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1、8.2 机械搅拌反应器机械搅拌反应器一、基本结构一、基本结构11 1电动机；电动机；2 2减速机；减速机；3 3机架；机架；4 4人孔；人孔；5 5密封装置；密封装置；6 6进料口；进料口；7 7上封头；上封头；8 8筒体：筒体：9 9联轴器；联轴器；1010搅拌轴；搅拌轴；1111夹套；夹套；1212载热介质出口；载热介质出口；1313挡板；挡板；1414螺旋导流板；螺旋导流板；1515轴向流搅拌器；轴向流搅拌器；1616径向流搅拌器；径向流搅拌器；1717气体分布器；气体分布器；1818下封头；下封头；1919出料口；出料口；2020载热介质进口；载热介质进口；2121气体进口气体进口图图
2、8-7 8-7 通气式搅拌反应器通气式搅拌反应器典型结构典型结构2二、搅拌容器二、搅拌容器 作用作用:为物料反应提供合适的空间为物料反应提供合适的空间.结构结构:搅拌容器搅拌容器3装料系数装料系数:一般取一般取0.6 0.85 如物料在反应过程中呈泡沫或沸腾状态如物料在反应过程中呈泡沫或沸腾状态取取0.6 0.7 如物料在反应过程中比较平稳如物料在反应过程中比较平稳取取0.8 0.85容积容积卧式搅拌容器卧式搅拌容器:筒体和左右两封头容积之和筒体和左右两封头容积之和直立式搅拌容器直立式搅拌容器:筒体和下封头两部分容积之和筒体和下封头两部分容积之和搅拌设备筒体的高径比搅拌设备筒体的高径比:表表8
3、-3确定筒体直径、高度确定筒体直径、高度4表表8 83 3 几种搅拌设备筒体的高径比几种搅拌设备筒体的高径比种种类类罐内物料罐内物料类类型型高径比高径比一般一般搅搅拌罐拌罐液液-固相、液液相固相、液液相1 11.31.3气液相气液相1 12 2聚合釜聚合釜悬悬浮液、乳化液浮液、乳化液2.082.083.853.85发发酵罐酵罐类类发发酵液酵液1.71.72.52.55 换热元件换热元件优先采用夹套，减少优先采用夹套，减少容器内构件，便于清容器内构件，便于清洗，不占有效容积。洗，不占有效容积。6表表8 84 4 各种碳钢夹套的适用温度和压力范围各种碳钢夹套的适用温度和压力范围夹夹套型式套型式最高
4、温度最高温度/最高最高压压力力/MPa/MPa整体整体夹夹套套 U U型型 圆圆筒型筒型3503503003000.60.61.61.6型型钢夹钢夹套套2002002.52.5蜂蜂窝夹窝夹套套 短管支撑式短管支撑式 折折边锥边锥体式体式2002002502502.52.54.04.0半半圆圆管管夹夹套套3503506.46.47ttjDDDjDjttjDDDjDj图图8 88 8 整体夹套整体夹套(a)圆筒型圆筒型(b)U型型8图图8 89 9 夹套肩与筒体的连接结构夹套肩与筒体的连接结构(a)(a)封口锥封口锥(b)(b)封口环封口环DDjDjD9t1t1t2t2t1d1d1封口环封口环图图
5、8 810 10 夹套底与封头连接结构夹套底与封头连接结构封口锥封口锥10图图8 811 11 型钢夹套结构型钢夹套结构(a)螺旋形角钢互搭式螺旋形角钢互搭式(b)角钢螺旋形缠绕角钢螺旋形缠绕11图图812 半圆管夹套结构半圆管夹套结构(a)半圆管半圆管半圆管横截面重心半圆管横截面重心r2t1Db2b1t2e212图图8 812 12 半圆管夹套结构半圆管夹套结构(b)(b)弓形管弓形管弓形管横截面重心弓形管横截面重心t2e2r2b2b1Dt113bL3L2Lt1L3(a)(a)螺旋形缠绕螺旋形缠绕图图8 813 13 半圆管夹套的安装半圆管夹套的安装14图图8 813 13 半圆管夹套的安装
6、半圆管夹套的安装(b)(b)平行排管平行排管Dt115图图8 814 14 折边式蜂窝夹套折边式蜂窝夹套夹套向内折边与筒夹套向内折边与筒体贴合好体贴合好,再进行再进行焊接的结构焊接的结构 D1t1D2t2bAA A向向16D1t1D2edminb用冲压的小锥体用冲压的小锥体或钢管做拉撑体。或钢管做拉撑体。蜂窝孔在筒体上蜂窝孔在筒体上呈正方形或三角呈正方形或三角形布置形布置 图图8 815 15 短管支撑式蜂窝夹套短管支撑式蜂窝夹套17 图图8 816 16 螺旋形盘管螺旋形盘管 dD18dD对称布置的几组对称布置的几组竖式蛇管：竖式蛇管：传热传热 挡板作用挡板作用图图8 817 17 竖式蛇管
7、竖式蛇管19三、搅拌器三、搅拌器 搅拌器的功能和流动特征搅拌器的功能和流动特征功能功能提供过程所需要的能量和适宜的流动状态。提供过程所需要的能量和适宜的流动状态。原理原理搅拌器旋转时把机械能传递给流体，在搅拌器附近搅拌器旋转时把机械能传递给流体，在搅拌器附近 形成高湍动的充分混合区，并产生一股高速射流推动形成高湍动的充分混合区，并产生一股高速射流推动 液体在搅拌容器内循环流动。液体在搅拌容器内循环流动。影响搅拌器功能的因素影响搅拌器功能的因素a.浆叶的形状、尺寸、数量、转速浆叶的形状、尺寸、数量、转速 b.搅拌介质的物性搅拌介质的物性 c.搅拌器的工作环境搅拌器的工作环境 d.搅拌器在槽内的安
8、装位置和方式搅拌器在槽内的安装位置和方式20流型流型流体循环流动的途径。流体循环流动的途径。搅拌机顶插式中心安装立式圆筒的三种基本流型：搅拌机顶插式中心安装立式圆筒的三种基本流型：径向流径向流:图图8-18(a)流体流动方向垂直于搅拌轴，沿径向流动流体流动方向垂直于搅拌轴，沿径向流动 轴向流轴向流:图图8-18(b)流体流动方向平行于搅拌轴流体流动方向平行于搅拌轴 切向流切向流:图图8-18(c)无挡板的容器内，流体绕轴作旋转运动。无挡板的容器内，流体绕轴作旋转运动。这个区域内流体没有相对运动这个区域内流体没有相对运动混合效果差。混合效果差。消除方法消除方法加挡板加挡板削弱切向流，削弱切向流，
9、增强轴向流和径向流增强轴向流和径向流上述三种流型通常同时存在上述三种流型通常同时存在轴向流与径向流对混合起主要作用轴向流与径向流对混合起主要作用切向流应加以抑制切向流应加以抑制21影响流型的因素影响流型的因素:搅拌器的形式、搅拌容器和内构件几何搅拌器的形式、搅拌容器和内构件几何 特征、流体性质、搅拌器转速等。特征、流体性质、搅拌器转速等。搅拌器在容器内安装方式搅拌器在容器内安装方式:图图8-19,除中心安装的搅拌机外，除中心安装的搅拌机外，还有偏心式、底插式、侧插式、还有偏心式、底插式、侧插式、斜插式、卧式等安装方式。斜插式、卧式等安装方式。不同方式安装的搅拌机产生的流型也不同方式安装的搅拌机
10、产生的流型也 各不相同。各不相同。22流体流动方向垂直于流体流动方向垂直于搅拌轴，搅拌轴，沿径向流动沿径向流动，碰到容器壁面分成二碰到容器壁面分成二股流体分别向上、向股流体分别向上、向下流动，再回到叶端，下流动，再回到叶端，不穿过叶片，形成上、不穿过叶片，形成上、下二个循环流动。下二个循环流动。(a)(a)径向流径向流图图8 818 18 搅拌器与流型搅拌器与流型(a)(a)径向流径向流23流体流动方向流体流动方向平行于平行于搅拌轴搅拌轴，流体由桨叶，流体由桨叶推动，使流体向下流推动，使流体向下流动，遇到容器底面再动，遇到容器底面再向上翻，形成上下循向上翻，形成上下循环流。环流。(b)(b)轴
11、向流轴向流 图图8 818 18 搅拌器与流型搅拌器与流型 (b)(b)轴向流轴向流24无挡板的容器内，流无挡板的容器内，流体体绕轴作旋转运动绕轴作旋转运动，流速高时液体表面会流速高时液体表面会形成漩涡，流体从桨形成漩涡，流体从桨叶周围周向卷吸至桨叶周围周向卷吸至桨叶区的流量很小，混叶区的流量很小，混合效果很差。合效果很差。(c)(c)切向流切向流 图图8 818 18 搅拌器与流型搅拌器与流型 (c)(c)切向流切向流25图图8 819 19 搅拌器在容器内的安装方式搅拌器在容器内的安装方式(a)(a)垂直垂直偏心式偏心式(b)(b)底插式底插式(c)(c)侧插式侧插式(d)(d)斜插式斜插
12、式(e)(e)卧式卧式26流动特性流动特性:搅拌器搅拌器对流体产生对流体产生剪切作用剪切作用:与液与液液搅拌体系中液滴的液搅拌体系中液滴的 细化、固细化、固液搅拌体系中固体液搅拌体系中固体 粒子的破碎以及气粒子的破碎以及气液搅拌体液搅拌体 系中气泡的细微化有关。系中气泡的细微化有关。循环作用循环作用:与混合时间、传热、固体的悬与混合时间、传热、固体的悬 浮等相关。浮等相关。剪切型叶轮剪切型叶轮:输入液体的能量主要用于对流体的剪切作用输入液体的能量主要用于对流体的剪切作用,如径向涡轮式、锯齿圆盘式等。如径向涡轮式、锯齿圆盘式等。循环型叶轮循环型叶轮:输入流体的能量主要用于对流体的循环作用输入流体
13、的能量主要用于对流体的循环作用,如框式、螺带式、锚式、桨式、推进式等如框式、螺带式、锚式、桨式、推进式等27按流体流动形态按流体流动形态轴向流搅拌器轴向流搅拌器径向流搅拌器径向流搅拌器按结构分为按结构分为平平 叶叶 折折 叶叶 螺旋面叶螺旋面叶桨式、涡轮式、框式和桨式、涡轮式、框式和锚式的桨叶都有平叶和锚式的桨叶都有平叶和折叶二种结构折叶二种结构推进式、螺杆式和螺带推进式、螺杆式和螺带式的桨叶为螺旋面叶式的桨叶为螺旋面叶搅拌器类型及典型搅拌器特性搅拌器类型及典型搅拌器特性搅拌器分类搅拌器分类:图图8-22混合流搅拌器混合流搅拌器28 按搅拌按搅拌用途分为用途分为低粘流体低粘流体用搅拌器用搅拌器
14、高粘流体高粘流体用搅拌器用搅拌器低粘流体搅拌器有：低粘流体搅拌器有：推进式、长薄叶螺旋桨、推进式、长薄叶螺旋桨、桨式、开启涡轮式、圆盘桨式、开启涡轮式、圆盘涡轮式、布鲁马金式、板涡轮式、布鲁马金式、板框桨式、三叶后弯式、框桨式、三叶后弯式、MIG MIG 和改进和改进MIGMIG等。等。高粘流体搅拌器有：高粘流体搅拌器有：锚式、框式、锯齿圆盘式、锚式、框式、锯齿圆盘式、螺旋桨式、螺带式（单螺带、螺旋桨式、螺带式（单螺带、双螺带）、螺旋双螺带）、螺旋螺带式等。螺带式等。29图图8 822 22 搅拌器流型分类图谱搅拌器流型分类图谱 轴流式轴流式混流式混流式径流式径流式搅拌器搅拌器30 桨式桨式、
15、推进式推进式、涡轮式涡轮式和和锚式锚式搅拌器在搅拌器在搅拌反应设备中应用最为广泛，据统计约占搅拌反应设备中应用最为广泛，据统计约占搅拌器总数的搅拌器总数的75758080。31典型搅拌器特性及尺寸典型搅拌器特性及尺寸:桨式搅拌器桨式搅拌器:图图8-23 推进式搅拌器推进式搅拌器:图图8-24 涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器:图图8-25 锚式搅拌器锚式搅拌器:图图8-2632结构最简单结构最简单叶片用扁钢制成，焊叶片用扁钢制成，焊接或用螺栓固定在轮接或用螺栓固定在轮毂上，叶片数是毂上，叶片数是2 2、3 3或或4 4 片，叶片形式可片，叶片形式可分为平直叶式和折叶分为平直叶式和折叶式两种。式两种。图
16、图8 82323桨式搅拌器桨式搅拌器 33表表8 85 5 桨式搅拌器常用参数桨式搅拌器常用参数常用尺寸常用尺寸常用运常用运转转条件条件常用介常用介质质粘度范粘度范围围流流动动状状态态备备注注d/D=0.35d/D=0.350.80.8b/d=0.1b/d=0.10.250.25B Bn n=2=2折叶式有折叶式有轴轴向、径向、径向和向和环环向向分流作用分流作用小于小于2Pas 低低转转速速时时水平水平环环向流向流为为主；主；转转速速高高时为时为径向流；径向流；有有挡挡板板时为时为上下上下循循环环流流当当d/D=0.9d/D=0.9以上，以上，并并设设置多置多层桨层桨叶叶时时，可用于高粘，可用
17、于高粘度液体的低速度液体的低速搅搅拌。在拌。在层层流区操流区操作，适用的介作，适用的介质质粘度可达粘度可达100100Pas,v=1.0v=1.03.0m/s3.0m/s折叶式折叶式=45=45，6060折叶式有轴向、折叶式有轴向、径向和环向分流径向和环向分流作用作用 注：注：n n转速；转速；v v叶端线速度；叶端线速度；BnBn叶片数；叶片数；d d搅拌器直径；搅拌器直径；D D容器内径：容器内径：折叶角。折叶角。34推进式搅拌器（又称船用推进器）推进式搅拌器（又称船用推进器）常用于低粘流体中。常用于低粘流体中。标准推进式搅拌器有三瓣叶标准推进式搅拌器有三瓣叶片，其螺距与桨直径片，其螺距与
18、桨直径d相等。相等。它直径较小，它直径较小，d/D=1/41/3，叶端速度一般为叶端速度一般为 710 m/s，最高达最高达15 m/s。图图8 82424推进式搅拌器推进式搅拌器 35表表8 86 6推进式搅拌器常用参数推进式搅拌器常用参数常用尺寸常用尺寸常用运常用运转转条件条件常用介常用介质质粘度范粘度范围围流流动动状状态态备备注注d/D=0.2d/D=0.20.5(0.5(以以0.330.33居多居多)p/d=1,2p/d=1,2B Bn n=2,3,4=2,3,4(以以3 3居多居多)p p螺距螺距n=100n=100500r/m500r/mininv=3v=315m/s15m/s小于
19、小于2Pas轴轴流型，循流型，循环环速率高，速率高，剪切力小。剪切力小。采用采用挡挡板或板或导导流筒流筒则轴则轴向循向循环环更更强强最高最高转转速可达速可达1750r/min:1750r/min:最最高叶端高叶端线线速度速度可达可达25m/s25m/s。转转速在速在500r/min500r/min以下，以下，适用介适用介质质粘度粘度可达可达50Pa.s 50Pa.s 36涡轮式搅拌器（又称透涡轮式搅拌器（又称透平式叶轮），是应用较平式叶轮），是应用较广的一种搅拌器，能有广的一种搅拌器，能有效地完成几乎所有的搅效地完成几乎所有的搅拌操作，并能处理粘度拌操作，并能处理粘度范围很广的流体。范围很广的
20、流体。图图8 825 25 涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器 37表表8 87 7 涡轮式搅拌器常用参数涡轮式搅拌器常用参数型式型式常用尺寸常用尺寸常用运常用运转转条件条件常用介常用介质质粘粘度范度范围围流流动动状状态态备备注注开式开式涡轮涡轮d/D=0.2d/D=0.20.50.5(以以0.330.33居多居多)b/d=0.2b/d=0.2B Bn n=,3,4,6,8=,3,4,6,8(以以6 6居多居多)折叶式折叶式=30=30,45,45,60,60后弯式后弯式=30=30,50,50,60,60 后弯角后弯角n=10n=10300r/min300r/minv=410m/s折叶式折叶式v=26
21、m/s小于小于50Pas，折叶和后弯折叶和后弯叶小于叶小于10Pas平直叶、平直叶、后弯叶后弯叶为为径向流型。径向流型。在有在有挡挡板板时时以以桨桨叶叶为为界形成界形成上下两个上下两个循循环环流。流。折叶的折叶的还还有有轴轴向分向分流，近于流，近于轴轴流型流型最高最高转转速速可达可达600r/min600r/min圆盘圆盘上下上下液体的混液体的混合不如开合不如开式式涡轮涡轮盘盘式式涡轮涡轮d:l:b=20:5:4d:l:b=20:5:4d/D=0.2d/D=0.20.50.5(以以0.330.33居多居多)B Bn n=4,6,8=4,6,8=45=45,60,60=45=45n=10n=10
22、300r/min300r/minv=4v=410m/s10m/s折叶式折叶式v=2v=26m/s6m/s小于小于50Pas，折叶和折叶和后弯叶后弯叶小于小于10Pa10Pas s38结构简单。结构简单。适用于粘度在适用于粘度在100Pa100Pas s以下的流体搅拌，当流以下的流体搅拌，当流体粘度在体粘度在1010100Pa100Pas s时，可在锚式桨中间加时，可在锚式桨中间加一横桨叶，即为框式搅一横桨叶，即为框式搅拌器，以增加容器中部拌器，以增加容器中部的混合。的混合。图图8 826 26 锚式搅拌器锚式搅拌器 39常用尺寸常用尺寸常用运常用运转转条条件件常用介常用介质质粘度范粘度范围围流
23、流动动状状态态备备注注d/D=0.90.98b/D=0.1h/D=0.48-1.0n=n=1 1100r/min100r/minv=1v=15m/s5m/s小于小于100Pa100Pas s不同高度不同高度上的水平上的水平环环向流向流为为了增大了增大搅搅拌范拌范围围，可，可根据需要在根据需要在桨桨叶上增加叶上增加立叶立叶和和横梁横梁表表8 88 8 锚式搅拌器常用参数锚式搅拌器常用参数40选用时除满足工艺要求外，还应考虑功耗低、操作选用时除满足工艺要求外，还应考虑功耗低、操作费用省，以及制造、维护和检修方便等因素。费用省，以及制造、维护和检修方便等因素。搅拌器选型依据搅拌器选型依据搅拌目的搅拌
24、目的 物料粘度物料粘度 搅拌容器容积的大小搅拌容器容积的大小搅拌器的选型搅拌器的选型41仅考虑搅拌目的时搅拌器的选型见表仅考虑搅拌目的时搅拌器的选型见表8 89 9。按搅拌目的选型按搅拌目的选型:42搅搅拌目的拌目的挡挡板条件板条件推荐形式推荐形式流流动动状状态态互溶液体的混合及互溶液体的混合及在其中在其中进进行化学反行化学反应应无无挡挡板板三叶折叶三叶折叶涡轮涡轮、六叶折叶开启、六叶折叶开启涡轮涡轮、桨桨式、式、圆盘涡轮圆盘涡轮 湍流湍流(低粘流体低粘流体)有有导导流筒流筒三叶折叶三叶折叶涡轮涡轮、六叶折叶开启、六叶折叶开启涡轮涡轮、推推进进式式有或无有或无导导流筒流筒桨桨式、螺杆式、框式、
25、螺式、螺杆式、框式、螺带带式、式、锚锚式式层层流流(高粘流体高粘流体)固固液相分散及在液相分散及在其中溶解和其中溶解和进进行化行化学反学反应应有或无有或无挡挡板板桨桨式、六叶折叶开启式式、六叶折叶开启式涡轮涡轮湍流湍流(低粘流体低粘流体)有有导导流筒流筒三叶折叶三叶折叶涡轮涡轮、六叶折叶开启、六叶折叶开启涡轮涡轮、推推进进式式有或无有或无导导流筒流筒螺螺带带式、螺杆式、式、螺杆式、锚锚式式层层流流(高粘流体高粘流体)液液液相分散（互液相分散（互溶的液体）及在其溶的液体）及在其中中强强化化传质传质和和进进行行化学反化学反应应有有挡挡板板三叶折叶三叶折叶涡轮涡轮、六叶折叶开启、六叶折叶开启涡轮涡轮
26、、桨桨式、式、圆盘涡轮圆盘涡轮式、推式、推进进式式湍流湍流(低粘流体低粘流体)表表8 89 9 搅拌目的与推荐的搅拌器形式搅拌目的与推荐的搅拌器形式43液液液相分散液相分散（不互溶的液体）（不互溶的液体）及在其中及在其中强强化化传传质质和和进进行化学反行化学反应应有有挡挡板板圆盘涡轮圆盘涡轮、六叶折叶开启、六叶折叶开启涡轮涡轮湍流湍流(低粘流体低粘流体)有反射物有反射物三叶折叶三叶折叶涡轮涡轮有有导导流筒流筒三叶折叶三叶折叶涡轮涡轮、六叶折叶开启、六叶折叶开启涡轮涡轮、推推进进式式有或无有或无导导流筒流筒螺螺带带式、螺杆式、式、螺杆式、锚锚式式层层流流(高粘流体高粘流体)气气液相分散及液相分散
27、及在其中在其中强强化化传质传质和和进进行化学反行化学反应应有有挡挡板板圆盘涡轮圆盘涡轮、闭闭式式涡轮涡轮湍流湍流(低粘流体低粘流体)有反射物有反射物三叶折叶三叶折叶涡轮涡轮有有导导流筒流筒三叶折叶三叶折叶涡轮涡轮、六叶折叶开启、六叶折叶开启涡轮涡轮、推推进进式式有有导导流筒流筒螺杆式螺杆式层层流流(高粘流体高粘流体)无无导导流筒流筒锚锚式、螺式、螺带带式式表表8 89 9 搅拌目的与推荐的搅拌器形式（续）搅拌目的与推荐的搅拌器形式（续）44按搅拌器型式和适用条件选型按搅拌器型式和适用条件选型:表表8-10推进式搅拌器推进式搅拌器用于低粘度流体的混合，循环能力强，用于低粘度流体的混合，循环能力强
28、，动力消耗小，可应用到很大容积的搅动力消耗小，可应用到很大容积的搅 拌容器中。拌容器中。桨式搅拌器桨式搅拌器 结构简单，在小容积的流体混合中应结构简单，在小容积的流体混合中应 用较广，对大容积的流体混合，循环用较广，对大容积的流体混合，循环 能力不足。能力不足。涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器应用范围较广，各种搅拌操作都适用，应用范围较广，各种搅拌操作都适用，但流体粘度不宜超过但流体粘度不宜超过50Pa50Pas s。锚式、螺杆式、螺带式锚式、螺杆式、螺带式适用于高粘流体的混合。适用于高粘流体的混合。45表表8 810 10 搅拌器型式和适用条件搅拌器型式和适用条件注：有注：有者为可用，空白者不详或不
29、合用者为可用，空白者不详或不合用 46生物反应物料特性及搅拌器生物反应物料特性及搅拌器生物反应器特点生物反应器特点:都是在多相体系中进行的。都是在多相体系中进行的。气气液液固固三相三相,即空气或即空气或CO2等气体产物、等气体产物、液态培养基和生物细胞及其载体颗粒，液态培养基和生物细胞及其载体颗粒，如青霉素、链霉素、头孢菌素等医药产品。如青霉素、链霉素、头孢菌素等医药产品。大多数生物颗粒大多数生物颗粒对剪切力非常敏感对剪切力非常敏感。剪切作用可能影响细胞的生成速率和组成剪切作用可能影响细胞的生成速率和组成 比例，因此对搅拌产生的剪切力要控制在比例，因此对搅拌产生的剪切力要控制在 一定的范围内。
30、一定的范围内。生物反应器中常常采用机械搅拌式反应器生物反应器中常常采用机械搅拌式反应器47大多数微生物发酵需要大多数微生物发酵需要氧气氧气。氧气对需氧菌的培养至关重要，只要短暂缺氧，就会导致氧气对需氧菌的培养至关重要，只要短暂缺氧，就会导致 菌体的失活或死亡。而氧在水中溶解度极低，因此氧气的菌体的失活或死亡。而氧在水中溶解度极低，因此氧气的 供应就成为十分突出的问题。供应就成为十分突出的问题。生物反应搅拌过程要求：生物反应搅拌过程要求：打碎空气气泡，使气泡细化以增加气液接触界面，打碎空气气泡，使气泡细化以增加气液接触界面，提高气液面的传质速率；提高气液面的传质速率；发酵液要有较大的流动循环量，
31、使液体中的固形发酵液要有较大的流动循环量，使液体中的固形 物保持悬浮状态。物保持悬浮状态。48结论结论搅拌器既要有较强剪切力，又要有搅拌器既要有较强剪切力，又要有 较大的流体循环特性。较大的流体循环特性。往往采用径向流和轴向流相结合的往往采用径向流和轴向流相结合的 多层搅拌器组合式搅拌系统。多层搅拌器组合式搅拌系统。49挡板挡板 目的目的消除打漩和提高混合效果。消除打漩和提高混合效果。物料粘度小，搅拌转速高，液体随物料粘度小，搅拌转速高，液体随桨叶旋转，在离心力作用下涌桨叶旋转，在离心力作用下涌 向向内壁面并上升，中心部分液面下降，内壁面并上升，中心部分液面下降，形成漩涡，称为打漩区。形成漩涡
32、，称为打漩区。打漩打漩四、搅拌附件四、搅拌附件 作用作用改善反应器内液体流动状态改善反应器内液体流动状态类型类型挡板与导流筒挡板与导流筒作用作用a.将切向流将切向流变为变为轴向流轴向流径向流径向流b.使被搅动液体的湍流程度使被搅动液体的湍流程度 改善搅拌效果改善搅拌效果50打漩后果打漩后果a.打漩时几乎不产生轴向混合，而是使多相系统打漩时几乎不产生轴向混合，而是使多相系统 分层或分离分层或分离 b.随转速增加，漩涡中心下凹到与桨叶接触随转速增加，漩涡中心下凹到与桨叶接触,外面外面 空气进入桨叶被吸到液体中，使其密度减小空气进入桨叶被吸到液体中，使其密度减小,混混 合效果降低。合效果降低。c.一
33、部分叶轮在空气中运转一部分叶轮在空气中运转使流体对搅拌器振动使流体对搅拌器振动 阻尼作用阻尼作用搅拌器振动搅拌器振动挡板形式挡板形式纵向挡板，图纵向挡板，图8-20挡板挡板宽度宽度w容器直径的容器直径的1/121/10数量数量z 一般在容器内壁面均匀安装一般在容器内壁面均匀安装4块挡板块挡板51全挡板条件全挡板条件当再增加挡板数和挡板宽度，而功率消耗不再当再增加挡板数和挡板宽度，而功率消耗不再 增加时，称为全挡板条件。增加时，称为全挡板条件。全挡板条件与挡板数量和宽度有关。全挡板条件与挡板数量和宽度有关。永田冶进提出了全挡板条件永田冶进提出了全挡板条件:注意注意:a.传热蛇管可部分或全部代替挡
34、板，传热蛇管可部分或全部代替挡板，b.装有垂直换热管时一般可不再安装挡板。装有垂直换热管时一般可不再安装挡板。52图图8 820 20 挡板挡板 53导流筒导流筒作用作用a.导流，可以为流体限定一个流动路线，防止短路导流，可以为流体限定一个流动路线，防止短路 b.使筒内液体搅拌程度使筒内液体搅拌程度混合效率混合效率 c.迫使流体高速流过加热面迫使流体高速流过加热面利于传热利于传热应用应用常用于常用于涡轮式、桨式、推进式搅拌器中，涡轮式、桨式、推进式搅拌器中，见图见图8-2154结构结构a.上下开口圆筒，安装于容器内上下开口圆筒，安装于容器内 b.通常导流筒上端低于静液面，筒身上开孔或槽，通常导
35、流筒上端低于静液面，筒身上开孔或槽，当液面降落后流体仍可从孔或槽进入导流筒。当液面降落后流体仍可从孔或槽进入导流筒。c.导流筒将搅拌容器截面分成面积相等的两部分，导流筒将搅拌容器截面分成面积相等的两部分，导流筒直径约为容器直径的导流筒直径约为容器直径的70%。d.当搅拌器置于导流筒之下，且容器直径又较大时，当搅拌器置于导流筒之下，且容器直径又较大时，导流筒的下端直径应缩小，使下部开口小于搅拌器导流筒的下端直径应缩小，使下部开口小于搅拌器 的直径。的直径。55(a)涡轮式或桨涡轮式或桨式搅拌器式搅拌器(b)导流筒导流筒置于桨叶的置于桨叶的上方上方(b)(b)推进式搅拌器推进式搅拌器 导流筒套在桨
36、导流筒套在桨 叶叶外面外面，或略，或略 高于桨叶高于桨叶图图8 821 21 导流筒导流筒56定义定义:指搅拌器以一定转速进行搅拌时，对液体做功指搅拌器以一定转速进行搅拌时，对液体做功 并使并使 之发生流动所需的功率。之发生流动所需的功率。目的目的:a.设计或校核搅拌器和搅拌轴的强度和刚度设计或校核搅拌器和搅拌轴的强度和刚度 b.选择电机和减速机等传动装置。选择电机和减速机等传动装置。五、搅拌功率计算五、搅拌功率计算 区分区分:搅拌器功率搅拌器功率:即搅拌功率即搅拌功率搅拌作业功率搅拌作业功率:搅拌器使搅拌槽内的液体以最佳方式搅拌器使搅拌槽内的液体以最佳方式 完成搅拌过程所需的功率完成搅拌过程
37、所需的功率57影响搅拌功率的因素：影响搅拌功率的因素：a.a.搅拌器的几何尺寸与转速搅拌器的几何尺寸与转速:搅拌器直径、桨叶宽度、桨叶搅拌器直径、桨叶宽度、桨叶 倾斜角、转速、单个搅拌器叶片倾斜角、转速、单个搅拌器叶片 数、搅拌器距离容器底部的距离等数、搅拌器距离容器底部的距离等b.b.搅拌容器的结构搅拌容器的结构:容器内径、液面高度、挡板数、挡板宽度、容器内径、液面高度、挡板数、挡板宽度、导流筒的尺寸等。导流筒的尺寸等。c.c.搅拌介质的特性搅拌介质的特性:液体的密度、粘度。液体的密度、粘度。d.d.重力加速度重力加速度58上述影响因素可用下式关联上述影响因素可用下式关联:（8 81 1）式
38、中式中 B桨叶宽度，桨叶宽度，m m；d搅拌器直径，搅拌器直径，m m；D搅拌容器内直径，搅拌容器内直径，m m；Fr弗鲁德准数，弗鲁德准数，59h液面高度，液面高度，m；K系数；系数；n转速，转速，1/s；密度，密度，kg/m3；粘度，粘度，PaPas s。Np功率准数；功率准数；P搅拌功率，搅拌功率，W；r,q指数；指数；Re雷诺数，雷诺数，；60一般情况下一般情况下:弗鲁德准数弗鲁德准数Fr的影响较小。容器内径的影响较小。容器内径D D、挡板宽度挡板宽度b b等几何参数可归结到系数等几何参数可归结到系数K。由式（由式（8 81 1）得）得搅拌功率搅拌功率P P为：为：（8 82 2）关键
39、求关键求(查图查图8-27)61图图8 827 27 六种搅拌器的功率曲线六种搅拌器的功率曲线(全挡板条件全挡板条件)1 5 10 5 102 5 103 5 104 5 1051005010510.5Re=d2n/62图图8 827 27 六种搅拌器的功率曲线六种搅拌器的功率曲线(全挡板条件全挡板条件)S/d=2D/d=2.5-6h/d=2-4h1/d=1B/d=1/5D/d=3h/d=3h1/d=1B/d=1/8D/d=3h/d=3h1/d=1B/d=1/8 D/d=3 h/d=3 h1/d=1 =45o曲线曲线3-3-推进式推进式曲线曲线4-4-二叶平浆二叶平浆曲线曲线5-5-六弯叶六弯
40、叶 开式涡轮开式涡轮 曲线曲线6-6-六斜叶六斜叶 开式涡轮开式涡轮 曲线曲线1-1-六直叶圆盘涡轮六直叶圆盘涡轮曲线曲线2-2-六直叶开式涡轮六直叶开式涡轮d:l:B=20:5:4 D/d=2-7 h/d=2-4 h1/d=0.7-1.6B/d=1/5D/d=3h/d=3h1/d=163低雷诺数低雷诺数(Re10)层流区层流区:流体不会打漩，重力影响可忽略，流体不会打漩，重力影响可忽略，功率曲线为斜率功率曲线为斜率-1的直线；的直线；10Re10000过渡流区过渡流区:功率曲线为一下凹曲线；功率曲线为一下凹曲线；Re10000充分湍流区充分湍流区:功率曲线呈一水平直线，功率曲线呈一水平直线，
41、即即Np与与Re无关，保持不变。无关，保持不变。由图由图827可知可知:64注意注意:a.图图827所示功率曲线只适用于图示六种搅拌器的几何所示功率曲线只适用于图示六种搅拌器的几何 比例关系。如果比例关系不同，功率准数比例关系。如果比例关系不同，功率准数Np也不同也不同 b.上述功率曲线是在单一液体下测得的。上述功率曲线是在单一液体下测得的。对于非均相物系对于非均相物系:液液或液固液液或液固:用平均用平均气液气液:通气搅拌功率均相液体搅拌功率通气搅拌功率均相液体搅拌功率65六、搅拌轴设计六、搅拌轴设计 型式型式实心轴实心轴空心轴空心轴轴设计包括轴设计包括强度强度刚度刚度临界转速临界转速轴封处径
42、向位移轴封处径向位移设计步骤设计步骤:计算计算d(危险截面危险截面)d+C2 圆整为标准轴径。圆整为标准轴径。考虑上述因素计算所得考虑上述因素计算所得66力学模型力学模型:图图8-28,8-29 假设假设:（1 1）刚性联轴器联接的可拆轴视为整体轴；）刚性联轴器联接的可拆轴视为整体轴；（2 2）搅拌器及轴上的其它零件）搅拌器及轴上的其它零件(附件附件)的重力、惯性的重力、惯性 力、流体作用力均作用在零件轴套的中部；力、流体作用力均作用在零件轴套的中部；（3 3）轴受扭矩作用外，还考虑搅拌器上流体的径向）轴受扭矩作用外，还考虑搅拌器上流体的径向 力以及搅拌轴和搅拌器力以及搅拌轴和搅拌器(包括附件
43、包括附件)在组合重心在组合重心 处质量偏心引起的离心力的作用。处质量偏心引起的离心力的作用。67 图图8 828 28 悬臂轴受力模型悬臂轴受力模型 LeSFAm1FhiFh1FemiLiL1 d68 图图8-29 8-29 单跨轴受力模型单跨轴受力模型 LeFhiFh1FASm1miFedLiL1L69按强度计算轴径按强度计算轴径:搅拌轴的强度条件是：搅拌轴的强度条件是：（8 86 6）70式中式中 M弯矩，弯矩，M=MR+MAMA由轴向力引起的轴的弯矩，由轴向力引起的轴的弯矩，N Nm m；Mn扭矩，扭矩，N Nm m；MR水平推力引起的轴的弯矩，水平推力引起的轴的弯矩，N Nm m；Mt
44、e轴上扭转和弯矩联合作用时的当量扭矩，轴上扭转和弯矩联合作用时的当量扭矩，N Nm m；71Wp抗扭截面模量，对空心圆轴抗扭截面模量，对空心圆轴 ，m3轴材料的许用剪应力，轴材料的许用剪应力，Pa max 截面上最大剪应力，截面上最大剪应力，Pa；轴材料的抗拉强度轴材料的抗拉强度，Pa。则搅拌轴的直径：则搅拌轴的直径：（87）72按刚度计算轴径按刚度计算轴径:目的目的:防止轴产生过大扭转防止轴产生过大扭转变形变形以免在运转中引起以免在运转中引起轴的振动轴的振动,使轴封失效。使轴封失效。应将轴单位长度最大扭转角应将轴单位长度最大扭转角限制在允许范围内。限制在允许范围内。（8 83 3）轴扭矩的刚
45、度条件为轴扭矩的刚度条件为:73式中式中 d搅拌轴直径，搅拌轴直径，m；G轴材料剪切弹性模量，轴材料剪切弹性模量，Pa；Mn max 轴传递的最大扭矩，轴传递的最大扭矩，N Nm m；n搅拌轴转速，搅拌轴转速，r/min；Pn电机功率，电机功率，kW；空心轴内径和外径的比值；空心轴内径和外径的比值；传动装置效率；传动装置效率；许用扭转角，对于悬臂梁许用扭转角，对于悬臂梁 =0.350.350 0/m，对于单跨梁对于单跨梁 =0.70.70 0/m。74故搅拌轴的直径为故搅拌轴的直径为（8 84 4）75按临界转速校核轴径按临界转速校核轴径:临界转速临界转速nc搅拌轴的转速达到轴自振频率，发生搅
46、拌轴的转速达到轴自振频率，发生 强烈振动，并出现很大弯曲时的转速。强烈振动，并出现很大弯曲时的转速。工作转速应避开临界转速工作转速应避开临界转速:刚性轴刚性轴工作转速工作转速低于低于第一临界转速的轴第一临界转速的轴,要求要求n0.7nc 柔性轴柔性轴工作转速工作转速大于大于第一临界转速的轴第一临界转速的轴,要求要求n1.3nc临界转速临界转速nc=f(支承方式支承方式,支承点距离支承点距离,轴径轴径)计算方法计算方法小轴小轴把轴理想化为无质量的带有圆盘的转子把轴理想化为无质量的带有圆盘的转子 系统来计算轴的临界转速。系统来计算轴的临界转速。大轴大轴采用等效质量方法采用等效质量方法76等效质量方
47、法等效质量方法:把轴本身的分布质量和轴上各个搅拌器的质量把轴本身的分布质量和轴上各个搅拌器的质量 按等效原理按等效原理,分别转化到一个特定点上分别转化到一个特定点上(如对悬如对悬 臂轴为轴末端臂轴为轴末端S),累加组成一个集中的等效质量。累加组成一个集中的等效质量。把原来复杂多自由度转轴系统简化为无质量轴上把原来复杂多自由度转轴系统简化为无质量轴上 只有一个集中等效质量的只有一个集中等效质量的单自由度单自由度问题。问题。77悬臂轴悬臂轴:按上述方法可按上述方法可,简化为图简化为图8-288-28的模型的模型,一阶临界转速一阶临界转速nc：（8 85 5）悬臂轴两支点间距离，悬臂轴两支点间距离，
48、m；式中式中 E E轴材料的弹性模量，轴材料的弹性模量，Pa；I轴的惯性矩，轴的惯性矩，m m4 4L1 1第第1个搅拌器悬臂长度，个搅拌器悬臂长度，m；nc临界转速，临界转速，r/min；ms轴及搅拌器有效质量在轴及搅拌器有效质量在s s点的点的 等效质量之和，等效质量之和，z搅拌器的数量。搅拌器的数量。78等直径悬臂轴、单跨轴的临界转速详细计算见文献等直径悬臂轴、单跨轴的临界转速详细计算见文献6464第第91919999页。页。不同型式的搅拌器、搅拌介质，刚性轴和柔性轴的不同型式的搅拌器、搅拌介质，刚性轴和柔性轴的工作转速工作转速n n与临界转速与临界转速nc的比值可参考表的比值可参考表8
49、-118-11。79搅拌介质搅拌介质刚性轴刚性轴柔性轴柔性轴搅拌器搅拌器(叶片叶片式搅拌器除式搅拌器除外外)叶片式搅拌器叶片式搅拌器高速搅拌器高速搅拌器气体气体n n/n nc c0.70.7不推荐不推荐液体液体液体液体 液体液体固体固体n n/n nc c0.70.7和和 n n/n nc c(0.45(0.450.55)0.55)n/nn/nc c=1.31.31.61.6液体液体气体气体n n/n nc c0.60.6n n/n nc c0.40.4不推荐不推荐表表8 811 11 搅拌轴临界转速的选取搅拌轴临界转速的选取注：叶片式搅拌器包括：桨式、开启涡轮式、圆盘涡轮式、注：叶片式搅拌
50、器包括：桨式、开启涡轮式、圆盘涡轮式、三叶后掠式、推进式；三叶后掠式、推进式；不包括：锚式、框式、螺带式。不包括：锚式、框式、螺带式。80轴封处径向位移的大小直接影响密封的性能，轴封处径向位移的大小直接影响密封的性能，径向位移大，易造成泄漏或密封的失效。径向位移大，易造成泄漏或密封的失效。按轴封处允许径向位移验算轴径按轴封处允许径向位移验算轴径:（1 1）轴承的径向游隙；）轴承的径向游隙；（2 2）流体形成的水平推力；）流体形成的水平推力；（3 3）搅拌器及附件组合质量不均匀产生的离心力。）搅拌器及附件组合质量不均匀产生的离心力。轴封处的轴封处的径向位移径向位移原因：原因：力学模型力学模型:图