第二节搅拌桨叶的设计和选型一、搅拌机结构与组成
组成：搅拌器电动机
减速器容器
排料管挡板
适用物料：低粘度物料
二、混合机理
利用低粘度物料流动性好的特性实现混合
1、对流混合
在搅拌容器中，通过搅拌器的旋转把机械能传给液体物料造成液体的流动，属强制对流。
包括两种形式：
（1）主体对流：搅拌器带动物料大范围的循环流动
（2）涡流对流：旋涡的对流运动
液体层界面强烈剪切旋涡扩散
主体对流宏观混合
涡流对流
2、分子扩散混合
液体分子间的运动微观混合
作用：形成液体分子间的均匀分布
对流混合可提高分子扩散混合
3、剪切混合
剪切混合：搅拌桨直接与物料作用，把物料撕成越来越薄的薄层，达到混合的目的。
高粘度过物料混合过程，主要是剪切作用。
电
动
机
减速器
搅
拌
器
容
器
排料管
三、混合效果的度量 1、调匀度I
设A 、B 两种液体，各取体积vA 及vB 置于一容器中，
A
B
A
B
a
b
则容器内液体A 的平均体积浓度CA0为： （理论值）
经过搅拌后，在容器各处取样分析实际体积浓度CA ，比较CA0 、CA ， 若各处 CA0=CA 则表明搅拌均匀
若各处 CA0=CA 则表明搅拌尚不均匀，偏离越大，均匀程度越差。
引入调匀度衡量样品与均匀状态的偏离程度 定义某液体的调匀度 I 为：
（当样品中CA CA0时）
或 （当样品中CA CA0时）
显然 I ≤1
若取m 个样品，则该样品的平均调匀度为
当混合均匀时
2、混合尺度
设有A 、B 两种液体混合后达到微粒均布状态。
B
A A A V V V C +=00A A C C I =0
11A A
C C I --=m I I I I m
+⋯⋯++=-
211
=-
I
A B
A
B （a）（b）
混合尺度分设备尺度
微团尺度
分子尺度
对上述两种状态：
在设备尺度上：两者都是均匀的（宏观均匀状态）
在微团尺度上：两者具有不同的均匀度。
在分子尺度上：两者都是不均匀的（当微团消失，称分子尺度的均匀或微观均匀）
如取样尺寸远大于微团尺寸，则两种状态的平均调匀度接近于己于1。
如取样尺寸小到与b中微团尺寸相近时，则b状态调匀度下降，而a状态调匀度不变。
即：同一个混合状态的调匀度随所取样品的尺寸而变化，说明单平调匀度不能反映混合物的均匀程度
四、搅拌机主要结构
1、搅拌器
搅拌器由电动机带动，物料按一定规律运动（主体对流），桨型不同，物料产生的流型不同。
轴向分量
经向分量
切向分量当，桨对中安装，n 。
液体绕轴整体旋转，不
利于混合。
（1）旋桨式搅拌器
类似于无壳的轴流泵结构：
④d j=（~D 居多)
d j ：L ：b=20：5：4 ⑤适合混合中低粘度的物料， ≤5000c
u=4~8m/s n=10~。
⑥回路较曲折，出口速度大，湍动程度强，剪切力大，可将微团细化。
特点：
①流型：径向流型 伴有 轴向流 切向流 ②有两个回路
③易产生“分层效应”
（不适于混合含有较重固体颗粒悬浮液）
特点：a 、流型：轴流型，以轴流混合为主，伴有切向流，经向流，湍动程度不高。
b 、循环量大，适用于宏观混合
c 、适用低粘度物料混合，≤2000c p 。
d 、桨转速较高，圆周速度u=5~15m/s n=100~500rpm
e 、d j=~D (以居多)
（2）涡轮式搅拌器 相似于无壳的离心泵 组成：圆盘、轴、
叶片（4~8）
（3）桨式搅拌器
当 搅拌器 提供的机械能因粘性阻力而消耗 湍动程度 主体流动范围 例：同一规格的涡轮式搅拌器，混合不同粘度的物料，混合效果差别很大。
结构：
水的搅动范围为4D
当＞5000c p 时，其搅动 范围为，离桨较远处
流体流动缓慢，甚至静止， 混合效果不佳。
∴当 时，应采用D n 的桨
桨式搅拌器特点：
①桨叶尺寸大, dj/D=~ 宽度大,b：dj=~
②转速低,u=~2m/s ; n=1~100 rpm
③流型：径向流
切向流
桨叶倾斜，可产生小范围轴向流
④适合低粘度物料μ＞5000CP
⑤当容器内液位较高时，可在同一轴上安装几个桨叶。
（4）锚删式搅拌器 结构：
2、搅拌容器 形状：
敞开式
封闭式
锥型底圆弧底
圆弧底：有利于产生流型，加速混合，没有死角，功耗低。
锥型底：有利于底部排料，流型差，底部易产生停滞现象， 均匀程 度差。
（2）设计
容器壁厚按压力容器设计标准及技术条件进行设计。
（3）容器容量及结构尺寸 ①容器长径流比H/D
②搅拌容器装料量
搅拌容器装满程度用装满系数 表示
根据实验一般：
H/D=1~3 液—固相
液—液相
H/D=1~2 气—液相
H/D= ~发酵容器
H D
η=Vg/ V
式中: V g 实际盛装物料的容积 V 容器全容积 η=~
如搅拌过程中起泡沫或呈沸腾状态 η=~ (取低值)
当物料反映平稳或粘度较大时 η=~ (取高值) ③容器直径与高度
确定方法:先初算(忽略封头容积),后较核计算. 直径计算:
将H/D 及V=V g/η 代入
注:D 应圆整为标准直径 容器高度计算: 式中:v 封头部分容积
注:H 应圆整
校核:H/D 及η值是否在推荐范围内 3、挡板 （1）打漩
当被搅拌液料出现沿圆周做整体旋转运动时，这种流动状态叫打旋。
（2）打旋的危害
①几乎不存在轴向混合，会出现分离现象。
②液面下凹，有效容积降低。
③当旋涡较深时，会发生从液体表面吸气现象，引起液体密度变化或机械振动。
（3）常见消除打旋的方法
①偏心安装
D H D H D V 3244ππ==3
)/(4D H Vg D ηπ=H D v V 24
π=-24D
v
Vg H πη-=
②倾斜安装
③側壁安装
消除打旋最简单常用的方法是在容器内加设挡板（4）挡板的结构与作用
结构
作用： ①消除打旋
②将切向流改变为轴向流和径向流 ③增大液体的湍动程度 （5）充分挡板化
实践证明：实现充分挡板化的条件为 式中：W b —挡板宽度 d j —液轮直径 n b —挡板数目
通常：
是否所有液体搅拌机无论混合物料的粘度多大都应加设挡板
A 、低粘度物料，转速较高，桨对中按装时，应加挡板，挡板紧贴内壁。
B 、中粘度物料，挡板离开壁面安装，防止死区。
C 、高粘度物料（μ=12000cp ） 流体粘度足以抑制打旋，可不加挡板
35.0.)(2.1=b b n dj W 101=dj W b 4
=b n
4、轴封
（1）填料密封
特点：
①结构简单
②成本低
③对轴磨损大
④摩擦功耗大
⑤需经常调解
（2）机械密封
特点：
①密封可靠
②对轴无磨损
③摩擦功耗小
④使用寿命长
⑤无需调整
⑥结构复杂
⑦成本高
5、传动系统
组成：
电机、
减速器、
联轴器、
搅拌器
五、功率计算 1、计算方法
影响功率的因素： N=f(n,d j,ρ,μ,g)
结构参数：d j 、D 、 H 、W b
运动参数：n
找出无因次数群 物性参数：ρ、μ 用
式中：φ—功率因素
当加设挡板时，消除打旋，Y=0, Fr=1. ∴ φ=Np=k Rex
对数式：logNp =logK + XlogRe
以φ或Np 为纵坐标，以Re 为横坐标绘制功率曲线 2、功率曲线
x
e y r p R K F N ⋅==φ
（1）Re<10时，(层流区）为直线, 斜率为-1。
∴logNp =logK －logRe
将Np,Re代入得
N= Kn2 dj3
试验测得：k≈1 当n一定时功率与μ.dj3 成正比（2）10 < Re < 104时，(过渡流区）
（3）Re > 104时，(湍流区) 曲线呈水平
无挡板,功率消耗少,易打旋,效果差
有挡板,功率消耗增加,效果好。
注：∵为无因次数群，不针对特定尺寸
∴与曲线描述的搅拌器几何尺寸相近的均可用该曲线计算。