拌裝置中的攪拌體系分析

今天我(wo)們來分(fen)(fen)(fen)享(xiang)一(yi)下(xia)攪拌(ban)(ban)(ban)(ban)器(qi)(qi)放大過程中的(de)(de)(de)(de)攪拌(ban)(ban)(ban)(ban)體(ti)(ti)(ti)系(xi)(xi)分(fen)(fen)(fen)析(xi)。通(tong)常(chang)(chang)來說，攪拌(ban)(ban)(ban)(ban)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)攪拌(ban)(ban)(ban)(ban)體(ti)(ti)(ti)系(xi)(xi)中某一(yi)點的(de)(de)(de)(de)狀態可以(yi)通(tong)過一(yi)系(xi)(xi)列狀態變量來表(biao)示。如(ru)溫(wen)度、壓力、流速、濃度等。作(zuo)為一(yi)種基(ji)本方法，襯塑攪拌(ban)(ban)(ban)(ban)器(qi)(qi)，一(yi)個(ge)(ge)(ge)復雜的(de)(de)(de)(de)體(ti)(ti)(ti)系(xi)(xi)常(chang)(chang)常(chang)(chang)可以(yi)分(fen)(fen)(fen)解成幾個(ge)(ge)(ge)簡單(dan)的(de)(de)(de)(de)子體(ti)(ti)(ti)系(xi)(xi)進行(xing)實(shi)驗和分(fen)(fen)(fen)析(xi)，從而使(shi)所獲得(de)的(de)(de)(de)(de)基(ji)本數據更(geng)有(you)表(biao)征(zheng)的(de)(de)(de)(de)價值，如(ru)在小試(shi)(shi)和模試(shi)(shi)中通(tong)常(chang)(chang)將(jiang)反應(ying)(ying)(ying)和傳(chuan)遞因素(su)進行(xing)單(dan)獨研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)。但是被分(fen)(fen)(fen)離(li)的(de)(de)(de)(de)變量之間(jian)常(chang)(chang)常(chang)(chang)存在互動和耦合效應(ying)(ying)(ying)，所以(yi)中試(shi)(shi)時經常(chang)(chang)將(jiang)它們重新合并(bing)研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)。如(ru)果兩個(ge)(ge)(ge)子體(ti)(ti)(ti)系(xi)(xi)之間(jian)的(de)(de)(de)(de)連(lian)接(jie)是單(dan)方向的(de)(de)(de)(de)（比如(ru)i到j，j體(ti)(ti)(ti)系(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)輸入=i體(ti)(ti)(ti)系(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)輸出），則兩個(ge)(ge)(ge)體(ti)(ti)(ti)系(xi)(xi)通(tong)常(chang)(chang)是獨立的(de)(de)(de)(de)。對于兩個(ge)(ge)(ge)變量是明顯(xian)互相耦合在一(yi)起的(de)(de)(de)(de)，要避免將(jiang)它們分(fen)(fen)(fen)離(li)研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)，污(wu)水攪拌(ban)(ban)(ban)(ban)器(qi)(qi)，或必須研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)它們之間(jian)的(de)(de)(de)(de)耦合效應(ying)(ying)(ying)。舉(ju)例來說，可以(yi)將(jiang)一(yi)個(ge)(ge)(ge)復雜的(de)(de)(de)(de)化(hua)工(gong)過程分(fen)(fen)(fen)成進料段、反應(ying)(ying)(ying)段和后處(chu)理段進行(xing)分(fen)(fen)(fen)離(li)研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)，其中攪拌(ban)(ban)(ban)(ban)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)反應(ying)(ying)(ying)器(qi)(qi)往往是復雜的(de)(de)(de)(de)單(dan)元器(qi)(qi)，但難以(yi)再(zai)繼續細分(fen)(fen)(fen)。

當(dang)(dang)體系(xi)確(que)定，輸(shu)入變(bian)量、輸(shu)出(chu)變(bian)量、作(zuo)用(yong)參數(shu)等隨(sui)之可(ke)以確(que)定。比如，輸(shu)入變(bian)量可(ke)以包括進(jin)料中的化(hua)學組成(cheng)和(he)純度(du)等。輸(shu)出(chu)變(bian)量可(ke)以包括流(liu)(liu)出(chu)物的化(hua)學組成(cheng)，流(liu)(liu)出(chu)速率(lv)等。作(zuo)用(yong)參數(shu)包括進(jin)料速率(lv)、催(cui)化(hua)劑類(lei)型、反(fan)應(ying)器進(jin)口溫度(du)、反(fan)應(ying)器進(jin)口壓力、再循環流(liu)(liu)率(lv)等。當(dang)(dang)完成(cheng)對(dui)子體系(xi)的定義后，需要對(dui)單(dan)個子體系(xi)進(jin)行研究(jiu)，即(ji)小(xiao)試(shi)(shi)(shi)研究(jiu)。當(dang)(dang)小(xiao)試(shi)(shi)(shi)完成(cheng)后，需要考(kao)(kao)慮(lv)(lv)放大到模(mo)試(shi)(shi)(shi)。在模(mo)試(shi)(shi)(shi)階段，除了考(kao)(kao)慮(lv)(lv)與小(xiao)試(shi)(shi)(shi)過程同樣關心的變(bian)量——轉化(hua)率(lv)外，還要考(kao)(kao)慮(lv)(lv)副反(fan)應(ying)問題、熱力學平(ping)衡(heng)、物理性質(zhi)、化(hua)學平(ping)衡(heng)、熱傳遞、相(xiang)(xiang)間和(he)相(xiang)(xiang)內的質(zhi)量傳遞、流(liu)(liu)體或(huo)固(gu)體的流(liu)(liu)動等。

罐中液(ye)體的(de)(de)循環(huan)流動(dong)是達(da)到(dao)物料混合(he)所(suo)的(de)(de)流動(dong)狀態，而(er)湍流擴散(san)、剪切流又是某些攪(jiao)拌(ban)(ban)過程快速進行達(da)到(dao)攪(jiao)拌(ban)(ban)目的(de)(de)所(suo)需要(yao)的(de)(de)。雖然某種合(he)適(shi)的(de)(de)流動(dong)狀態也要(yao)靠攪(jiao)拌(ban)(ban)罐及(ji)其他附(fu)件(jian)來(lai)共同造成，但是葉輪的(de)(de)形狀與運轉情況仍可(ke)以(yi)說是決定罐內流動(dong)狀態的(de)(de)基(ji)本的(de)(de)因(yin)素(su)。

各種攪(jiao)拌葉(xie)(xie)(xie)輪(lun)形(xing)狀(zhuang)按(an)攪(jiao)拌器的運(yun)(yun)動(dong)(dong)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)與(yu)(yu)(yu)(yu)葉(xie)(xie)(xie)輪(lun)表面的角度(du)可分為(wei)(wei)三類，即(ji)平葉(xie)(xie)(xie)、折葉(xie)(xie)(xie)和螺(luo)旋(xuan)面葉(xie)(xie)(xie)。槳(jiang)式(shi)、渦輪(lun)式(shi)、錨式(shi)、框式(shi)等的葉(xie)(xie)(xie)輪(lun)都(dou)是平葉(xie)(xie)(xie)或折葉(xie)(xie)(xie)，而推進(jin)式(shi)、螺(luo)桿式(shi)、螺(luo)帶(dai)式(shi)的葉(xie)(xie)(xie)輪(lun)則為(wei)(wei)螺(luo)旋(xuan)面葉(xie)(xie)(xie)。　　平葉(xie)(xie)(xie)的槳(jiang)面與(yu)(yu)(yu)(yu)運(yun)(yun)動(dong)(dong)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)垂直，即(ji)運(yun)(yun)動(dong)(dong)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)與(yu)(yu)(yu)(yu)槳(jiang)面法線(xian)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)一(yi)致。折葉(xie)(xie)(xie)的槳(jiang)面與(yu)(yu)(yu)(yu)運(yun)(yun)動(dong)(dong)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)成一(yi)個(ge)傾(qing)斜角度(du)；一(yi)般這個(ge)傾(qing)斜角度(du)為(wei)(wei)45或60度(du)等。螺(luo)旋(xuan)面葉(xie)(xie)(xie)是連續(xu)的螺(luo)旋(xuan)面成其(qi)中一(yi)部(bu)分，葉(xie)(xie)(xie)片曲面與(yu)(yu)(yu)(yu)運(yun)(yun)動(dong)(dong)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)的角度(du)逐漸變(bian)化，如推進(jin)式(shi)葉(xie)(xie)(xie)片的根部(bu)曲面與(yu)(yu)(yu)(yu)運(yun)(yun)動(dong)(dong)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)一(yi)般可為(wei)(wei)40-70度(du)，重(zhong)慶攪(jiao)拌器，而其(qi)葉(xie)(xie)(xie)端的曲面與(yu)(yu)(yu)(yu)運(yun)(yun)動(dong)(dong)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)的角度(du)較小，一(yi)般為(wei)(wei)17度(du)左右。　　由于平葉(xie)(xie)(xie)的運(yun)(yun)動(dong)(dong)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)與(yu)(yu)(yu)(yu)槳(jiang)面垂直，所以當葉(xie)(xie)(xie)輪(lun)低速運(yun)(yun)轉時，液體的主(zhu)要流(liu)動(dong)(dong)為(wei)(wei)水(shui)平環向(xiang)(xiang)(xiang)的流(liu)動(dong)(dong)。

當葉輪(lun)轉速增大(da)時，液體的(de)(de)徑向(xiang)(xiang)流(liu)(liu)動就漸(jian)漸(jian)增大(da)。葉輪(lun)轉速愈(yu)高，由(you)(you)平(ping)葉排出的(de)(de)徑向(xiang)(xiang)流(liu)(liu)愈(yu)強(qiang)。但只(zhi)靠葉輪(lun)本身，它造成(cheng)的(de)(de)軸向(xiang)(xiang)流(liu)(liu)動還是很弱的(de)(de)。折(zhe)葉由(you)(you)于槳(jiang)面與運動方(fang)向(xiang)(xiang)成(cheng)一(yi)定傾斜角，所以在葉輪(lun)運動時，除(chu)有水(shui)平(ping)環流(liu)(liu)外，還有軸向(xiang)(xiang)分流(liu)(liu)。在葉輪(lun)轉速增大(da)時，還有漸(jian)漸(jian)增大(da)的(de)(de)徑向(xiang)(xiang)流(liu)(liu)。螺旋面可以看成(cheng)是許多折(zhe)葉的(de)(de)組合，這些折(zhe)葉的(de)(de)角度逐(zhu)漸(jian)變化(hua)，所以螺旋面的(de)(de)流(liu)(liu)向(xiang)(xiang)也有水(shui)平(ping)環向(xiang)(xiang)流(liu)(liu)、徑向(xiang)(xiang)流(liu)(liu)和軸向(xiang)(xiang)流(liu)(liu)，其中軸向(xiang)(xiang)流(liu)(liu)量大(da)。

高黏度流體(ti)攪拌對機械(xie)攪拌器的(de)要求

黏度(du)是流(liu)體(ti)的(de)(de)一(yi)種(zhong)屬性。它反映了流(liu)體(ti)運動時(shi)剪(jian)(jian)切應(ying)力與剪(jian)(jian)切速度(du)梯度(du)的(de)(de)比值關系。所以(yi)黏度(du)大小(xiao)(xiao)對(dui)流(liu)動狀態有(you)很(hen)大的(de)(de)影響(xiang)，也必然(ran)對(dui)機械攪拌(ban)器的(de)(de)攪拌(ban)過程有(you)很(hen)大的(de)(de)影響(xiang)。流(liu)體(ti)在管路中(zhong)流(liu)動時(shi)，有(you)層流(liu)、過渡(du)流(liu)、湍流(liu)三種(zhong)狀態，攪拌(ban)罐中(zhong)也有(you)這樣三種(zhong)流(liu)動狀態，不銹鋼攪拌(ban)器，與管路中(zhong)一(yi)樣決定(ding)這些狀態的(de)(de)是雷諾數Re，黏度(du)是決定(ding)Re大小(xiao)(xiao)的(de)(de)主要(yao)參數之一(yi)。

在(zai)(zai)攪拌(ban)過程中(zhong)，所(suo)謂黏(nian)度(du)(du)高(gao)低(di)的(de)(de)(de)(de)說法(fa)并(bing)沒有(you)嚴格的(de)(de)(de)(de)界(jie)限(xian)，一(yi)般(ban)所(suo)謂高(gao)低(di)只是一(yi)個(ge)習慣的(de)(de)(de)(de)說法(fa)。大(da)致(zhi)以(yi)(yi)(yi)(yi)2500m Pa.s或10四次(ci)方(fang)mPa.s以(yi)(yi)(yi)(yi)上為(wei)(wei)高(gao)黏(nian)度(du)(du)．在(zai)(zai)此以(yi)(yi)(yi)(yi)下都(dou)可稱為(wei)(wei)低(di)黏(nian)度(du)(du)。也有(you)的(de)(de)(de)(de)只將(jiang)(jiang)100mPa.s以(yi)(yi)(yi)(yi)下稱為(wei)(wei)低(di)黏(nian)度(du)(du)，中(zhong)間又分出一(yi)個(ge)中(zhong)等黏(nian)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)范疇。因為(wei)(wei)低(di)黏(nian)度(du)(du)與中(zhong)等黏(nian)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)液(ye)體(ti)(ti)在(zai)(zai)攪拌(ban)時流動(dong)狀態的(de)(de)(de)(de)區(qu)別(bie)(bie)不(bu)大(da)，所(suo)以(yi)(yi)(yi)(yi)將(jiang)(jiang)其統稱為(wei)(wei)低(di)黏(nian)度(du)(du)，以(yi)(yi)(yi)(yi)與高(gao)黏(nian)度(du)(du)液(ye)體(ti)(ti)相區(qu)別(bie)(bie)。關于目前常(chang)用(yong)的(de)(de)(de)(de)液(ye)體(ti)(ti)攪拌(ban)器(qi)所(suo)適(shi)用(yong)的(de)(de)(de)(de)黏(nian)度(du)(du)范圍(wei)，說法(fa)也不(bu)同。有(you)的(de)(de)(de)(de)認為(wei)(wei)適(shi)用(yong)在(zai)(zai)2×10的(de)(de)(de)(de)五次(ci)方(fang)mPa.s以(yi)(yi)(yi)(yi)下，也有(you)的(de)(de)(de)(de)認為(wei)(wei)可用(yong)到1x10的(de)(de)(de)(de)六次(ci)方(fang)mPa.s。這(zhe)些說法(fa)都(dou)未提及其他指標，所(suo)以(yi)(yi)(yi)(yi)也只能(neng)理(li)解為(wei)(wei)一(yi)個(ge)大(da)致(zhi)的(de)(de)(de)(de)范圍(wei)。