搅拌设备通过搅拌器的运转完成搅拌操作过程。搅拌器由搅拌桨叶与轴构成,对特定流体混合适用的桨叶选择就是对搅拌器作选型。不同的搅拌目的需要不同的搅拌过程,选择搅拌器的形式是搅拌设备设计中重要的一步。搅拌罐体的结构、尺寸、挡板的设置情况、物料在罐体中的状态都是选定搅拌器应考虑的因素,这些因素以及搅拌器的结构、尺寸、安装位置、旋转速度都会影响搅拌作用。搅拌作用是由搅拌器上的叶轮对物料的排出产生流体速度和流体剪切,叶轮的输入能量主要消耗于物料在罐体内形成循环流和产生剪切力。循环作用可以使物料产生对流、介质易位,防止固体粒子沉淀,如斜叶开启涡轮式搅拌器和推进式搅拌器主要产生轴向流,高排液量,低剪切性能,有较好的对流循环,动力消耗较低,在大容量均相、混合过程中应用能体现其优势,在低黏度液体传质、反应、固体粒子的悬浮、溶解等过程应用广泛。剪切作用可以使气泡打碎、互不相溶的液相乳化,如平直叶桨式搅拌器和圆盘涡轮式搅拌器主要产生径向流,具有极高的剪切力,分散能力强,特别适合于气体的分散、吸收过程和乳化、传热以及非均相反应操作。对于循环作用和剪切作用而言,不同形式的搅拌器有不同的侧重点。在一定的能量消耗情况下,循环作用和剪切作用是相互消减的。为提高搅拌效率,应考虑有一个起主导作用达到某个搅拌目的。搅拌器叶轮按其作用分为具有强循环性能的叶轮、强剪切作用的叶轮以及两者兼具的叶轮,设计时从物料的特性和搅拌目的选择搅拌器形式。
搅拌器叶轮的大小直接影响排出性能、动力消耗,进而影响搅拌进程。叶轮大小用桨径和叶宽来衡量。桨径的大小与搅拌器的形式和罐体有关,一般桨径与罐径之比d/D =0.35~0.8。在低黏度液体搅拌时物料流动性好,能量传递容易,桨径相对小些;在高黏度液体搅拌时转速较低,桨径可以大些。叶宽影响搅拌器的动力消耗,动力消耗随叶宽增加而增加。根据搅拌器叶轮的搅拌能力确定搅拌器在搅拌轴上的安装层数,当液体较深时设置多层搅拌器。对低黏度液体一般设置1~2 层搅拌器即可,下层搅拌器距罐底的高度一般为桨径的0.8~1.2倍。对高黏度液体或有沉降性高的固体时至少设置两层叶轮以增加物料的流动性,防止出现搅拌死角,下层搅拌器应靠近罐底,能使固体粒子均匀悬浮。
搅拌器选型一般遵循两个原则:一是选择结果合理;二是选择方法简便。而这两点往往难以同时具备。由于液体的黏度对搅拌状态有很大影响,因此根据搅拌介质黏度大小来进行搅拌器选型是一种基本的方法。几种典型的搅拌器都随黏度的高低而有不同的使用范围。随黏度增高的各种搅拌器选用顺序为推进式、涡轮式、桨式、锚框式和螺带式等。根据搅拌过程的目的与搅拌器造成的流动状态判断该过程所适用的搅拌器,这是一种比较适用的方法。这种选型方法是把搅拌器桨型分成快速型和慢速型两类。前者在湍流状态操作,后者在层流状态操作。选用时根据搅拌目的及流动状态来决定桨型及挡板条件,流动状态的决定要受搅拌介质的黏度高低的影响。
低黏度均相液体混合是难度最小的一种搅拌过程,只有当容积很大且要求混合时间很短时才比较困难。由于推进式的循环能力强且消耗动力少,因此其是最适用的。涡轮式搅拌器动力消耗大,虽有高的剪切能力,但对这种混合过程并无太大必要,若用在大容量液体的混合时就不合理了。桨式搅拌器结构简单,在小容量液体混合中仍广泛应用,但用在大容量液体混合时,则循环能力不足。
对分散操作过程,涡轮式搅拌器因具有高剪切力和较大循环能力,故最为适用,特别是平直叶涡轮的剪力作用比折叶和后弯叶的剪力作用大,更为合适。推进式、桨式因其剪切力比平直叶涡轮式的小,故只能在液体分散量较小的情况下可用,而其中桨式很少用于分散操作。分散操作都有挡板来加强剪切效果。
固体悬浮操作以涡轮式搅拌器的使用范围最大,其中以开启涡轮式为最好。它没有中间的圆盘部分,不致阻碍桨叶上下的液相混合,而且弯叶开启涡轮搅拌器的优点更突出,它的排出性能好、桨叶不易磨损,用于固体悬浮操作更为合适。桨式的速度较低,仅适于固体粒度小、固液密度差小、固相浓度较高、沉降速度低的固体悬浮。推进式搅拌器的使用范围较窄,固液密度差大或固液比在50%以上时不适用。使用挡板时,要注意防止固体颗粒在挡板角落上的堆积。一般固液比低时,才用挡板,而折叶桨、折叶开启涡轮、推进式都有轴向流,也可以不用挡板。(www.daowen.com)
固体溶解过程要求搅拌器有剪切流和循环能力,涡轮式是最合适的。推进式循环能力大但剪切流小,用于小容量的溶解过程比较合理。桨式的需借助挡板提高循环能力,一般是在容易悬浮起来的溶解操作中使用。
气体吸收过程以圆盘式涡轮最合适,它的剪切力强,而且圆盘的下面可以存住一些气体,使气体的分散更平稳,而开启涡轮就没有这个优点:桨式及推进式对气体吸收过程基本上不适用,只有在少量易吸收的气体要求分散度不高时可能适用。
带搅拌的结晶过程是很困难的,特别是要求严格控制晶体大小的时候。一般是小直径的快速搅拌,如涡轮式,适用于微粒结晶;而大直径的慢速搅拌,如桨式,可用于大晶体的结晶。
搅拌器转速根据工程经验或试验数据进行相似放大或缩小。当采用试验来完成对某一搅拌目的进行评估时就会得出各种因数,有转速和其他因数之间的关系就可以确定所需要的转速。搅拌器的形式选定后,还需对搅拌器叶轮进行必要的强度校核,以保证叶轮在工作中的安全。
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