【搅拌器设计-连载5】非均相液液分散用搅拌器的选型和转速计算

【搅拌器设计-连载5】非均相液液分散用搅拌器的选型和转速计算

一、非均相液液分散

非均相液液分散是指两种不互溶的液体进行混合。由于两种液体不互溶，故在它们之间总存在物相界的分界面。一般来说，在非均相液液分散操作中，总有一种液体的体积分数较大，这种液体称为主液相，而另一种体积分数较小的液体称为分散相。这种操作的目的是使分散相液体能以尽可能小的液滴均匀分散到主液相中，即使两相获得最大的接触面积。无论是反应、传热或传质过程，参与的两相总是以接触面积越大越有利。

研究表明，当搅拌器达到一定的转速后，在开始阶段，两种液体的两相分界线在流动过程中会逐渐消失，当搅拌器的转速继续加大，随着搅拌过程的进行，大的分散相液团或液滴会被桨叶的旋转和液体的流动所打碎。同时，在液体本身所具有的黏度和表面张力的作用下，较小的液滴会再次聚合成较大的液滴，这两个过程总是在同时进行，不同的只是哪个过程占主要地位。较大的液滴被打碎的能量来自流体流动时具有的分裂能，而较小的液滴聚合成较大液滴的能量来自液体本身的黏性能和表面能。流体的分裂能需要靠搅拌叶轮旋转时对液体所作用的剪切力来提供，该剪切力随叶轮的转速提高而增大，同时与叶轮本身的结构有关。当分散相的液滴较大时，该液滴受到的周围流体对其作用的分裂能也较大，此时，大液滴容易被分裂成较小液滴。如这些较小液滴的黏性能和表面能仍小于周围流体对它们所作用的分裂能时，这些较小液滴会进一步分散成更小的液滴，直至小液滴所受到的分裂能与其本身的黏性能和表面能达到平衡，液液分散的过程也就达到了动态平衡。

二、搅拌器的选型与转速计算

由于液体的黏性能与液体的黏度有关，表面能与液体的表面张力有关，因此，在非均相液液分散操作中，分散相的黏度越大，表面张力越大，将越不容易分散。

为了使两种液体的两相分界线消失，搅拌器所需要的最低转速称为搅拌器的临界转速，对于六叶平直叶涡轮、45°折叶涡轮和推进式搅拌器，该转速可用式1估算。

式1

式中Nc---临界转速，r/s；

μc---连续相液体物料的黏度，Pa·s；

μD---分散相液体物料的黏度，Pa·s；

Δρ---两相密度差的绝对值，kg/m3；

ρc---液液相操作时连续相的密度，kg/m3；

σ---两相界面张力，N/m；

g ---重力加速度，m/s2；

C1，a1---系数，对于六叶平直叶开式涡轮，当C/H=1/4时，C1=3.178，a1=1.625，当C/H=1/2时，C1=3.996，a1=0.881；

C---搅拌器离槽底的距离，m；

H---液面高度，m。

经实验结果与式1的计算结果对比发现，实验所需的临界转速比计算结果最多大20%，故在实际工程应用时，将式1的计算结果乘以1.2即可使两种液体的两相分界线消失。

实验结果又表明，对于六叶平直叶涡轮、45°折叶涡轮和推进式搅拌器三种搅拌器，所需的临界转速是依次递增的。由于在相同的转速下，这三种搅拌器旋转时对液体所产生的剪切力依次减小，故进一步说明对于非均相液液分散操作来说，搅拌器对液体所产生的剪切力将起主要作用。

但在工程应用中，仅使两种液体的两相分界线消失往往是不够的，有时还需分散相以较小的液滴直径分布在连续相中，甚至有时要求使两相混合成乳液状。因此，当要求非均相液液分散操作的混合效果较好时，一般应使搅拌叶轮的叶端线速度满足：v≥5~7m/s

另外，实验表明，为使液体获得足够的分裂能，还应使液体的流动状态为湍流。因此，须使雷诺数满足式2即：

式2

 

式中dj---搅拌器直径，m；

N---搅拌器转速，r/s；

ρ---密度，kg/m3；

μ---黏度，Pa·s。

 

三、总结

适合非均相液液分散操作的搅拌器叶轮应能对流体提供较强的剪切力，以提供分散相较大的分裂能，从而使分散相的液滴细化。对于该类型的搅拌操作，一般不宜选择折叶开式涡轮的搅拌器。桨叶型式可选择直叶开式涡轮。这种搅拌器在旋转时，对液体具有较强的剪切力，其结构尺寸和安装尺寸可按下述条件确定：

① 搅拌器直径与槽内径的比值约为1/3。

② 当液面高度H与槽内径D之比超过1.0时，应采用两个搅拌器。

③ 搅拌器叶轮中心线至槽底部的距离c可取槽内径的1/3。

④ 应安装挡板，并符合全挡板条件。

为获得好的搅拌效果，搅拌器应在湍流状态下工作。因此，在确定搅拌器的转速时，除按式1进行计算外，还应使得雷诺数Re≥2000，同时，搅拌器的叶端线速度应达到5～7m/s。