攪拌器的選型

攪拌器是反應(yīng)釜的重要組成部分，是一種廣泛應(yīng)用的操作單元，它的復(fù)雜性在于它的原理要涉及流體力學(xué)、傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)等多種過(guò)程。

一、攪拌器在化工生產(chǎn)中的用途

化工生產(chǎn)的各種工藝過(guò)程涉及到各種不同特性的物料，各種不同的攪拌目的，所選的攪拌器不同，工藝過(guò)程種類多，攪拌的用途也多。

1、液體的互溶

兩種或多種液體的互溶、混合，但是均相液體的攪拌又應(yīng)區(qū)分均相液體混合物中是否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，對(duì)于沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)的情況，通常稱為互溶液體的調(diào)和或調(diào)勻。對(duì)于兩種或數(shù)種互溶液體間存在化學(xué)反應(yīng)的情形，為了加速反應(yīng)或使反應(yīng)完全，也應(yīng)進(jìn)行攪拌。

2、互不相容液體的分散

這種操作目的是互不相溶的液體相互接觸，相互充分分散，以有利于傳質(zhì)或換學(xué)反應(yīng)，或制備懸濁液和乳化液。攪拌的作用是使液滴細(xì)化，增大相對(duì)接觸面積。

3、氣液相的接觸

這種攪拌使氣體成為細(xì)微氣泡，在液相中均勻分散，形成穩(wěn)定的分散質(zhì)，或增強(qiáng)液體吸收氣體，或加快氣液相發(fā)展化學(xué)反應(yīng)等。

4、固液相的分散

顧葉祥的攪拌用途較廣，有時(shí)是制備均勻懸浮液，有時(shí)是固體的溶解，有時(shí)是固液相間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，有時(shí)是固相在液體中洗滌，有時(shí)是從飽和液體中析出晶體等。

5、加強(qiáng)傳熱

有些液體反應(yīng)的時(shí)候需要加熱或者冷卻，通過(guò)攪拌提高液體的傳熱速度或者使液體的溫度更均勻。

二、攪拌器的形式

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1、推進(jìn)式攪拌器

推進(jìn)式攪拌器常用整體鑄造，加工方便，結(jié)構(gòu)類似于輪船的螺旋推進(jìn)器，常有三片槳葉組成。

推進(jìn)式攪拌器直徑取反應(yīng)釜內(nèi)經(jīng)的1/4～1/3，切向線速度可達(dá)5～15m/s，轉(zhuǎn)速為300～600rpm，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)1750rpm。一般說(shuō)小直徑取高轉(zhuǎn)速，大直徑取低轉(zhuǎn)速。攪拌時(shí)能使物料在反應(yīng)釜內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，所起的作用以容積循環(huán)為主，剪切作用小，上下翻騰效果好，但采用擋板或者導(dǎo)流筒則軸向循環(huán)更強(qiáng)。

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2、槳式攪拌器

槳式攪拌器是一種結(jié)構(gòu)和加工都非常簡(jiǎn)單的攪拌器，共兩片槳葉，槳葉安裝形式可分為平直葉和折葉兩種，平直葉就是葉面與旋轉(zhuǎn)方向互相垂直，折葉則是葉面與旋轉(zhuǎn)方向呈一定的傾斜角度。

槳式攪拌器直徑取反應(yīng)釜內(nèi)經(jīng)的1/3～4/5，一般取1/2，不宜采用太長(zhǎng)的槳葉，因?yàn)閿嚢杵飨牡墓β逝c槳葉直徑的五次方成正比。槳式攪拌器的運(yùn)轉(zhuǎn)速度較慢，轉(zhuǎn)速一般為20～80rpm，圓周速度在1.5～3m/s范圍內(nèi)比較合適。平直葉攪拌器其低速時(shí)以水平環(huán)向流為主，速度高時(shí)為徑流型；有擋板時(shí)為上下循環(huán)流；折葉攪拌器有軸向分流、徑向分流和環(huán)向分流，一般在層流、過(guò)度流狀態(tài)時(shí)操作。

在料液層比較高的情況下，裝有幾層槳葉，相鄰兩層槳葉常交叉成90°角安裝。在一般情況下，幾層槳葉安裝位置如下：

一層安裝在下封頭對(duì)接環(huán)焊縫高度處；

二層的話，一層安裝在下封頭對(duì)接環(huán)焊縫高度處；另一層安裝在下封頭對(duì)接環(huán)焊縫與液面的中間的二分之一處或者稍高處；

三層的話，一層安裝在下封頭對(duì)接環(huán)焊縫高度處，另一層安裝在液面下約200mm處，中間再安裝一層。

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3、渦輪式攪拌器

渦輪式攪拌器有開(kāi)啟式的和帶圓盤(pán)式的，槳葉分為平直葉和彎葉兩種。攪拌葉一般和圓盤(pán)焊接或者用螺栓連接，也有鑄造而成的。蝸輪式攪拌器直徑取反應(yīng)釜內(nèi)經(jīng)的1/5～1/2，一般取1/3，槳葉一般為6片，其切向線速度為4～10m/s，轉(zhuǎn)速為10～300rpm，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)600rpm。渦輪式攪拌器使流體均勻的由垂直方向運(yùn)動(dòng)改變?yōu)樗椒较蜻\(yùn)動(dòng)，自渦輪流出的高速液流沿圓周運(yùn)動(dòng)的切線方向散開(kāi)，使在整個(gè)液體內(nèi)得到激烈的攪拌，當(dāng)采用擋板時(shí)帶圓盤(pán)渦輪式攪拌器的流體以槳葉為界限形成上下兩個(gè)循環(huán)流，折葉的有軸向分流。圓盤(pán)上下的液體混合不如開(kāi)啟渦輪式。

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4、框式和錨式攪拌器

框式攪拌器可以視為槳式攪拌器的變形，水平的槳葉與垂直的槳葉連成一體成為剛性的框架，結(jié)構(gòu)比較堅(jiān)固，當(dāng)這種攪拌器底部形狀和反應(yīng)釜下封頭形狀相似時(shí)，常稱為錨式攪拌器。攪拌器一般用扁鋼或者角鋼彎制。

框式或錨式攪拌器的框架或錨架直徑往往較大，通常其直徑取反應(yīng)釜內(nèi)經(jīng)的2/3～9/10，其切向線速度為0.5～1.5m/s，轉(zhuǎn)速為30～80rpm，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)100rpm左右。一般為層流狀態(tài)操作。又是為了增大攪拌范圍，在槳上增加 立葉和橫梁。

5、螺帶式攪拌器

螺帶式攪拌器專用于高粘度液體的攪拌。攪拌器是由鋼帶按一定螺距旋形繞成，鋼帶的外沿常做成幾乎貼近釜內(nèi)壁，與釜內(nèi)壁的間隙很小，故攪拌時(shí)能不斷將粘于釜壁的沉積物料刮掉。一般轉(zhuǎn)速較低，約0.5～50rpm，其線速度小于2m/s。運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，液體成軸流型，一般是液體沿釜壁螺旋上升再沿槳軸而下，屬層流狀態(tài)操作。

6、其他形式攪拌

除上述五種攪拌外，還有很多種攪拌器。例如：螺桿式、布爾馬金式、三葉后掠式、圓筒式、行星式攪拌器等。

螺桿式攪拌器一般直徑不大，只有反應(yīng)釜內(nèi)經(jīng)的2/5～1/2，轉(zhuǎn)速為0.5～50rpm，流動(dòng)狀態(tài)與螺帶式攪拌器相同，不同處是螺桿式攪拌器可以偏心放在反應(yīng)釜內(nèi)。

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三、攪拌器的選型

反應(yīng)釜攪拌器一個(gè)好的選型方法最好具備兩個(gè)條件：一是選擇結(jié)果合理，一是選擇方法簡(jiǎn)便，而這兩點(diǎn)卻往往難以同時(shí)具備。

由于液體的粘度對(duì)攪拌狀態(tài)有很大的影響，所以根據(jù)反應(yīng)釜內(nèi)攪拌介質(zhì)粘度大小來(lái)選型是一種基本的方法。幾種典型的攪拌器都隨粘度的高低而有不同的使用范圍。隨粘度增高的各種攪拌器使用順序?yàn)橥七M(jìn)式、渦輪式、漿式、錨式和螺帶式等，這里對(duì)推進(jìn)式的分得較細(xì)，提出了大容量液體時(shí)用低轉(zhuǎn)速，小容量液體時(shí)用高轉(zhuǎn)速。這個(gè)選型圖不是絕對(duì)地規(guī)定了使用漿型的限制，實(shí)際上各種漿型的使用范圍是有重疊的，例如漿式由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，用擋板可以改善流型，所以在低粘度時(shí)也是應(yīng)用得較普遍的，而蝸輪式由于其對(duì)流循環(huán)能力、湍流擴(kuò)散和剪切力都較強(qiáng)，幾乎是應(yīng)用最廣的一種漿型。

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根據(jù)攪拌過(guò)程的目的與攪器適成的流動(dòng)狀態(tài)判斷該過(guò)程所適用的漿型，這是一種比較合用的方法。

推薦漿型是把漿型分成快速型與慢速型兩類，前者在湍流狀態(tài)操作，后者在層流狀態(tài)操作。選用時(shí)根據(jù)攪拌目的與流動(dòng)狀態(tài)來(lái)決定槳型及擋板條件，流動(dòng)狀態(tài)的決定要受攪拌介質(zhì)的粘度高低的影響。

下面對(duì)其中幾個(gè)主要的過(guò)程進(jìn)一步做些說(shuō)明：

1、低粘度均相液體混合，是難度最小的一種攪拌過(guò)程，只有當(dāng)容積很大且要求混合時(shí)間很短時(shí)才比較困難。由于推進(jìn)式的循環(huán)能力強(qiáng)且消耗動(dòng)力少，所以是最合適的。

2、對(duì)分散操作過(guò)程，渦輪式因具有高剪切力和較大循環(huán)能力，所以最為適用。特別是平直葉渦輪的剪力作用比折葉和彎葉的剪力作用大，就更為合適。推進(jìn)式和槳式由于其剪切力比平直葉渦輪的小，所以只能在液體分散量較小的情況下可用，而其中槳式很少用于分散操作。分散操作都有擋板來(lái)加強(qiáng)剪切效果。

3、固體懸浮操作以渦輪式的使用范圍最大，其中以開(kāi)啟渦輪式為最好。它沒(méi)有中間的圓盤(pán)部分，不致阻礙槳葉上下的液相混合，而且彎葉開(kāi)啟渦輪的優(yōu)點(diǎn)更突出，它的排出性好、槳葉不易磨損，所以用于固體懸浮操作更合適。推進(jìn)式的使用范圍較窄，固液比重差大或固液比在50%以上時(shí)不適用。使用擋板時(shí)，要注意防止固體顆粒在擋板角落上的堆積。一般固液比較低時(shí)，才用擋板，而折葉開(kāi)啟渦輪、推進(jìn)式都有軸向流，所以也可以不用擋板。

4、氣體吸收過(guò)程以圓盤(pán)式輪最合運(yùn)，它的剪切力強(qiáng)，而且圓盤(pán)的下面可以存住一些氣體，使氣體的分散更穩(wěn)定，而開(kāi)式渦輪就沒(méi)有這個(gè)優(yōu)。槳式及推進(jìn)式對(duì)氣體吸收過(guò)程基本上不合用，只有在少量以吸收的氣體要求分散度不高時(shí)還能應(yīng)用。

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