武汉轻工大学科研论文论文题目实验室搅拌器概述与原理姓名汪涛学号*********院（系）机械工程学院专业过程装备与控制工程指导教师万志华2014年12 月25 日摘要介绍了实验室用搅拌器--机械搅拌器和磁力搅拌器，对它们的组成和工作原理进行讲解，对比不同的搅拌器分析它们的的特点，简述各种搅拌器使用场合及使用注意事项。

各种机械搅拌器的工作原理类似，根据它们的搅拌棒的不同，分为不同类型的搅拌器，应用的介质也不相同。

磁力搅拌器利用了磁场和漩涡的原理进行工作，稳定方便，较为先进，需了解其使用方法及注意事项。

因而，该研究对于提高人们对实验室搅拌器的认知具有重要意义。

关键词机械搅拌器磁力搅拌器搅拌棒引言搅拌操作是化工反应过程的重要环节，其原理涉及流体力学、传热、传质及化学反应等多种过程，搅拌过程就是在流动场中进行动量传递或是包括动量、热量、质量传递及化学反应的过程。

搅拌器有两大功能：(1)使液体产生强大的总体流动，以保证装置内不存在静止区，达到宏观均匀；(2)产生强大的湍动，使液体微团尺寸减小。

搅拌器选用得当，液团分割就越细小，使得混合的组分之间接触面不断增大，分子扩散速率增加，也即混合效果越好。

在工程设计中，常用的搅拌器有推进式、涡轮式、框式以及螺带式等。

众所周知，每一种搅拌器都不是万能的，只有在特定的应用范围内才是高效的。

搅拌器也是有机化学实验必不可少的仪器之一，它可使反应混合物混合得更加均匀，反应体系的温度更加均匀，从而有利于化学反应的进行特别是非均相反应。

目前,在实验室中使用的搅拌器主要是两种:机械搅拌器与磁力搅拌器。

1·机械搅拌器1·1概述械搅拌器主要包括三部分：电动机、搅拌棒和搅拌密封装置。

电动机是动力部分，固定在支架上，由调速器调节其转动快慢。

搅拌棒与电动机相连，当接通电源后，电动机就带动搅拌棒转动而进行搅拌，搅拌密封装置是搅拌棒与反应器连接的装置，它可以使反应在密封体系中进行。

搅拌的效率在很大程度上取决于搅拌棒的结构，。

根据反应器的大小、形状、瓶口的大小及反应条件的要求，选择较为合适的搅拌棒。

1·2种类不同介质黏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；5-50Pa·s的为中粘度流体，例如：油墨、牙膏等；50-500Pa·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。

主要有下列几种：①旋桨式搅拌器由2～3片推进式螺旋桨叶构成，工作转速较高,叶片外缘的圆周速度一般为5～15m/s。

旋桨式搅拌器主要造成轴向液流，产生较大的循环量，适用于搅拌低粘度 (<2Pa·s)液体、乳浊液及固体微粒含量低于10%的悬浮液。

搅拌器的转轴也可水平或斜向插入槽内，此时液流的循环回路不对称，可增加湍动，防止液面凹陷。

缺点：不能用于以保持气体和以细微化为目的的气—液分散操作中。

②涡轮式搅拌器由在水平圆盘上安装2～4片平直的或弯曲的叶片所构成。

桨叶的外径、宽度与高度的比例，一般为20:5:4，圆周速度一般为 3～8m/s。

涡轮在旋转时造成高度湍动的径向流动，适用于气体及不互溶液体的分散和液液相反应过程。

被搅拌液体的粘度一般不超过25Pa·s。

③桨式搅拌器有平桨式和斜桨式两种。

平桨式搅拌器由两片平直桨叶构成。

桨叶直径与高度之比为 4～10,圆周速度为1.5～3m/s，所产生的径向液流速度较小。

斜桨式搅拌器的两叶相反折转45°或60°，因而产生轴向液流。

桨式搅拌器结构简单，常用于低粘度液体的混合以及固体微粒的溶解和悬浮。

④锚式搅拌器桨叶外缘形状与搅拌槽内壁要一致，其间仅有很小间隙,可清除附在槽壁上的粘性反应产物或堆积于槽底的固体物，保持较好的传热效果。

桨叶外缘的圆周速度为0.5～1.5m/s,可用于搅拌粘度高达 200Pa·s的牛顿型流体和拟塑性流体唯搅拌高粘度液体时，液层中有较大的停滞区。

⑤螺带式搅拌器螺带的外径与螺距相等,专门用于搅拌高粘度液体(200～500Pa·s)及拟塑性流体，通常在层流状态下操作。

IKA®机械搅拌器分为RW 20数显型顶置式机械搅拌器，RW 28基本型强力机械式搅拌器和RW 47D强劲的机械搅拌器。

搅拌功率搅拌器向液体输出的功率P,按下式计算：P=Kd5N3ρ式中K为功率准数，它是搅拌雷诺数Rej(Rej=d2Nρ/μ)的函数；d和N 分别为搅拌器的直径和转速；ρ和μ分别为混合液的密度和粘度。

对于一定几何结构的搅拌器和搅拌槽,K与Rej的函数关系可由实验测定，将这函数关系绘成曲线，称为功率曲线。

⑥折叶式搅拌器根据不同介质的物理学性质、容量、搅拌目的选择相应的搅拌器，对促进化学反应速度、提高生产效率能起到很大的作用。

折叶涡轮搅拌器一般适应于气、液相混合的反应，搅拌器转数一般应选择300r/min以上。

⑦变频双层搅拌器变频搅拌器的底座、支杆、电动机使用专利技术固定为一体。

专利夹头，无松动、无摇摆、不会脱落，安全可靠。

镀铬支杆，下粗上细，钢性强、结构合理。

具有移动方便，重量轻等优点。

适合各类小型容器。

搅拌器的类型、尺寸及转速，对搅拌功率在总体流动和湍流脉动之间的分配都有影响。

一般说来，涡轮式搅拌器的功率分配对湍流脉动有利，而旋桨式搅拌器对总体流动有利。

对于同一类型的搅拌器来说，在功率消耗相同的条件下，大直径、低转速的搅拌器，功率主要消耗于总体流动，有利于宏观混合。

小直径、高转速的搅拌器，功率主要消耗于湍流脉动，有利于微观混合。

搅拌器的放大是与工艺过程有关的复杂问题，至今只能通过逐级经验放大，根据取得的放大判据，外推至工业规模。

1·3工作原理搅拌机是由多个参数决定的，用任何一个单一参数来描述一台搅拌机是不可能的。

轴功率(P)、桨叶排液量(Q)、压头(H)、桨叶直径(D)及搅拌转速(N)是描述一台搅拌机的五个基本参数。

桨叶的排液量与桨叶本身的流量准数，桨叶转速的一次方及桨叶直径的三次方成正比。

而搅拌消耗的轴功率则与流体比重，桨叶本身的功率准数，转速的三次方及桨叶直径的五次方成正比。

在一定功率及桨叶形式情况下，桨叶排液量(Q)以及压头(H)可以通过改变桨叶的直径(D)和转速(N)的匹配来调节，即大直径桨叶配以低转速(保证轴功率不变)的搅拌机产生较高的流动作用和较低的压头，而小直径桨叶配以高转速则产生较高的压头和较低的流动作用。

在搅拌槽中，要使微团相互碰撞，唯一的办法是提供足够的剪切速率。

从搅拌机理看，正是由于流体速度差的存在，才使流体各层之间相互混合，因此，凡搅拌过程总是涉及到流体剪切速率。

剪切应力是一种力，是搅拌应用中气泡分散和液滴破碎等的真正原因。

必须指出的是，整个搅拌槽中流体各点剪切速率的大小并不是一致的。

通过对剪切速率分布的研究表明，在一个搅拌槽中至少存在四种剪切速率数值，它们是：实验研究表明，就桨叶区而言，无论何种浆型，当桨叶直径一定时，最大剪切速率和平均剪切速率都随转速的提高而增加。

但当转速一定时，最大剪切速率和平均剪切速率与桨叶直径的关系与浆型有关。

当转速一定时，径向型桨叶最大剪切速率随桨叶直径的增加而增加，而平均剪切速率与桨叶直径大小无关。

这些有关桨叶区剪切速率的概念，在搅拌机缩小及放大设计中需要特别当心。

因小槽与大槽相比，小槽搅拌机往往具有高转速(N)、小桨叶直径(D)及低叶尖速度(ND)等特性，而大槽搅拌机往往具有低转速(N) 大桨叶直径(D)及高叶尖速度(ND)等特性。

2·磁力搅拌器2·1概述磁力搅拌器适用于搅拌或加热搅拌同时进行，适用于粘稠度不是很大的液体或者固液混合物。

利用了磁场和漩涡的原理将液体放入容器中后，将搅拌子同时放入液体，当底座产生磁场后，带动搅拌子成圆周循环运动从而达到搅拌液体的目的。

配合温度控制装置，可以根据具体的实验要求控制并维持样本温度，帮助实验者设定实验条件，极大的提高了实验重复性的可能。

2·2工作原理磁力搅拌器的工作原理遵循磁的库仑定律，即两个相隔一定距离的磁体，由于磁场感应效应，它们不需要任何传统机械构件，通过磁体的耦合力，就能把功率从一个磁体传递到另外一个磁体，构成一个非接触传递扭矩机构。

工作时通过电机(或电机减速机)带动外部永久磁体进行转动，同时耦合驱动封闭在隔离套内的另一组永久磁体及转子作同步旋转，从而无接触、无摩擦地将外部动力传送到内部转子，并通过联轴器与下轴及搅拌桨联成一体，实现搅拌的目的。

磁力搅拌器内的压力是由耐压可靠且静止的隔离套来承受，隔离套与釜体构成一个封闭密封腔，使釜内介质处于完全封闭状态，因而可实现静密封、耐高压、无泄漏的目的。

2·3 磁力搅拌器与普通搅拌器的区别磁力搅拌器是由微电机带动高温强力磁铁产生旋转磁场来驱动容器内的搅拌子转动，以达到对溶液进行加热，从而使溶液在设定的温度中得到充分的混合反应，故广泛应用于生物、医药、化学、化工等领域．搅拌的作用，是使反应物混合均匀，使温度均匀；在一个密闭的容器中加热，需要防止暴沸，例如在蒸馏过程中，可以加入沸石，也可以用磁力搅拌器；加快反应速度，或者蒸发速度，缩短时间。

和普通搅拌机相比，磁力搅拌器的优点如下：1、磁力搅拌器采用优质直流电机，噪音小调速平稳；2、由聚四氟乙烯和优质磁钢精制成的搅拌子，耐高温、耐磨、耐化学腐蚀、磁性强；3、全封闭式加热盘可作辅助加热之用，可长期加热使用；4、可在密闭的容器中进行调混工作，使用十分理想与方便；5、搅拌器可设定温度及温度显示，可长期加热使用，数显直观准确. 2·4磁力搅拌器特点磁力搅拌器特点：外壳由特殊阻燃增强型塑料注塑成型，磁力搅拌器有非常高的抗热、抗酸碱及有机溶剂的特性。