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搅拌知识一 搅拌的基本流型搅拌设备内的流型取决于搅拌方式，搅拌器、釜、挡板等的几何特征，流体性质以及转速等因素。在一般情况下，搅拌轴安装在釜中心时，搅拌将产生三种基本流型：1 切向流2 轴向流（图中b, c）3 径向流（图中a, d, e, f）。上述三种基本流型，通常可能同时存在。其中，轴向流与径向流对混合起主要作用，而切向流应加以抑制，可通过加人挡板削弱切向流，以增强轴向流与径向流。不同的桨型和桨径对流型有重要的影响，如下图所示。图中b，c为轴向流，但是采用大直径的PBT桨叶或者流体粘度增大会使流型转变成径向流。另外，采用多层PBT桨也会使各桨叶产生单独的径向流。在无挡板的搅拌容器中，搅拌器偏心安装可以获得较好的搅拌效果。而在大型油釜中，若采用搅拌器侧面插入安装方式，通常可获得较好的釜内整体循环。该场合若采用侧面射流混合方式，也可得到相似的混合效果，如下图所示。不同介质粘度的搅拌粘度系指流体对流动的阻抗能力，其定义为：液体以1cm/s的速度流动时，在每1cm2平面上所需剪应力的大小，称为动力粘度，以Pa×s为单位。粘度是流体的一种属性。流体在管路中流动时，有层流、过渡流、湍流三种状态，搅拌设备中同样也存在这三种流动状态，而决定这些状态的主要参数之一就是流体的粘度。在搅拌过程中，一般认为粘度小于5Pa×s的为低粘度流体，例如：水、蓖麻油、饴糖、果酱、蜂蜜、润滑油重油、低粘乳液等；550Pa×s的为中粘度流体，例如：油墨、牙膏等；50500Pa×s的为高粘度流体，例如口香糖、增塑溶胶、固体燃料等；大于500Pa×s的为特高粘流体例如：橡胶混合物、塑料熔体、有机硅等。对于低粘度介质，用小直径的高转速的搅拌器就能带动周围的流体循环，并至远处。而高粘度介质的流体则不然，需直接用搅拌器来推动。适用于低粘和中粘流体的叶轮有桨式、开启涡轮式、推进式、长薄叶螺旋桨式、圆盘涡轮式、布鲁马金式、板框桨式、三叶后弯式、MIG式等。适用于高粘和特高粘流体的叶轮有螺带式叶轮、螺杆式、锚式、框式、螺旋桨式等。有的流体粘度随反应进行而变化，就需要用能适合宽粘度领域的叶轮，如泛能式叶轮等。搅拌设备的基本结构与选型1.搅拌容器搅拌容器常被称作搅拌釜（或搅拌槽），当搅拌设备用作反应器时，又被称为搅拌釜式反应器，有时简称反应釜。釜体的结构型式通常是立式圆筒形，其高径比值主要依据操作是容器装液高径比以及装料系数大小而定。而容器的装液高径比又视容器内物料的性质、搅拌特征和搅拌器层数而异，一般取11.3，最大时可达6。釜底形状有平底、椭圆底、锥形底等有时亦可用方形釜。同时，根据工艺的传热要求，釜体外可加夹套，并通以蒸气、冷却水等载热介质；当传热面积不足时，还可在釜体内部设置盘管等。在选择搅拌容器时，应根据生产规模（即物料处理量）、搅拌操作目的和物料特性确定搅拌容器的形状和尺寸，在确定搅拌容器的容积时应合理选择装料系数，尽量提高设备的利用率。如果没有特殊需要，釜体一般宜选用最常用的立式圆筒形容器，并选择适宜的筒体高径比(或容器装液高径比)。若有传热要求，则釜体外须设置夹套结构。夹套种类有整体夹套、螺旋挡板夹套、半管夹套、蜂窝夹套，传热效果依次提高但制造成本也相应增加。当搅拌釜卧式放置时，大多进行半釜操作。因此卧式釜与立式釜相比有更多的气-液接触面积，因而卧式釜常用于气-液传质过程，如气-液吸收或从高粘度液体中脱除少量易挥发物质，另一方面，卧式釜的料层较浅，有利于搅拌器将粉末搅动，并可借搅拌器的高速回转使粉体抛扬起来，使粉体在瞬间失重状态下进行混合。搅拌容器的材料要满足生产工艺的要求，例如耐压、耐温、耐介质腐蚀，以及保证产品清洁等。由于材料的不同，搅拌容器的制造工艺、结构也有所不同，因此可分为钢制搅拌设备、搪玻璃搅拌设备和带衬里的搅拌设备等。装衬里的目的是为了耐蚀或保护产品的清洁，衬里的种类很多，主要有不锈钢、铝、钛、铅、镍、锆、耐酸瓷砖、辉绿岩板、橡胶等。2.搅拌器和搅拌轴2.1 搅拌器搅拌器又被称作叶轮或桨叶，它是搅拌设备的核心部件。根据搅拌器的搅拌釜内产生的流型，搅拌器基本上可以分为轴向流和径向流两种。例如，推进式叶轮、新型翼型叶轮等属于轴向流搅拌器，而各种直叶、弯叶涡轮叶轮则属于径向流搅拌器。搅拌器通常自搅拌釜顶部中心垂直插入釜内，有时也采用侧面插入，底部伸入或侧面伸入方式，应依据不同的搅拌要求选择不同的安装方式。顶伸式侧入式底伸式2.2 搅拌轴搅拌设备中的电动机输出的动力是通过搅拌轴传递给搅拌器的，因此搅拌轴必须足够的强度。同时，搅拌轴既要与搅拌器连接，又要穿过轴封装置以及轴承、联轴器等零件，所以搅拌轴还应有合理的结构、较高的加工精度和配合公差。按支承情况，搅拌轴可分为悬臂式和单跨式。悬臂式搅拌轴在搅拌设备内部不设置中间轴承或底轴承，因而维护检修方便，特别对洁净度要求较高的生物、食品或药品搅拌设备，减少了设备内的构件，故应优先选用。3.内构件包括挡板、盘管、导流筒、气体分布器等。为消除搅拌容器内液体的打旋现象，使被搅拌的液体上下翻腾而达到均匀的混合，通常需要再搅拌容器内加挡板。通常挡板的宽度约为容器内直径的1/121/10，其中设备内的附件如温度计、传热蛇管或各种支撑体也可以起到一定的挡板作用的，但往往达不到“全挡板条件”。通常增加挡板数计其宽度，功率消耗也会增加，但增加到一定值以后，功率消耗就不会再增加，此时的工况就称为“全挡板条件”。在搅拌容器内，流体可沿各个方向流向搅拌器，流体的行程长短不一，在需要控制回流的速度和方向，用于确定某一流况时可使用导流筒。导流筒是上下开口的圆筒，安装在容器内，在搅拌混合中起导流作用，既可提高容器内流体的搅拌程度，加强搅拌器对流体的直接剪切作用，又造成一定的循环流，使容器内流体均可通过导流筒内强烈混合区，提高混合效率。安装导流筒后，限定了循环路径，减少了流体短路的机会。导流筒主要用于推进式、螺杆式以及涡轮式搅拌器的导流。4.轴封轴封是搅拌设备的重要组成部分。轴封属于动密封，其作用是保证搅拌设备内处于一定的正压或真空状态，防止被搅拌的物料逸出和杂质的渗入，因而不是所有的转轴密封型式都能用于搅拌设备。在搅拌设备中，最常用的轴封有液封、填料密封和机械密封等。4.1 液封当搅拌设备内工作压力为常压，轴封的作用仅是为了防止灰尘与杂质进人内部工作介质，或者隔离工作介质与搅拌设备周围的环境介质相互接触时，可选用液封。液封结构简单，没有与传动轴直接接触引起摩擦的零件。但为保证圆柱形壳体或静止元件与旋转元件之间的间隙符合设计要求，其密封部位零件的加工、安装要求较高。同时，受结构特点的影响，液封的使用范围较窄。一般适用于工作介质为非易燃易爆或毒性程度轻度危害，设备内工作压力等于大气压力，且温度范围在20-80的场合。值得注意的是，液体工作介质不可充满搅拌设备；而且封液应尽可能采用搅拌设备内工作介质，或与工作介质不发生物理化学作用的中性液体，同时必须极少挥发且不污染大气。4.2填料密封是搅拌设备较早采用的一种转轴密封结构，具有结构简单、制造要求低、维护保养方便等优点。但其填料易磨损，密封可靠性较差，一般只适用于常压或低压低转速、非腐蚀性和弱腐蚀性介质，并允许定期维护的搅拌设备。4.3 机械密封机械密封是把转轴的密封面从轴向改为径向，通过动环和静环两个端面的相互贴合，并作相对运动达到密封的装置，又称端面密封。机械密封的泄漏率低，密封性能可靠，功耗小，使用寿命长，无需经常维修，且能满足生产过程自动化和高温、低温、高压、高真空、高速以及各种易燃、易爆、腐蚀性、磨蚀性介质和含固体颗粒介质的密封要求。与填料密封相比，机械密封具有以下优点：1、密封可靠，在长期运转中密封状态稳定，泄漏量很小，其泄漏量仅为填料密封的1%左右；2、使用寿命长，在油、水介质中一般可达1-2年或更长，在化工介质中一般能工作半年以上；3、摩擦功率消耗低，其摩擦功率仅为填料密封的10-50%；4、轴或轴套基本上不磨损；5、维修周期长，端面磨损后可自动补偿，一般情况下不需经常性维修；6、抗振性好，对旋转轴的振动、偏摆以及轴对密封腔的偏斜不敏感；7、适用范围广，能用于高温、低温、高压、真空、不同旋转频率，以及各种腐蚀性介质和含磨粒介质的密封。正是由于机械密封的上述优点，其在搅拌设备上已被广泛使用。机械密封有单端面机械密封和双端面机械密封两种，单端面机械密封价格较低，当单端面机械密封不能达到要求时，需用双端面机械密封。单机械密封双机械密封当搅拌介质为剧毒、易燃、易爆，或较为昂贵的高纯度物料，或者需要在高真空状态下操作，对密封要求很高，且填料密封和机械密封均无法满足时，可选用全封闭的磁力传动装置。5.传动装置搅拌设备的传动装置包括电动机、变速器、联轴器、轴承及机架等。其中搅拌驱动机构通常采用电动机和变速器的组合或选用带变频器的电机，使搅拌达到需要的转速。传动装置的作用是使搅拌轴以所需的转速转动，并保证搅拌轴获得所需的扭矩。在距大多数搅拌设备中，搅拌轴只有一根，且搅拌器以恒定的速度向一个方向旋转。然而也有一些特殊的搅拌设备，为获得更佳的混合效果，可以在一个搅拌设备内使用两根搅拌轴，并让搅拌器进行的复杂的运动，如往复动式、往复式、行星式等。5.1 电动机搅拌设备的搅拌轴通常由电动机驱动。由于搅拌设备的转速一般都比较低，因而电动机绝大多数情况下都是与变速器组合在一起使用的，有时也采用变频器直接调速。为此，选用电动机时，应特别考虑与变速器匹配问题。通常应根据搅拌轴功率和搅拌设备周围的工作环境等因素选择电动机的型号，并遵循以下基本原则：根据搅拌设备的负载性质和工艺条件对电动机的启动、制动、运转、调速等要求，选择电动机类型。根据负载转矩、转速变化范围和启动频繁程度等要求，考虑电动机的温升限制、过载能力和启动转矩，合理选择电动机容量，并确定冷却通风方式。同时选定的电动机型号和额定功率应满足搅拌设备开车时启动功率增大的要求。根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯和腐蚀及易燃易爆气体等，考虑必要的防护方式和电动机的结构型式，确定电动机的防爆等级和防护等级。对于气体或蒸汽爆炸危险环境，应根据爆炸危险环境的分区等级和爆炸危险区域内气体或蒸汽的级别、组别和电动机的使用条件，选择防爆电动机的结构型式和相应的级别、组别；对于粉尘爆炸危险环境，则根据爆炸危险环境的分区等级和电动机的使用条件，选择防爆、防护电动机的结构型式和相应的防爆、防护等级；对于火灾危险环境，则根据火灾危险环境的分区等级和电动机的使用条件，选择防护电动机的结构型式和相应的防护等级。化学腐蚀环境时，应根据腐蚀环境的分类选择相适应的电动机。根据企业电网电压标准和对功率因数的要求，确定电动机的电压等级。根据搅拌设备的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程的性能要求，以及机械减速的复杂程度，选择电动机的额定转速。除此之外，选择电动机还必须符合节能要求，并综合考虑运行可靠性、供货情况、备品备件通用性、安装检修难易程度、产品价格、运行和维修费用等因素。5.2 变速器变速器是用于原动机和工作机之间独立的闭式传动装置，其主要功能是降低转速，并相应增大扭矩。由于搅拌轴运转速度大多在30-600rpm范围内，小于电动机额定转速，故在电动机出口端大多需设置变速器。按变速能力，变速器可分为减速机和无级变速器两大类。按传动和结构特点来划分，减速机可分为摆线针轮减速机、齿轮减速机、蜗轮蜗杆减速机、皮带减速机四种。应根据工艺要求和操作环境，选配合适的变速器。所选用的变速器除应满足功率和输出转速的要求外，还应运转可靠，维修方便，并具有较高的机械效率和较低的噪声。5.2.1摆线针轮减速机摆线针轮减速机应用行星传动原理，采用摆线针齿啮合，是一种设计先进、结构新颖的减速机构，允许正、反向运转。它广泛应用于石油化工、轻工食品、制药、纺织印染、冶金矿山、污水处理及工程机械等各种传动机械的减速装置。行星齿轮减速机的最大特点是传动效率高，传动比范围广，传动功率可从10W到50000kW，体积和重量比普通齿轮减速机、蜗杆减速机小得多。但其结构较复杂，制造精度要求较高。5.2.2 齿轮减速机齿轮减速机包括圆柱齿轮减速机和圆锥齿轮减速机两种，其中圆柱齿轮减速机在所有减速机中应用最广，它传递功率的范围可从很小至4000kW，圆周速度也可从很低6070m/s；而圆锥齿轮减速机的输人轴和输出轴位置成90o配置，因而适用于输入、输出轴相互垂直的场合。齿轮减速机的主要特点是效率高，工作耐久，维护简便口按其减速齿轮的级数可分为单级、两级、三级甚至多级；按其轴在空间的相互配置可分为立式和卧式；按其运动简图的特点可分为展开式、同轴式和分流式等。为了避免减速机外廓尺寸过大，一般当传动比在8以下时，可采用单级齿轮减速机，大于8时，最好选用两级或两级以上齿轮减速机。5.2.3蜗轮蜗杆减速机蜗轮蜗杆减速机采用蜗轮蜗杆传动，主要用于传动比较大的场合，具有传动结构紧凑，轮廓尺寸小，工作平稳等优点，但效率较低，因而单级蜗杆减速机应用较多，两级蜗杆减速机则较少应用。单级蜗杆减速机传动比的范围一般为10-70。5.2.4 皮带减速机皮带减速机具有效率高、寿命长、结构紧凑、传动平稳、拆卸方便等特点，允许正反方向运转，在大型发酵装置中应用较多。5.2.5 机械无级变速器在相当多的搅拌操作中，由于工艺条件要求搅拌轴变速运转或搅拌工艺处于试验研究阶段使搅拌轴转速未定，往往需要选用无级变速器。机械无级变速器大多利用主功构件与从动构件接触处的摩擦(牵引)力传动来传递运动和扭矩，并通过改变主、从动件的相对位置以改变接触处的土作半径来实现无级变速。无级变速器的主要功能是根据生产实际需要随时调整工作转速，从而获得最合适的转速，即其传动比可在设计预定的范围内无级地进行改变，以简化变速传动结构、提高生产效率和产品质量、合理利用动能，同时可实现遥控及自动控制功能，减轻操作人员的劳动强度。无级变速器具有以下特点：结构简单。大多数行星摩擦式无级变速器由6-8个关键传动元件组成，传动元件数目较少，结构紧凑。外形尺寸小，整机制造相对较容易。变速范围较大。可简化传动结构，传动平稳、噪声极低。驱动功率较大，承载能力较强。输出机械特性优越。一般情况下，无级变速器低转速时恒扭矩输出特性较强，高转速时可达到恒功率输出。传动效率高，机构寿命长。正常使用寿命可达10年以上。由于上述特点，再加上其属于降速型传动，因而在搅拌设备上应用较多。值得注意的是：机械无级变速器与齿轮传动相比，超负载能力较差，而且工作过程中有滑动、丢转等现象。因此，在启动扭矩大、启动次数多、负荷变动大、有冲击负荷和急刹车等使用条件下，会降低变速器的使用寿命。考虑到这些因素，可在额定功率或扭矩的基础上再乘以一个系数，即采用比原规格稍大的、有一定裕量的无级变速器，或者设置保护装置，并在结构上尽量避免变速器受到苛刻的负荷条件。5.3 轴承在一般情况下，搅拌轴应尽可能设计成悬臂式的，以便于安装维护，减少介质腐蚀造成的影响。但搅拌轴悬臂过长且又较细时，常常会将轴扭弯，同时离心力的作用也随着递增，严重时可损坏搅拌轴。有些搅拌反应器的搅拌轴很长，需要安装中间轴承或底轴承以防搅拌轴下部摆动过大。装设中间轴承和底轴承虽然可以改变搅件轴的支承条件，减少搅拌轴的挠度。但同时增加了结构的夏杂性，给安装和检修带来困唯；而且多支点支承对中困难，安装不好会产生偏心，加剧轴承的磨损并产生振动；设备内轴承的润滑是利用容器内液体进行的，因此，当存在磨损性颗粒时，会进入轴承造成磨损、堵住咬死。所以，应当尽量避免采用中间轴承和底轴承。5.3.1 中间轴承中间轴承通常装在轴封的下方，或搅拌轴的中部，其位置主要取决于轴的稳定性以及安装、检修的方便等。但如果中间轴承浸没在介质中，轴承与器壁固定的拉杆起着横挡板的作用，既增加了搅拌功率的消耗，又使得液体分子之间的剪切作用加大，同时还必须考虑介质的腐蚀和磨损，因而要尽可能不用。常用的间轴承结构型式有三拉杆式、三槽钢三轴瓦式、井字槽钢式以及三拉杆吊挂式等。5.3.2 底轴承底轴承装在搅拌轴的底部，常用的底轴承结构型式有三足式、底部法兰式和迷宫三足式等几种。5.4 联轴器联轴器的作用是将两个独立设备的轴牢固地联在一起，以进行运动和功率的传递。根据联接结构的不同，上联轴器可以分为刚性联轴器、弹性联轴器和液力耦合器。刚性联轴器联接两轴时，轴线对中性好，允许在任何方向转动，结构简单，制造方便。弹性联轴器由于具有能够产生较大弹性变形和阻尼作用的弹性元件，具有较好的补偿相对位移、缓冲和吸震作用。液力耦合器具有电机过载保护及提高电机启动性能的能力，并且可以隔离振动，缓和冲击。根据安装位置的不同，联轴器可分为下联轴器和上联轴器。5.4.1 下联轴器下联轴器主要是对搅拌槽内的搅拌轴进行联接，必须采用刚性联轴器；安装方式有焊接式和可拆式两种。5.4 联轴器焊接式联轴器可移动式联轴器5.4.2 上联轴器上联轴器指搅拌轴与变速器或电动机出轴间的联轴器，其选取一般应按以下原则进行：采用无支点机架，并且除电动机或变速器支点外无其他支点时，必须采用刚性联轴器；在传递较小功率和较小轴承载荷的情况下，可采用刚性联轴器用于无中间轴承、底轴承和轴封上也不设轴承的单支点机架上；具备下列条件之一时，应选用弹性联轴器：a、采用双支点机架者；b、采用单支点机架，但设置了底轴承或设有中间导向轴承或轴封本体设置了可以作为支承的轴承者。另外，必须要注意的是：当搅拌轴系为悬臂结构时，减速机输出轴支承和架支承组成搅拌轴系的两个支承点，减速机输出轴与搅拌轴连接必须采用刚性联轴器。当搅拌轴系为单跨结构时，机架支承和釜内底轴承组成搅拌轴系的两个支承点，减速机输出轴与搅拌轴连接必须采用弹性联轴器。当搅拌轴系配置的轴封带有辅助支承或釜内设有中间轴承时，由于这两种支承属于提高轴封处旋转精度和轴系抗震扶正能力的辅助支承，搅拌轴系仍应按配置这两种辅助支承前的结构形式处理。对悬臂结构，减速机输出轴与搅拌轴连接必须采用刚性联轴器。对单跨结构，减速机输出轴与搅拌轴连接必须采用弹性联轴器。5.5 机架搅拌设备的机架应该使搅拌轴有足够的支承间距，以保证操作时搅拌轴下端的偏摆量不大。机架应保证变速器的输出轴与搅拌轴对中，同时还应与轴封装置对中。机架轴承除承受径向载荷外，还应承受搅拌器所产生的轴向力。大多数情况下，机架中间还要安装中间轴承装置，以改善搅拌轴的支承条件。机架的型式可分为无支点机架、单支点机架和双支点机架三种。5.5.1 无支点机架机架本身无支撑点，搅拌轴系以减速机输出轴的两个轴承支点作为支撑。适用于轴向力较小或仅受径向力，搅拌负载均匀的场合。在一些小功率和较小的轴向载荷等场合，可选用无支点机架，但同时必须满足下列条件之一：电动机与变速器具备两个支点，并经核算确认轴承能够承受由搅拌轴传递而来的径向和轴向载荷者；同时具备选用单支点机架条件中的和一项中之一者，上、下可以组成一对轴支承。5.5.2 单支点机架机架设有能承受双向载荷的支撑，轴向载荷全部卸到机架支撑上，能保证减速机的传动质量，延长使用寿命，适用于均匀负载、中等冲击条件下的所有搅拌作业场合。当具备下列条件之一时，可选用单支点机架：电动机或变速器有一个支点，经核算可承受搅拌轴的载荷；设置底轴承作为一个支点；轴封本体设有可以作为支点的轴承；在搅拌设备内，搅拌轴中部设有导向轴承，可以作为一个支点。5.5.3 双支点机架机架中间设有两个独立支承，适用于重冲击负载或对搅拌密封装置有高要求的特殊场合。减速机输出轴与搅拌轴连接必须采用弹性联轴器。当不具备选用单支点或无支点机架的条件时，应选用双支点机架。不同介质类型的搅拌一 气液体系的搅拌1.简介在许多过程中，气液接触是十分重要的，气体需要与液体进行充分且有效的接触以提供足够的质量传递或热量传递能力。比如有的氯化和磺化反应是快反应，这需要搅拌器能提供很高的传质强度；有的反应需要吸收难以溶解的氧气，这又需要搅拌器能提供很高的分散能力。早期研究认为，气液分散是气体直接被搅拌器剪切成细小的气泡而形成的。但近年的研究表明，气液分散是受气穴控制的。当气速过大或搅拌转速过低时，整个搅拌器被气穴包裹，气体穿过搅拌器直接上升到液面，发生气泛。气液接触过程的主要有有以下几种：气相和液相需要的停留时间分布、允许压力降、相对质量流率、是否逆流接触、局部混合能力、是否需要补充或移出热量、腐蚀条件、泡沫行为与相分离、反应时需要的流型、反应与传质的关系、层流和过渡区的流变行为等。这些因素又大都与搅拌器关系密切。搅拌槽内的气体分散大致有以下几个状态：气泛状态（大部分气体未分散，气泡沿搅拌轴直接上升到液面），载气状态（气体基本得到分散，分布器以下分布不良），完全分散状态。2.气液搅拌设备的结构类型气液分散搅拌器主要有三种：通气式、自吸式和表面更新式。2.1 通气式工业上约80%采用了通气式搅拌器。通气式常采用各种涡轮搅拌器，主要由气体分布器、搅拌器、搅拌槽构成。2.2 自吸式自吸式机械搅拌反应器，是搅拌桨具有开小孔的空心轴或在搅拌轴外装有轴套，利用叶轮将液体甩出形成的负压从液面上部吸入气体，再靠桨叶分散气泡。气-液相接触面积的大小显著影响反应速率的高低，一般的搅拌设备总是围绕如何提高新鲜补充气体的分散特性而设计制造的，但补充的新鲜气体流量有时是十分有限的，这就严重制约了反应速率提高。而自吸式搅拌机具备将釜内液面上的气体重新吸入并分散于液相的显著特点，可大幅度提高气含率和气-液相的接触面积，从而达到提高反应速率的目的。自吸式气液搅拌桨叶中气泡从桨端逸出，呈球形，运动至釜壁，经挡板碰击后分别向上向下形成两个环流流动。就整个反应器而言，气泡在宏观上分布比较均匀。气泡直径大多是2-3mm的圆球形气泡，并不象通气式搅拌中的气泡要发生变形。这种搅拌器不需要气体分布器，主要用在粘度很低的流体。普通的自吸式搅拌器只适用于深度不超过2.5m的反应器，如果配上高效轴流桨，自吸式搅拌器的操作深度可达5m。目前这种深槽操作的自吸式搅拌器已经在工业上得到了很好的应用，取得了良好的效果。如果用在三相反应中，比如液相加氢中有颗粒催化剂时，自吸式搅拌器则通常要配以能悬浮催化剂颗粒的搅拌器。2.3 表面更新式表面更新式搅拌器利用搅拌产生的湍流使气液接触表面不断更新，增加气液传质。但是，由于既没有外部气体通入，又不能像自吸式搅拌器那样吸入气体，因此补充的气体很有限，适用在所需气体不多的场合。3.流型与操作气液搅拌体系的宏观流动状态大部分为湍流状态。其中液体的流动主要与搅拌桨相关，可分为径向流、轴向流和切向流，此处不再介绍，仅介绍气体的流型。3.1 气体的流型气体的流型控制着气相的再循环和返混程度，并决定了气液传质推动力。它还对液相的宏观流动和均一程度有着显著的影响。评价气体返混的指标是再循环比例。一般来说，大反应器的气体再循环比例要小于小反应器的。气速较小时，气体的流动主要受搅拌器的影响；气速较大时，则主要受气速的影响。轴向流叶轮比径向流叶轮能更好地控制气体地流动。叶轮与气体分布器地距离直接决定了气体地流动，如下图所示。搅拌器离气体分布器距离近时搅拌器离气体分布器距离近时轴流桨叶轮距气体分布器距不同距离时的气体流动情况3.2 液体的混合时间液体的混合时间主要和气速以及搅拌功率有关。液体温度高时的混合要大大高于低温时的。大气速时，由于气体的再循环比例减小，导致了液体的混合能力减弱。值得注意的是：多层桨的情况与单层桨的情况大不一样，比如高径比为3、采用3层桨的混合能力要远远低于高径比为1、采用单层桨的。4.气液分散与传质搅拌槽内的气液传质大都由液侧阻力控制，比界面积越大，传质能力越强。因此比界面积直接决定了传质速率，而比界面积又是由气液分散决定的。叶轮形式对气液分散的影响4.1.1 直叶圆盘涡轮排量较大。圆盘可以阻止气泡直接穿过搅拌器，从而降低泛点转速，若没有圆盘易发生气泛。4.1.2 斜叶圆盘涡轮属循环剪切兼顾型。可获得较好的气液分散，气含率和传质系数大，搅拌功率较小，泛点转速较低。4.1.3 弯叶圆盘涡轮和直叶圆盘涡轮相似，但降低了搅拌功率。4.1.4半管圆盘直叶圆盘涡轮背面易形成气穴而降低效率，而半管叶片的弯曲抑制了气穴的形成，具有了以下优点：载气能力提高，泛点转速提高；改善了分散和传质性能；泵送能力提高。4.1.5 宽叶翼流型搅拌器叶轮区的面积率很大，延长了气体的停留时间，且泵送能力强。直叶圆盘涡轮半管圆盘涡轮宽叶翼流型搅拌器4.2 气体分布器对气液分散的影响气体进入搅拌容器的方式十分重要。气体一般是在搅拌器下方被喷入容器，喷射环的直径小于搅拌器直径，这样可以使气体被充分分散，最大程度的增加气液接触面积。但是喷射环较小会导致搅拌叶片背后形成气穴。工业中约有80%的气体分布采用喷射环。大直径、靠近槽壁安装的环形分布器能有效防止气泛的发生，但对气体的分散能力降低了。5 传热搅拌槽中的气体行为从两种途径影响着传热系数：一是产生两次循环流，提高湍流强度；一是气泡在换热面上附着，增大热阻。斜叶圆盘涡轮直叶圆盘涡轮的组合式搅拌器表面传热系数较高，对气速的变化不敏感。6 多层搅拌器对高径比大的搅拌容器，采用单层桨不能获得好的混合能力时就需要采用多层搅拌器，比如在发酵工业中。多层搅拌器中，常采用多种型式的搅拌器组合以获得较高的搅拌效果，使轴向循环能力和剪切分散能力得到综合的平衡。比如，有的搅拌过程需要循环与剪切兼顾，这时采用了上两层循环能力强的宽叶翼流型搅拌器，下层采用了剪切能力强的半管圆盘叶轮。不同层搅拌桨之间的层间距对气体的分散效果有较大影响。增大层间距可使下层叶轮的分散性能提高，并能提高平均气含率。7 新型搅拌器现在，气液反应和搅拌系统又有了一些新进展：（1）高蒸汽压系统，比如沸腾。（2）高气速行为（表观气速>0.08m/s）。（3）搅拌器范围的扩大，包括凹面桨的设计和宽桨叶的液压成形。（4）气体的再循环率及其传质推动力关系的正确计算。气液搅拌中，为了得到更长的气体停留时间，或者更好的气体流型，有研究机构和公司开始设计新型的搅拌器。比如有的反应器在液体表面增加了一个自吸式搅拌器，使溢出的气体重新返回液体中，增加了气体的停留时间。有专家正在研究一种可以改变气体流型的搅拌器，如下图所示。这是一种多层桨，最下层是径流桨，上两层是起吸气作用的翼流桨，通过翼流桨可以强制改善气体的流型。正在开发的可改善气体流型的多层桨8 气液搅拌设备的应用气液搅拌设备主要用于加氢、氧化气体脱除等物理化学过程。在加氢、氧化、氯化、磺化等过程中，需要搅拌器能提供较高的气液分散能力，增加气体的停留时间。在发酵等过程中，需要循环剪切兼顾，宜用多层组合桨。二 液固体系的搅拌1 简介固液悬浮是在机械搅拌的情况下进行的，固液搅拌的基本目的是产生与维持悬浮液，以及增强液固相间的质量传递。固液搅拌通常分为以下几个部分：（1）固体颗粒的悬浮；（2）沉降颗粒的再悬浮；（3）悬浮颗粒渗入液体；（4）利用颗粒之间以及颗粒与桨之间的作用力使颗粒团聚体分散或者控制颗粒大小；（5）液固之间的质量传递。典型的固液搅拌设备如下图所示：典型的固液搅拌设备2 固液体系的主要影响因素固体颗粒和液体的特性都影响着流体流动和粒子悬浮，槽的几何形状和搅拌器的参数也有着同样重要的影响。归纳起来，这些影响因素包括：2.1 液体的物理性质包括密度、固液密度差和粘度等。2.2 固体的物理性质包括密度、粒径、几何形状与球形度、湿润特性、捕捉外部气体的能力、团聚性质以及硬度和摩擦特性等。2.3 工艺操作条件包括槽内液体的深度、粒子浓度、粒子的体积分数以及有无气泡的出现或消失等。2.4 几何参数包括槽径、槽底的几何形状（平底、圆底、椭圆底、锥底）、搅拌器的形状与几何尺寸、搅拌器的安装位置以及叶片的个数等。2.5 搅拌条件包括搅拌器的转速、搅拌功率、桨端线速度、悬浮等级、液体流型和槽内湍流强度的分布等。3 固液体系的悬浮状态从固液搅拌的特性来分，固液搅拌设备的目的主要有两个：（1）使固体粒子完全悬浮起来，简称完全离底悬浮。（2）使固体粒子在全槽均匀悬浮，简称均匀悬浮。这也是两个不同的悬浮状态。另外，将漂浮在液面上的固体颗粒悬浮在液体中也是悬浮状态之一。3.1 完全离底悬浮完全离底悬浮的作用是降低固体周围的扩散阻力，以便于固体颗粒的溶解或结晶以及固液的质量交换。有时仅仅是防止固体粒子在槽底堆积而堵塞出料口。固体粒子在槽底的停留时间不超过1-2 s就认为达到了完全离底悬浮，能满足此条件的最低转速称为完全离底悬浮的临界转速。3.2 均匀悬浮在制造涂料、油墨和化妆品时，需要使固体粒子在液体中完全均匀分散。根据槽内不同位置的固体含量，用浓度方差来定义悬浮均匀度，均匀度越高表明悬浮越均匀。不同的悬浮状态如下图所示。近底悬浮完全离底悬浮均匀悬浮3.3 漂浮物的悬浮典型的悬浮颗粒有以下几种：颗粒密度较小、颗粒会吸附很多空气（如面粉）、颗粒很难吸收液体而结团（如有些聚合物）。促使悬浮物进入液体的一个重要原因是流体漩涡的形成，因此，能够使流体产生强烈漩涡的搅拌器才能够产生较强的悬浮能力，如能够强制流体向下流动的45°斜桨。4 悬浮搅拌设备悬浮搅拌设备一般包括搅拌器、槽和挡板等几部分。影响固液悬浮的因素较多，主要有以下几种：4.1 搅拌器对于完全离底悬浮，只需使用一层叶轮。而对于均匀悬浮，必须使用多层叶轮，但临界转速仍由最下层的叶轮所决定。某些高效轴向流叶轮非常适合固液悬浮操作，这些叶轮都有变叶宽和变倾角的特点。典型的固液搅拌叶轮如下图所示。典型的固液搅拌叶轮4.2 桨径与槽径之比采用涡轮式或桨式叶轮时，若粘度变化不大，桨径与槽径之比一般取0.35到0.5之间。4.3 槽底形状平底槽和锥形槽容易产生粒子堆积，碟形槽功耗较大，曲面底槽可避免上述困难。4.4 叶轮的离底高度叶轮离底太近，槽底的颗粒堆积会导致叶轮启动障碍。叶轮离底太远，对槽底颗粒的悬浮作用会减弱。较合适的高度为槽径的0.25倍左右。4.5 挡板和导流筒为避免形成液体回转部，一般要安装挡板，有时还要安装导流筒。5 悬浮搅拌设备的选择选择悬浮搅拌设备主要根据工艺的需要，主要包括以下方面：5.1 工艺问题（1） 分批、半分批还是连续过程？（2） 工艺过程中，会出现什么相？（3） 固液间是否有化学反应发生？（4） 液固相的物理特性是什么？（5） 需要多大的悬浮程度？（6） 达到这个悬浮状态需要的最小转速是多少？（7） 如果搅拌转速减小或者搅拌中断会出现什么情况？（8） 搅拌转速上升时悬浮情况有何变化？（9） 容器的几何形状对工艺有何影响？（10） 最适合该工艺的设备材料是什么？5.2槽与搅拌器的问题包括槽底形状的设计、槽的大小与直径、挡板与其他附件。包括桨的形状、数量与方向；桨的位置；桨的转速与功率；桨叶的直径与长度；电机与密封系统。6 悬浮搅拌设备的应用悬浮搅拌设备的应用主要应用在以下几个方面：6.1 固体分散搅拌器的作用使颗粒或团聚体分散并悬浮在液体中，形成均匀悬浮或者浆液。应用于制备固体反应物浆液和催化剂浆液，然后进入下一个反应器；或者仅仅使固体分散成颗粒悬浮在液体中。6.2 溶解与过滤溶解是使液固质量传递的单元操作，固体粒子被液体吸收而变小并最终消失。过滤是使液体中的可溶成分析出的单元操作，有些树脂与塑料，析出时会因吸收了液体而溶胀。在许多体系中，溶解与过滤后的液体的密度与粘度会发生变化。在这一过程中，搅拌的目的是得到需要的溶解或过滤速率。6.3 结晶与沉淀析出未加晶种前，溶液中的粒子是自由粒子，经结晶或沉析操作形成颗粒，操作时，颗粒的直径与数量在同步增长，与此同时，浆液的密度和粘度也发生改变。本工艺的目的是控制成核与粒子增长速率，使粒子的破碎与磨损达到最小。平均粒径与粒径分布是一个重要的指标。控制液相的浓度，避免局部浓度过大也是需要控制的。6.4 吸收、解吸与离子交换也是质量交换的过程。6.5 催化颗粒反应该操作将反应物吸收到催化剂表面并从催化剂表面移除生成物，催化剂在液体中的均匀悬浮是操作的关键。另外，搅拌器降低了质量传递的边界层，增强了液固的质量交换。6.6 聚合反应反应开始时，搅拌器要使单体液滴得到稳定的分散。随着反应的进行，生成的聚合物变得很粘，搅拌器又要控制单体与催化剂的接触，并进而控制聚合物的粒径与粒径分布。在聚合反应中，搅拌的目的是维持单体与聚合物的均匀分散。三 液液体系的搅拌1 简介采用液液分散操作通常是为了以下目的：（1）通过液液分散使相界面增加；（2）使分散相液滴外部的扩散阻力减小；（3）产生湍流促进浓度和温度均一化；（4）使分散相液滴反复进行破碎凝并从而促进分散相液滴间的传质。在液液分散中，搅拌起着关键的作用，它控制着液滴的聚并、破裂以及悬浮。搅拌影响液体流动的强度与方向并进而影响液滴的分布与均一性。2 互溶液体的搅拌与混合2.1 低粘液体的搅拌与混合互溶液体的搅拌是两种及两种以上互溶液体在搅拌作用下，任意一点的浓度、密度、温度以及其他物理状态达到均匀的过程，通常又称为混匀过程，它是搅拌过程中最基本的一种过程。有时为了强调其属于均相搅拌的特点。也称其为调和或调匀。低粘度互溶液体搅拌过程的主要特征是不存在传递过程的相界面。对于一个纯物理混合过程，低粘度互溶液体的混合属于最容易完成的过程。但如果混合过程伴有化学反应时，则往往会使过程复杂化，主要表现在两个方面:一是对混合时间有比较严格的要求，以避免发生一些不希望的副反应;二是大多有反应热的导出或热量的导入，从而增加了混合过程的控制难度。低粘度互溶液体的搅拌操作一般都是在湍流状态下进行的。因而这一过程就具有较强的主体扩散、湍流扩散和分子扩散，在宏观混合的过程同时伴有很强的微观混合过程。为达到搅拌液体的混合均匀状态，低粘度互溶液体的搅拌首先要求提供足够的循环量，避免在设备内出现死区，使所有搅拌液体都能产生快速对流循环运动。其次，还要求搅拌器造成的液体湍流强度或剪切速度要大，尤其是当两种液体粘度相差比较大时，剪切的存在将有利于高粘度液体在设备中的分散，有利于湍流扩散的强化。此外，当需要混匀的两种液体数量相差较大时，少量液体的加料位置是很重要的，理想的位置是叶轮区，或是在叶轮吸入口附近，以保证进料能很快通过叶轮，促使搅拌液体很快达到浓度均化。评价搅拌器混合效果的主要性能指标有混合时间、能耗及剪切性能等。其中混合时间是判断混合效果的最重要性能指标。2.1 高粘液体的搅拌与混合工业生产中高粘度流体的应用日益增多，许多高分子聚合物都是高粘度流体，它们很多又是非牛顿流体。在搅拌过程中粘度还会发生变化，因而对搅拌器的要求就更高，要求搅拌器能够适应粘度的变化完成搅拌操作。高粘流体的搅拌常泛指互溶的高粘度液体间的混合。但高粘流体搅拌在工业中也有分散、固体溶解、化学反