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1、流体力学学习总结资料,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,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
2、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,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
3、、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。,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
4、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。,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
5、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。,螺杆及螺带式搅拌器：当搅拌粘度大于10P
6、a.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。,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
7、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
8、；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。,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，
9、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,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！,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
10、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/m3；为液体粘度，Pas；g为重力加速度，9.81m/s2。,A、均相液体的搅拌功率：,搅拌功率的因次分析推导：,Np为功率准数，是反应搅拌功率的准数；NRe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；NFr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
11、，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。,（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=N3D5,或 P=1N2D3,（K1为与搅拌器结构型式有关常数）,不同搅拌器K1、K2值(换表),（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 NRe300 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
12、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NRe无关，即为常数，从而有：,搅拌器的和值（换表）,P=K2N3D5,式中K2为与搅拌器结构型式有关的常数,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KB来表征挡板程度。式中，Bw为挡板宽度，T为釜径，nB 为挡板块数。当KB=0.35时，称为全挡板条件，当KB=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KBF、KB、KBN分别为全挡板，部
13、分挡板以及无挡板时的挡板系数。,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Ng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。,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NRe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,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
14、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。,一、搅拌器的循环特性（qd、Nqd、Nqc、Nc、tc）排出流量qd（泵送能力）：单位时间内从桨叶排出的流量排出流量 qd与该液体离开桨叶的平均速度和桨叶扫过的面积的乘积有关。qd A AD，ND 所以：qd ND 即：qd=NqdND Nqd=qd/ND Nqd称为排出流量数或泵送准数，反映了搅拌的剧烈程度，是搅拌雷诺数NRe的函数,4-3 搅拌器的流动特性及转速的确定,qc=qd+qi qc称为循环流（参与循环流动的所有液体的体积流量）；qi称为同伴流（或
15、称为诱导流）层流时，qc=qd湍流时，qcqd Nqc=qc/ND Nqc循环流量数影响Nqd和Nqc的主要因素是雷诺数和桨叶特性用循环次数Nc或循环时间tc表征搅拌器循环特性 Nc=qc/V=NqcND/Vtc=1/Nc Nc 循环次数，tc循环时间V-器内流体体积Nc是很重要的搅拌参数，常用来判别搅拌的剧烈程度,普通搅拌 Nc=3-5次/分强烈搅拌 Nc=5-10次/分Np/Nqd=12时，为循环性搅拌器Np/Nqd3时，为剪切型搅拌器二、搅拌转速的确定搅拌的“尺度”和“难度”，搅拌强烈程度的级别尺度：指搅拌体系中物料量的大小，流体体积VR，即 VR=(T/4)H T釜直径 H液位高度难度
16、：达到搅拌效果所需要克服的阻力，即混合液体的粘度差和密度差；悬浮粒子的沉降速度例如需要混合两种物料的密度差和黏度差，需要保持悬浮粒子的沉降速率等,1、混合和搅动类型的搅拌转速的确定法搅拌级别（搅拌的强烈程度），下表列出10个搅拌级别由表得总体流速（平均流速）：qdNqd-NRe N,按照互混液体的密度差及粘度差的大小，可把混合与搅动过程的激烈程度划分为三档10级：（不同搅拌级别的搅拌效果）,确定转速的设计步骤：、根据生产任务确定搅拌釜的容积和釜径T，液层深度Z。V=VR/=v0t(1+)/mV-釜的容积VR-物料体积流量t-反应时间 装料系数 设备备用系数，一般为10%-15%m反应釜的个数、
17、选定桨叶直径与釜径的比值D/T，D/T一般在之间、根据具体的工艺过程要求、难度情况确定搅拌级别，得出总体流速、计算搅拌器的泵送流量qd qd=(T/4)、运用Nqd-NRe关系图求转速N用试差法,2.悬浮类型搅拌转速的确定法一、概念：搅拌的尺度和难度，搅拌强烈程度级别尺度：同样是流体体积，即VR难度：悬浮粒子的沉降速度ut i)计算法;ii)查图法,二、搅拌强烈程度的级别和转速计算悬浮类型搅拌强烈程度（搅拌级别，悬浮程度）也分10级不同搅拌级别的搅拌效果（悬浮）,搅拌级别与叶轮转速、直径、颗粒设计沉降速度的关系,具体设计计算步骤：（1）根据生产任务设计反应器的体积，V（2）计算颗粒的“沉降速度”,Ut（3）计算“设计沉降速度”,Ud Ud=Utfw 式中fw为浓度校正系数（4）确定聚合釜的直径T、搅拌器的形式和桨叶直径与釜径之比值D/T（5）确定搅拌级别（6）计算搅拌器的转速N（7）校正颗粒雷诺数NRe（8）计算搅拌轴功率（9）选择适用的电动机或减速装置等其他辅件,谢谢指导！,
