第五章 液体搅拌
本章学习目的与要求
通过学习本章内容，学生可以掌握非牛顿流体 间和气液混合体间的各种混合原理，为改善混 合均匀度奠定基础。
要求学生掌握评价物料混合度的各种方法，熟 悉影响液体搅拌功率的因素，并且能够计算搅 拌功率和混合速率等参数。
掌握乳化操作原理。 了解气液混合方法。
❖物理因素
✓液体的密度ρ、粘度μ、叶轮转速n等
❖ 实验时可借助于因次分析，将功率消 耗和其它参数联系起来
用因次分析法，可得
N
n3d 5

K

d
2 n

a

dn2 g
b

由
Eu

N
n3d 5
d 2n
R
em

dn 2 Fr
g
得
R Eu K a Frb em
100 5
✓ HLB值一般在1-20之间，以10为亲水、 亲油的分界线
✓ HLB＞10，亲水性
✓ HLB＜10，亲油性
乳化液的稳定性及影响 其稳定性的主要因素
❖液滴的大小 ❖两相密度差 ❖粘度 ❖粒子的电荷
乳化剂及其作用
❖ 降低两相的界面张力， 使两相接触面积可能大 幅度增加，促进乳化液 微粒化的效用
5-2 搅拌器的性能
搅拌器的分类 ❖ 桨叶式
❖ 旋桨式
❖ 涡轮式
开式平叶片段
带叶片圆盘
弯曲叶片
❖ 锚式和框式
❖ 螺带式
搅拌设备的其他结构问题
❖挡板
阻挡液体因搅拌器的转动而随之旋转
❖夹套和蛇管
夹套可增加传热面积，蛇管部分地起到挡板的 作用
❖搅拌器插入方式
常见的是在釜中心轴处垂直插入
❖搅拌器层数
混合的原理
❖ 对流混合机理
互不相溶组分的混合
❖ 扩散混合机理
互溶组分的混合
❖ 剪力混合机理
高粘度液体的混合
常用的机械搅拌装置
❖ 由搅拌器、叶轮和若 干辅助部件组成
❖ 搅拌系统的主件是叶 轮
❖ 搅拌装置的性能和消 耗的功率取决于搅拌 液体的物性及搅拌槽 的形状、大小、槽壁 上有无挡板等因素
❖搅拌乳化器 ❖胶体磨 ❖均质机 ❖超声波乳化器
胶体磨工作流程
立
式
胶 体 磨
卧 式 胶
体
磨
均质机是指将物料的料液在挤压，强冲击与失压膨胀的三 重作用下使物料细化，从而使物料能更均匀的相互混合， 比如奶制品加工中使用均质机使牛奶中的脂肪破碎的更加 细小，从而使整个产品体系更加稳定。牛奶会看起来更加 洁白。均质主要通过均质机来进行的。
佛鲁德淮数Fr — 含有重力加速度g，代表施加 力与重力之比
功率曲线
曲线形状与管内摩擦系数的关系曲线相似，在低
。 雷诺数下，所有曲线汇合在一起，为层流区域
搅拌功率准数与雷诺准数的关系
❖ 校正系数 f 计算
当 D＝ 2.5～4
d
H＝ 0.6～1.1 d
h＝ 1/5～1/3
d
✓桨式
f D 1.1 H 0.6 4h 0.3 3d d d
❖ 分隔尺度
混合物各个局部小区域体积的平均值
❖ 分隔强度
混合物各个局部小区域的浓度与整个混合物的平均 浓度的偏差的平均值
搅拌釜内液体的流动
❖总体流动
特点：流体以较大的尺度运动， 流动具有一定流向，流动范围 较大
❖湍动
特点：流体以很小的流体团 (远小于总体流动)尺度运动， 运动不规则，运动距离很短
或
R Eu K a
Frb
em
ф称为功率因数
功率准数Eu 雷诺准数Rem 佛鲁德淮数Fr
R Eu K a Frb em
❖ 上述主要无因次数群的意义
功率准数Eu — 也称欧拉准数，含有功率N， 输入的功率代表施加于受搅拌液体的力
雷诺准数Rem — 含有粘度μ，代表施加力与粘 性曳力之比
✓锚式
f
D
1.1 H 0.6 15h 0.3
1.11d d d
✓旋桨式和涡轮式
f

D 0.93 H 0.6
3d d
5-4 乳化
将两种通常不 互溶的液体进行 密切混合的一种 特殊的液体混合 操作。
✓混合
❖ 利用离子性乳化剂在两 相界面上配位，提高分 散液滴的电荷，加强其 相互排斥力，阻止液滴 的并合
❖ 在分散相的外围形成亲水性(O／W)或亲油性 (W／O)型的吸附层，防止液滴的并合
乳化液形成的方法 ❖凝聚法
❖分散法
✓机械强制分散法 ✓同时乳化法 ✓转相法 ✓浆体法 ✓自然乳化法
乳化设备简介
❖
N n3d 5
功率消耗为一定值的条件下，关系
Q
Hale Waihona Puke 8d3成立
H
搅拌器的选型 ❖选型原则
选型时应考虑到过程对流动条件的要求， 按过程的控制因素选择
❖搅拌器的选型
液体的粘度 搅拌器的特性
按粘度选型图
5-3 搅拌器的功率
功率关联式
影响搅拌功率的因素 ❖几何因素
✓ 叶轮直径d ✓ 叶片数目、形状及叶片长度和宽度 ✓ 容器直径D ✓ 容器中液体高度H ✓ 叶轮距容器底部距离y ✓ 挡板数目及宽度h
✓均质化
乳化机理
❖ 乳化剂降低界面能，防止油或水回复原状 ❖ 乳化剂分子膜将液滴包住，可防止碰撞的液滴
彼此又合并
❖ 形成表面双电层，当两 个液滴相互接近时，因 电的相斥作用防止凝聚
乳化机理
❖ 亲水亲油平衡值(HLB)
制取稳定的乳液的重要因素
HLB

亲水基重量 疏水基重量 亲水基重量

对于高径比较大的搅拌釜，或是液体粘度比较 大的搅拌操作
搅拌器的液体循环量和压头
❖ 体积流量、压头、功率间的关系
N QH g
u2
✓ 压头H通常可以写成速度头2 g的倍数 ✓ 叶n2轮d2末成梢正速比度ut∝nd，叶轮产生的液体速度头与 ✓ 体积流量与(nd)×(d2)＝nd3成正比
✓ 代入上式，得
用机械或流体动力方法使两种或两种以上不同物质相 互分散、混杂以达到一定的均匀度的单元操作，称为 混合。
互溶液体的搅拌：调匀
互不相溶液体的接触混合：乳化
气液接触：碳酸化
利用搅拌加热传热
有悬浮颗粒状固体的液体搅拌：防止沉淀，加速溶解
5.1 液体搅拌混合的基本原理
混合物的混合程度
❖ 调匀度
一种或几种组分的浓度或其他物理量和温度等在搅 拌体系内的均匀性