yīng)、慢速反應(yīng)和無限慢反應(yīng)四種。(1)快速反應(yīng)。單位面積液腹內(nèi)的最大反應(yīng)速率大于純物理傳質(zhì)速率的2-3倍，主要是受擴(kuò)散控制(2)中速反應(yīng)。中速反應(yīng)的總速率不僅與界面面積省關(guān)，面且與液相總體積有關(guān)(3)慢速反應(yīng)。此時(shí)反應(yīng)甚慢，反應(yīng)對(duì)傳質(zhì)系數(shù)的影響可以忽略，反應(yīng)基本在液相本體內(nèi)進(jìn)行。(4)無限慢反應(yīng)。由于反應(yīng)速度極慢，此時(shí)屬于動(dòng)力學(xué)控制，可以不考慮傳質(zhì)對(duì)聚合反應(yīng)的影響根據(jù)傳質(zhì)速率和聚合速率的比值不同，按氣液相反應(yīng)理論，對(duì)擬一級(jí)145反應(yīng)釜操作規(guī)程一、反應(yīng)釜開車前1、檢查釜內(nèi)、攪拌器、轉(zhuǎn)動(dòng)部分、附屬設(shè)備、指示儀表、安全閥、管路及閥門是否符合安全要求。2、檢查水、電、氣是否符合安全要求。第五節(jié)聚合反應(yīng)釜的安全操作

反應(yīng)釜操作規(guī)程第五節(jié)聚合反應(yīng)釜的安全操作146第五節(jié)聚合反應(yīng)釜的安全操作

第五節(jié)聚合反應(yīng)釜的安全操作147二、反應(yīng)釜開車中1、加料前應(yīng)先開反應(yīng)釜的攪拌器，無雜音且正常時(shí)，將料加到反應(yīng)釜內(nèi)，加料數(shù)量不得超過工藝要求。2、打開蒸氣閥前，先開回氣閥，后開進(jìn)氣閥。打開蒸氣閥應(yīng)緩慢，使之對(duì)夾套預(yù)熱，逐步升壓，夾套內(nèi)壓力不準(zhǔn)超過規(guī)定值。3、蒸氣閥門和冷卻閥門不能同時(shí)啟動(dòng)，蒸氣管路過氣時(shí)不準(zhǔn)錘擊和碰撞。4、開冷卻水閥門時(shí)，先開回水閥，后開進(jìn)水閥。冷卻水壓力不得低于0.1兆帕，也不準(zhǔn)高于0.2兆帕。5、水環(huán)式真空泵，要先開泵后給水，停泵時(shí)，先停泵后停水，并應(yīng)排除泵內(nèi)積水。6、隨時(shí)檢查反應(yīng)釜運(yùn)轉(zhuǎn)情況，發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)停車檢修。7、清洗反應(yīng)釜時(shí)，不準(zhǔn)用堿水刷反應(yīng)釜，注意不要損壞搪瓷。二、反應(yīng)釜開車中148三、反應(yīng)釜停車后1、停止攪拌，切斷電源，關(guān)閉各種閥門。2、鏟鍋時(shí)必須切斷攪拌機(jī)電源，懸掛警示牌，并設(shè)人監(jiān)護(hù)。3、反應(yīng)釜必須按壓力容器要求進(jìn)行定期技術(shù)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)不合格，不得開車運(yùn)行。四、反應(yīng)釜保養(yǎng)所有反應(yīng)釜每三個(gè)月保養(yǎng)一次，保養(yǎng)時(shí)檢查閥門和管道有無泄漏、攪拌軸轉(zhuǎn)動(dòng)是否平穩(wěn)、軸承有無異常響聲、減速機(jī)機(jī)油有沒有變黑或低于水平線、釜體上和管道上壓力表每半年檢定一次，安全閥及釜體一年一次。三、反應(yīng)釜停車后149聚合經(jīng)常是在有壓力條件下操作，單體大多為易燃易爆物且常有毒性，聚合反應(yīng)又是放熱反應(yīng)，有的過程反應(yīng)熱很大，如果傳熱失去控制，溫度急劇升高導(dǎo)致反應(yīng)速度加速，最后引起爆聚甚至發(fā)生爆炸。針對(duì)以上情況，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)陌踩胧?，主要有?1)在正常生產(chǎn)前，應(yīng)嚴(yán)格檢驗(yàn)反應(yīng)釜的密閉性：防止有毒、易燃、易爆物料的泄漏，以保作人員的安全，防止發(fā)生燃爆。聚合經(jīng)常是在有壓力條件下操作，單體大多為易燃易爆物且常有毒性150(2)反應(yīng)釜應(yīng)裝有安全泄壓裝置：對(duì)低壓操作的反應(yīng)釜可裝簡單的防爆膜。對(duì)需在較高壓力下操作的設(shè)備，常采用安全閥，在其下方再裝一防爆膜，以防聚合物在閥上積累，使安全閥失效。防爆膜的爆破壓力可取比安全閥略小，在二者之間還可接一壓力表以顯示防爆膜是否破裂。安全閥通道應(yīng)足夠大，其尺寸的決定還缺乏可靠的計(jì)算，靠經(jīng)驗(yàn)選定。如可按正常生產(chǎn)時(shí)最高聚合速率的3～5倍的蒸氣量來選定。對(duì)4～20m3的PVC聚合釜，每m3釜體積可取2.4cm2孔面積為宜。(2)反應(yīng)釜應(yīng)裝有安全泄壓裝置：151(3)一旦反應(yīng)失控時(shí)，可采取如下緊急措施：1)用終止劑中斷反應(yīng)，如：非水溶液體系的立體有規(guī)聚合反應(yīng)，可注水來消除催化劑活性；在自由基聚合時(shí)可加自由基捕捉劑，如雙酚A。2)注入冷水：如懸浮聚合或乳液聚合反應(yīng)釜預(yù)留部分自由空間，在反應(yīng)失控時(shí)向釜內(nèi)注入冷水，降低反應(yīng)溫度、中止反應(yīng)；3）泄壓：對(duì)揮發(fā)性單體，可通過部分單體排放以降低反應(yīng)溫度。(3)一旦反應(yīng)失控時(shí)，可采取如下緊急措施：152(4)安全用電1)應(yīng)采用防爆電器。如防爆電機(jī)防爆開關(guān)防爆燈具及暗線配電等。2)要有備用電源聚合釜如停止攪拌可能導(dǎo)致爆炸，當(dāng)停電時(shí)應(yīng)立即啟用備用電源。除攪拌外，備用電源的容量尚需足夠維持必要的安全設(shè)施用電，如水泵及照明用電等。(4)安全用電153思考題1.聚合速率在聚合過程中一般有三種類型，其中哪種類型對(duì)于反應(yīng)的控制比較有利？可采用哪些措施實(shí)現(xiàn)這種過程？2.傳熱裝置有哪些類型？3.哪些反應(yīng)不宜采用釜外循環(huán)熱交換，為什么？4.試根據(jù)傳熱速率方程和總傳熱系數(shù)方程，討論提高反應(yīng)釜傳熱能力的有效措施。5.實(shí)現(xiàn)聚合釜的安全操作應(yīng)采取哪些基本措施？思考題1.聚合速率在聚合過程中一般有三種類型，其中哪種類型對(duì)154演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！155第五章攪拌聚合釜內(nèi)流體的流動(dòng)與混合第六章攪拌聚合釜的傳熱與傳質(zhì)第五章156第五章第一節(jié)概述工業(yè)上聚合反應(yīng)器種類很多，釜式反應(yīng)器(簡稱攪拌釜)應(yīng)用最普遍，約占聚合反應(yīng)器的80％。在聚合物生產(chǎn)過程中，除聚合釜外，還有許多帶有攪拌裝置的容器，如原料配制槽