(聚合反應(yīng)工程5-6(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ≠0 ， q值由下式計(jì)算： ? q＝ (α lgNRe/β) (5 12) 表 51 、表 52 ? 針對(duì)各種槳葉的攪拌特性，許多研究者提出了各種功率曲線圖可供使用。 ? 其中，較通用的是由 Rushton等人提出的功率函數(shù) Φ ～ NRe曲線，如圖 513所示（ p155）。 ? 提示： ? 利用功率曲線圖計(jì)算攪拌功率消耗時(shí)，應(yīng)注意圖中各曲線的適用范圍，如果應(yīng)用時(shí)與圖 513中所列條件偏離較遠(yuǎn)時(shí)，將會(huì)引起較大的誤差。 [例 51] ? 在一直徑為 ，液深為 ，內(nèi)裝有 4塊擋板(Bw/T＝ )的反應(yīng)釜內(nèi)，反應(yīng)液的密度為1300kg/m3，粘度為 13 103Pas ，今用一三葉推進(jìn)式攪拌器 (D＝ ， S/D＝ 1)以 300轉(zhuǎn) /分的轉(zhuǎn)速進(jìn)行攪拌，計(jì)算 ? (1)攪拌軸功率消耗。 ? (2)若改用同樣直徑的六葉平直圓盤(pán)渦輪，轉(zhuǎn)速不變，攪拌功率是多少？ ? (3)若釜內(nèi)不設(shè)擋板，仍采用六葉平直圓盤(pán)渦輪時(shí)，其攪拌功率是多少 ? ? [解 ]: ? (1)計(jì)算攪拌雷諾數(shù) ? 由圖 513曲線 2得 Φ ＝ ，因有擋板， NRe＞ 103，Np=ΦN Frq=Φ= （ q＝ 0） ? (2)由 513曲線 6查得 Φ ＝ ， NP=Φ= 224Re 33001300 ND 60N 8 1013 10 ????? ? ? ??? 33 5 5p300P N N D 1300 533W kW60??? ? ? ? ? ? ? ?????33 5 5p300P N N D 1300 10480 W 60??? ? ? ? ? ? ? ????? ? (3)無(wú)擋板， NRe＞ 300，有漩渦，查表 52得 α＝ ， β ＝ ，代入式 (512)計(jì)算指數(shù) q： ? 由圖 513曲線 5查得 Φ ＝ ， Rel g N l g 80000q 40?? ?? ? ? ??22Fr300ND 60N g ???????? ? ? ? ?Fr 0. 09 76qpN N 2 98?? ? ? ? ? ?33 5 5p300P N N D 1300 1990 W kW600??? ? ? ? ? ? ? ? ????? 三、非均相體系攪拌功率計(jì)算 ? 對(duì)于氣 液、液 液、液 固等非均相體系，其攪拌功率計(jì)算一般可參照均相液體攪拌功率的計(jì)算方法，并加以修正。 ? 1．氣 液體系 ? 液體中通入氣體，降低了被攪拌液體的有效密度，因此也就降低了攪拌功率。永田對(duì)六葉渦輪攪拌釜在廣泛通氣流率范圍內(nèi)研究了對(duì)攪傳功率的影響，得到如下關(guān)聯(lián)式 (519) : 1. 96D0. 1154. 38 22 T30D N D D N ql g 192T g N DgPP?? ? ? ? ??????? ? ? ? ??? ???? ? ? ??? ? 式 (519)中， Pg和 P0分別為通氣和不通氣條件下的攪拌功率， q為通氣速率 [m3/s]。 ? Calderbank用六葉平直渦輪在全擋板攪拌釜中研究了通氣系數(shù) G與攪拌功率的關(guān)系，得到如下關(guān)聯(lián)式 : ? Pg/P0=。 G 102 (520) ? Pg/P0=。 ? 102G11 102 (521) ? 式中， G=q/ND3，見(jiàn)圖 514（ p158）。 ? 顯然，只要算出不通氣時(shí)均相液體的攪拌功率，通過(guò)該式（圖）就能方便地計(jì)算通氣條件下的攪拌功率。 ? 當(dāng)大量通入氣體時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)大氣泡，功率消耗不再明顯變化，該狀態(tài)稱“液泛”。 圖 514 攪拌的功率比 Pg/P0與通氣系數(shù) G的關(guān)系 Pg/P0 第五節(jié) 攪拌器的流動(dòng)特性及轉(zhuǎn)速計(jì)算 ? 在攪拌器作用下，流體在釜內(nèi)按一定的流況作循環(huán)流動(dòng)，攪拌器的流動(dòng)特性也稱循環(huán)特性，是影響攪拌效果的重要因素。 ? 一、攪拌器的循環(huán)特性 ? 攪拌槳葉旋轉(zhuǎn)時(shí)，液體從中心吸入，經(jīng)離心力作用從葉端排出，如同離心泵一樣將液體泵出。 ? 單位時(shí)間內(nèi)從槳葉排出的流量 qd稱為攪拌槳葉的排出流量或泵送能力。 ? 排出流量 qd可按液體離開(kāi)槳葉的平均速率 u和槳葉掃過(guò)面積的乘積來(lái)計(jì)算。 ? 槳葉掃過(guò)的面積與槳葉直徑 D2成正比，而平均速率又正比于葉端速度 (πND) ，故可得 ? qd=NqdND 3 (538) ? 式中的比例系數(shù) Nqd稱為排出流量數(shù)或泵送準(zhǔn)數(shù)。 ? 排出流量數(shù) Nqd包含了流體的流速和攪拌器的泵送能力，反映了攪拌的劇烈程度。 ? 排出流量數(shù)與功率準(zhǔn)數(shù)相類似，也是攪拌雷諾數(shù)的函數(shù)。 渦輪攪拌器 排出流量數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系 圖 517渦輪攪拌器排出流量數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系 ? 在層流時(shí)， qc≈qd；湍流時(shí)， qc＞ qd。 ? 與排出流量數(shù)相類似，可用循環(huán)流量數(shù) Nqc來(lái)表征攪拌槳葉的循環(huán)特性 ? Nqc=qc/ND3 (540) ? 在湍流域時(shí)，它們的關(guān)系為 ? Nqc= Nqd{1+[(T/D)21]} (541) ? 影響 Nqd及 Nqc的主要因素是雷諾數(shù)及槳葉特性。 ? 若用循環(huán)次數(shù) N c或循環(huán)時(shí)間 tc來(lái)表征攪拌器的循環(huán)特性更為直觀。 ? N c =qc/V＝ NqcND3/V (546) ? tc=1/Nc (547) ? 式中， V為攪拌釜內(nèi)流體的體積。 ? 循環(huán)次數(shù) N c是一個(gè)很重要的攪拌參數(shù)，通常可用以判別攪拌強(qiáng)度。 ? 普通攪拌 N c ＝ 3～ 5次 /分 ? 強(qiáng)烈攪拌 N c ＝ 5～ 10次 /分 ? 習(xí)慣上用排出流量數(shù) Nqd與功率準(zhǔn)數(shù) Np的比值來(lái)判斷槳葉的流動(dòng)特性： ? 當(dāng) Np/Nqd＝ 1~2時(shí)，為循環(huán)型槳葉； ? 當(dāng) Np/Nqd＞ 3 時(shí)，為剪切型槳葉。 二、攪拌轉(zhuǎn)速的確定 ? 攪拌器設(shè)計(jì)首先要考慮反應(yīng)體系對(duì)攪拌效果的要求： ? 本體聚合及溶液聚合要求達(dá)到混合和攪動(dòng)。 ? 懸浮聚合更要求分散和懸浮，以形成穩(wěn)定的懸浮體系。 ? 從攪拌效果來(lái)看，可將攪拌操作分成 混合攪動(dòng)型 和 懸浮型 兩大類。 ? 攪拌釜內(nèi)流體的流速分布和攪拌轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。 ? 攪拌轉(zhuǎn)速的確定取決于對(duì)攪拌的具體要求。 ? 如在連續(xù)攪拌反應(yīng)釜中，應(yīng)確保進(jìn)料有效混合，此時(shí)攪拌槳葉應(yīng)有足夠的泵送能力。 1．混合和攪動(dòng)型攪拌轉(zhuǎn)速的確定 ? 對(duì)于混合和攪動(dòng)類型攪拌過(guò)程的強(qiáng)烈程度按相互混合液體的 粘度差和密度差 來(lái)區(qū)分。 攪拌強(qiáng)烈程度分為 10級(jí) ，表 55列出 10個(gè)攪拌等級(jí)的劃分標(biāo)難。 設(shè)計(jì)混合、攪動(dòng)型攪拌裝置的步驟 ? (1)根據(jù)生產(chǎn)任務(wù) 確定 攪拌釜容積和釜徑 T； ? (2)選定槳葉直徑與釜徑比值 D/T，初步求出槳葉的直徑 D； ? D/T的比值一般在 ～ 。實(shí)際使用時(shí)常用的槳葉 D/T比值范圍如下： ? 平槳 ～ ? 渦輪 ～ ? 推進(jìn)式 ～ ? (3)根據(jù)所得攪拌程度 確定 攪拌等級(jí)和總體流速 u； ? (4)計(jì)算攪拌槳葉的排出流量 qd＝ uπT 2/4； ? (5)運(yùn)用雷諾準(zhǔn)數(shù) NRe和排出流量數(shù) Nqd關(guān)系圖 (見(jiàn)圖 517， p162)， 計(jì)算攪拌槳葉轉(zhuǎn)速 N； ? 首先假設(shè)在湍流區(qū)，由圖 517查得 Nqd，從而初選出轉(zhuǎn)速 N，根據(jù)初選出的 N值計(jì)算 NRe后，再?gòu)膱D上讀出 Nqd，通過(guò)反復(fù)試差校正，可計(jì)算出合適的轉(zhuǎn)速； ? (6)對(duì)攪拌槳葉直徑進(jìn)行粘度校正 ，校正因數(shù) CF列于表 56。 De＝ D/CF，其中， De表示槳葉經(jīng)校正后的直徑； ? (7)計(jì)算攪拌槳葉的軸功率消耗 [例 52] ? 一個(gè)容積為 40m3貯槽，容納幾臺(tái)分批反應(yīng)器的產(chǎn)物，產(chǎn)物密度為 ，最大波動(dòng)為 。粘度為s 。各批產(chǎn)品間粘度無(wú)明顯變化，產(chǎn)品在貯槽中至少存放兩天。槽徑 ，直邊高 ，碟形底。試設(shè)計(jì)攪拌裝置。 ? [解 ] 各批物料的密度差別小，粘度無(wú)明顯變化，對(duì)均勻程度沒(méi)有提出特別要求，存放時(shí)間又長(zhǎng)，攪拌強(qiáng)度可選用一級(jí)。 ? 由表 56查得，總體流速 u＝ ，則排出流量為 ? qd=u(πT 2/4)=( )=? 若選用六葉渦輪槳葉，取 D/T＝ ，則 ? D＝ ＝ ＝ ? 計(jì)算攪拌轉(zhuǎn)速，利用圖 517，假設(shè)為湍流操作， ? 由 D/T＝ ，查得 Nqd＝ ，從而 ? N=qd/(NqdD 3)=（ ） = ? 此時(shí)的雷諾數(shù)為： N=ρND 2/μ ? ＝ 1000（ ）（ ） 2/=809 ? 由圖 517讀出， Nqd約為 ，重新計(jì)算轉(zhuǎn)速 ? N=qd/(NqdD 3)=( )= ? 由此，得雷諾數(shù)： ? NRe=ρND 2/μ=1050()() 2/=994 ? 由圖 517讀出，此時(shí)的 Nq≈ ，重新計(jì)算轉(zhuǎn)速得： ? N={()3}= ? 計(jì)算雷諾數(shù)： ? NRe=1050()()2/=965 ? 再?gòu)膱D 517讀出， Nq≈ ，與上一個(gè)設(shè)定的 Nqd相近，故攪拌槳葉轉(zhuǎn)速可確定為 N=。 ? 對(duì)槳葉直徑進(jìn)行粘度校正：由表 56看出，當(dāng) NRe為 965時(shí) (＞ 700)， CF＝ 1，也即槳葉直徑不需校正，仍取 D＝ 。 表 56 槳葉直徑的粘度校正因數(shù) CF 雷諾數(shù) NRe 700 500 400 300 200 校正系數(shù) CF 150 100 80 70 60 50 2．顆粒懸浮型攪拌轉(zhuǎn)速的確定 ? 顆粒懸浮型攪拌器一般是按顆粒懸浮問(wèn)題來(lái)處理，按懸浮程度的要求計(jì)算攪拌槳葉的尺寸和轉(zhuǎn)速，而顆粒懸浮系統(tǒng)的攪拌難度，則決定于懸浮粒子的沉降速率。 ? Stokes曾對(duì) 單顆光滑球形粒子 的沉降進(jìn)行研究，并提出極限沉降速率的計(jì)算式。 ? 但對(duì)實(shí)際體系，情況遠(yuǎn)非如此，主要由于： ? 顆粒多，不再是單顆 ? 粒經(jīng)不均一，存在粒經(jīng)分布 ? 形狀不規(guī)則，不一定都是球形 ? 表面也不可能都是光滑的 ? 所以計(jì)算式的應(yīng)用受到限制。 ? 比較實(shí)用的方法是將： ? 粒子的平均粒徑 dp ? 極限沉降速率 ut ? 顆粒與懸浮介質(zhì)密度差 三者 之間的關(guān)系整理成圖，如圖 519所示。 ? 由圖 519可直接查得顆粒的極限沉降速率。 圖 519 球形顆粒在液體中自由沉降的極限沉降速率圖 ? 懸浮類型攪拌強(qiáng)烈程度，也可劃為 10個(gè)等級(jí)，表 57列出 10個(gè)攪拌等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)。 ? 攪拌級(jí)別 (懸浮程度 )與有關(guān)下列因素： ? 顆粒的沉降速率 ? 槳葉直徑 ? 轉(zhuǎn)速 ? 槳葉的轉(zhuǎn)速愈高，直徑愈大，顆粒的沉降速率愈小，所獲得的懸浮程度愈高。 ? 即： 懸浮程度 (攪拌級(jí)別 )∝N nDm/ud (548) ? 式中 ud為設(shè)計(jì)沉降速率。 表 57 不同攪拌級(jí)別的攪拌效果 (顆粒懸浮型 ) ? 圖 520為攪拌級(jí)別與槳葉直徑、轉(zhuǎn)速及顆粒設(shè)計(jì)沉降速率的關(guān)系。 ? 圖中的橫坐標(biāo)以 Φ ＝ 。 ? 利用圖 520，在確定了攪拌級(jí)別，槳葉直徑設(shè)計(jì)沉降速率后，可以計(jì)算攪拌槳葉的轉(zhuǎn)速。