单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,流体力学学习总结资料,1,流体力学学习总结资料1,第,1,章 流体力学基础知识,第,2,章 流体粘性,第,3,章 流体运动,第,4,章 流体搅拌,4-2,搅拌功率计算,4-3,搅拌器的流动特性及转速确定,4-1,搅拌反应器的选用,2,第1章 流体力学基础知识第2章 流体粘性第3章 流体运,场论,张量,梯度 散度 旋度,压缩性 易流动性,粘性,质量力 表面力（,压强 剪切力,）,运动粘度,动力粘度,粘温关系,流体类型,牛顿流体 非牛顿流体拟 （假）塑性流体,流体运动描述,-,拉格朗日法,/,欧拉法,流量 流速,流线 迹线 流面 流管 流束,层流 湍流,雷诺准数,伯努利方程式,搅拌器类型,轴向流 径向流 切向流 打旋,挡板,导流筒,场论,张量,梯度 散度 旋度,压缩性 易流动性,粘性,质量力 表面力（,压强 剪切力,）,运动粘度,动力粘度,粘温关系,流体类型,牛顿流体 非牛顿流体,拟 （假）塑性流体,流体运动描述,-,拉格朗日法,/,欧拉法,流量 流速,流线 迹线,流面 流管 流束,层流 湍流,雷诺准数 伯努利方程式,搅拌器类型,轴向流 径向流 切向流,打旋,挡板,导流筒,3,场论 张量 梯度 散度 旋度 压缩性 易流动性 粘性 质量力,4-1,搅拌反应器的选用,搅拌反应器作用：,1,）推动液体流动，混匀物料,2,）产生剪切力，分散物料，并使之悬浮,3,）增加流体的湍动，提高传热效率,4,）加速物料的分散与合并，增大物质的传递速率,搅拌反应器内流体流动状况：,宏观流动：,指流体以大尺寸（凝集流体、气泡、液滴）在大范围（整个釜内空间）中的流动状况，也称,循环流动,（轴向、切向、径向）,微观流动：,指流体以小尺寸（小气泡、液滴分散成小微滴）在小范围（气泡、液滴大小空间）中湍流状况，微观流动是由于搅拌桨的,剪切作用,而引起的局部混合作用，它促使气泡、液滴细微化，最后由于分子扩散达到微观混合。,4,4-1 搅拌反应器的选用4,桨式搅拌器,：,桨叶构形为平桨、斜桨、锚形桨或框形桨；,平桨转动,时主要是水平液流，搅拌不激烈；,斜桨,除水平液流外，还有向上或向下的垂直液流，搅拌较激烈；,对于,高黏度液体搅拌，一般把形状做成锚式或框式,，与釜壁间隙小，转速低，剪切作用小，但是搅拌范围大，不易产生死区，特别是必须通过釜壁传热时，可以利用桨叶刮扫来防止搅拌器与釜壁间产生滞流层，促进传热。粘度高于,10Pa.s,时，由于功率消耗太大，不宜采用。,不同类型搅拌器特点：,推进式搅拌器：,搅拌时，流体的由桨叶上方吸入，而由下方以圆筒状螺旋形排出，即驱使流体向下流动，轴向分速度使液体沿轴向流动，待流至釜底再沿壁折回至螺旋桨上方，形成轴向循环流动，同时也存在部分径向运动。,适用于液体黏度低，液量大的液体搅拌，利用较小的搅拌功率通过高速转动的桨叶获得良好的搅拌效果。由于其剪切作用不大，循环性能好，属于,循环型搅拌器,，与平桨合用，可增加剪切作用。,5,桨式搅拌器：不同类型搅拌器特点：推进式搅拌器：5,涡轮式搅拌器：,又称,透平搅拌器,，有,开式和闭式,两类。,根据桨叶形状，有平直叶片、弯曲叶片、倾斜叶片等。,从流动情况分析，物料被抽吸后，在离心力作用下，液体作切向和径向流动，并以很高的绝对速度从出口冲出。出口液体的,径向分速度使液体流向壁面，然后分成上、下两路回流入搅拌桨叶,，形成径向流况的循环流动，径向流动方向主要与釜壁和转轴垂直，并在釜壁和转轴附件折转而向上、下垂直流动，此时既有垂直液流，又有径向液流，使液体有良好的从顶到底的翻转运动而有利于液体混合。,涡轮式搅拌器有较大的剪切力，可以使液体微团分散的很细,，适用于低黏度到中等黏度液体的混合、液,-,液分散、液,-,固悬浮及促进良好的传热、传质或化学反应,平直叶片剪切作用较大，弯叶是指叶片朝着流动方向弯曲，,可以降低功率消耗,，,，但是其剪切作用没有直叶的好，,适用于含有,易碎固体颗粒的液体搅拌,。斜桨的排液能力 不如其他涡轮大，但由于旋转时产生的轴向流动分量，有助于固体颗粒的悬浮。,6,涡轮式搅拌器：6,螺杆及螺带式搅拌器：,当搅拌粘度大于,10Pa.s,的液体时，,不宜采用桨式、涡轮式、推进式搅拌器，,此时搅拌功率消耗明显增大，可用螺杆和螺带式搅拌器。,螺杆搅拌器又称,螺轴式搅拌器,，通常将螺杆桨置于釜中心，釜内设置离壁挡板或导流筒，提高釜内液体的搅拌强度并造成一定的循环流行，提高混合效率。,螺带搅拌器适用于黏度极高的场合（如达,10Pa.s,）。螺杆,/,螺带式搅拌器旋转时，内螺带迫使液体向下运动，外螺带则迫使液体由下向上的运动，从而可使液体充分混合，不致产生停滞区。外螺带还可以与釜内壁很好地吻合，直接刮扫釜壁上的液体，有利于夹套式搅拌釜的传热。,7,螺杆及螺带式搅拌器：7,1,、均相液体混合：,主要控制因素是,容积循环速率,桨式搅拌器因结构简单可优先考虑，但其混合效率稍差，如果要求快速混合，可选用推进式或涡轮式，湍流操作时，一般加挡板为宜。,按工艺过程操作类别选用搅拌器的原则：,2,、非均相液体混合,：,主要控制因素是,液滴大小（分散度）,及,容积循环速率,为保证液体能分散成细滴，要求搅拌器有较大的剪切力；为保证液滴在釜内均匀地分散，要求有较大的容积循环速率；,涡轮式桨叶具有较大局部剪切作用和容积循环效率，对此类操作效果较好。其中以开式平直叶涡轮剪切作用最大，其液滴分散度最大。当分散黏度较大液体时，考虑用弯叶涡轮，以减少动力消耗。,3,、,固体悬浮：,保证颗粒均匀和不沉降主要因素是,容积循环速率,及,湍流强度,根据颗粒性质及固含量选用搅拌器，当固体粒子较大，固液密度差较大，固,/,液比,30%,，通常选用开式涡轮；粒子较小，固液密度差较小，固,/,液比,60%90%,时，常选用平桨；推进式适用于固液密度差小，固,/,液比,50%,时的搅拌。,8,1、均相液体混合：主要控制因素是容积循环速率按工艺过程操作类,4,、气体吸收及气液相反应：,保证气体进入液体后被打散，进而能分散成更小气泡并均匀分散，故控制因素是,局部剪切作用,、,容积循环速率,及,高转速,这类操作以圆盘式涡轮最理想，特别是在湍流区操作时，使用圆盘式涡轮可以防止气体由喷气圈进入后，从搅拌桨叶中央固体旋转部处走短路，降低吸收效果。,5,、高黏度体系：,由于体系黏度很大，搅拌转速低，物料处于层流状态，不可能有明显地局部剪切作用，控制因素是,容积循环速率,及,低转速,由于体系黏度很大，搅拌转速低，物料处于层流状态，不可能有明显的局部剪切作用。体系黏度大，靠单一径向流和轴向流已不能适应混合的需要，此时需要有较大的面积推动力，随着黏度增大可依次选用：透平、锚式、框式、螺杆、螺带、特殊型高粘度搅拌器。,聚合后期的高粘度操作：,变速搅拌装置，以适应不同阶段的搅拌要求,多釜串联，每釜按不同黏度设置合适的搅拌器及操作条件,搅拌雷诺数不够时，就可能出现在近釜壁处的液体处于停滞状态,，降低搅拌效果，如果是釜壁液体流动所需要的最低雷诺数较小，表明该搅拌桨叶的搅拌效果好,9,4、气体吸收及气液相反应：保证气体进入液体后被打散，进而能分,搅拌器选型表,搅拌器适用液体范围,总之，搅拌器选用远非理论上可以加以推定，大量是依靠实践与经验的总结！,10,搅拌器选型表搅拌器适用液体范围总之，搅拌器选用远非理论上可以,4-2,搅拌功率计算,搅拌器功率计算的用途：,1,）、衡量搅拌强度的主要物理量,2,）、搅拌器机械设计的基本依据,3,）、电机选用的重要依据,搅拌系统,中,，,几何因素（釜径、桨叶宽度、挡板尺寸、液深）与桨叶直径成正比，,故影响搅拌功率的几何因素可以归结为搅拌器直径的影响,；,搅拌功率与各影响因素间的函数关系式为：,P=f(N,d,g),式中,P,为搅拌功率,W,；,N,为叶轮转速，,r/s,；,D,为叶轮直径，,m,；为液体密度，,kg/m,3,；为液体粘度，,Pa,s,；,g,为重力加速度，,9.81m/s,2,。,A,、均相液体的搅拌功率,：,11,4-2 搅拌功率计算搅拌器功率计算的用途：搅,搅拌功率的因次分析推导：,12,搅拌功率的因次分析推导：12,N,p,为功率准数,，是反应搅拌功率的准数；,N,Re,为搅拌雷诺数,，是反映物料流动状况对搅拌功率影响的准数；,N,Fr,为弗劳德数,，即流体的惯性力与重力之比，是,反映重力对搅拌功率影响的准数,。,K,为系统的总形状系数，反映系统的几何构型对搅拌功率的影响；,p,q,为指数，其值与物料流动状况及搅拌器型式和尺寸等因素有关。,13,Np为功率准数，是反应搅拌功率的准数；13,14,14,（,1,）层流区：,搅拌,时,釜内物料不会发生打旋现象，则重力对搅拌功率的影响可忽略,，,此时,q=0,，,此时,=Np,；此时直线斜率近似,-1,，,p=-1,代入,得：,则,P=N,3,D,5,或,P=,1,N,2,D,3,（,K,1,为与搅拌器结构型式有关常数,）,不同搅拌器,K,1,、,K,2,值,(,换表,),15,（1）层流区：搅拌时釜内物料不会发生打旋现象，则重力对搅拌功,（,2,）,过渡区,：,符合,全挡板条件,时,，,可不考虑打旋现象的影响,，按照（,1,）中层流区公式计算搅拌功率；,若,N,Re,300,且釜内 未设置挡板,，,则重力影响不能忽略,。,式中，为搅拌器型式和尺寸有关的的常数,（,3,）湍流区：,釜内未设置挡板，物料会发生打旋现象，按照（,2,）中公式计算功率；,若设置挡板，物料不发生打旋现象，故重力影响可以忽略；此时,值几乎与,N,Re,无关，即,为常数，从而有：,搅拌器的,和,值（换表）,P=K,2,N,3,D,5,式中,K,2,为与搅拌器结构型式有关的常数,16,（2）过渡区：式中，为搅拌器型式和尺寸有关的的常数（3,全挡板的概念：,挡板数增加，动力消耗也增加。当挡板数增加到一定程度时，搅动功率,P,增加到最大值，此时这种条件称为“全挡板条件”。,通常以挡板系数,K,B,来表征挡板程度。,式中，,B,w,为挡板宽度，,T,为釜径，,n,B,为挡板块数。,当,K,B,=0.35,时，称为全挡板条件，当,K,B,=0,时，为无挡板条件；在,00.35,之间时称为部分挡板条件。通常釜内安装,4,块,Bw,/T=0.1,的挡板可近似看做全挡板条件处理。,通常用,K,BF,、,K,B,、,K,BN,分别为全挡板，部分挡板以及无挡板时的挡板系数。,17,全挡板的概念：挡板数增加，动力消耗也增加。当挡板数增加到一定,B,、非均相液体的搅拌功率,关键是求出平均密度、平均黏度！,18,B、非均相液体的搅拌功率关键是求出平均密度、平均黏度！,气,-,液非均相搅拌,（,经验式,(Calderbank,的研究结果,),）,通气时的搅拌功率可用下式计算,:,式中,N,g,为通气时的搅拌功率，,W,；,N,为不通气时的搅拌功率，,W,；,Q,为操作状态下的通气量，,m/s,，,n,为叶轮转速，,r/s,d,为叶轮直径，,m,。,19,气-液非均相搅拌（经验式(Calderbank的研究结果,C,、非牛顿液体的搅拌功率,假塑性流体,粘度可变,问题：难于确定釜内流体的粘度和计算搅拌功率,解决：计算,N,Re,时表观粘度,a,代替粘度,对象：非牛顿流体的搅拌功率的研究绝大多数是以层流为研究对象,20,C、非牛顿液体的搅拌功率假塑性流体粘度可变20,非牛顿型液体的表观黏度可用下式计算,:,式中,a,为非牛顿型液体表观黏度，,Pa,s,；,K,为稠度系数，取决于流体的温,度和压力；,m,为流变指数，反映与牛顿型流体的差异程度。对于牛顿型流体，,m=1,；,B,为与搅拌器结构有关的常数，其,中,K,值,，,m,，,及,B,参考下,表,。,21,非牛顿型液体的表观黏度可用下式计算:21,一、搅拌器的循环特性（,q,d,、,N,qd,、,N,q