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悬浮搅拌设备及其选择与应用

 

 3 固液体系的悬浮状态
从固液搅拌的特性来分,固液搅拌设备的目的主要有两个:(1)使固体粒子完全悬浮起来,简称完全离底悬浮。(2)使固体粒子在全槽均匀悬浮,简称均匀悬浮。这也是两个不同的悬浮状态。
另外,将漂浮在液面上的固体颗粒悬浮在液体中也是悬浮状态之一。
3.1 完全离底悬浮
完全离底悬浮的作用是降低固体周围的扩散阻力,以便于固体颗粒的溶解或结晶以及固液的质量交换。有时仅仅是防止固体粒子在槽底堆积而堵塞出料口。固体粒子在槽底的停留时间不超过1-2 s就认为达到了完全离底悬浮,能满足此条件的低转速称为完全离底悬浮的临界转速。
3.2 均匀悬浮
在制造涂料、油墨和化妆品时,需要使固体粒子在液体中完全均匀分散。根据槽内不同位置的固体含量,用浓度方差来定义悬浮均匀度,均匀度越高表明悬浮越均匀。
不同的悬浮状态如下图所示。
3.3 漂浮物的悬浮
典型的悬浮颗粒有以下几种:颗粒密度较小、颗粒会吸附多空气(如面粉)、颗粒难吸收液体而结团(如有些聚合物)。
促使悬浮物进入液体的一个重要原因是流体漩涡的形成,因此,能够使流体产生强烈漩涡的搅拌器才能够产生较强的悬浮能力,如能够强制流体向下流动的45°斜桨。

 

 4 悬浮搅拌设备
悬浮搅拌设备一般包括搅拌器、槽和挡板等几部分。
影响固液悬浮的因素较多,主要有以下几种:
4.1 搅拌器
对于完全离底悬浮,只需使用一层叶轮。而对于均匀悬浮,必须使用多层叶轮,但临界转速仍由下层的叶轮所决定。
某些高效轴向流叶轮适合固液悬浮操作,这些叶轮都有变叶宽和变倾角的特点。典型的固液搅拌叶轮如下图所示。
4.2 桨径与槽径之比
采用涡轮式或桨式叶轮时,若粘度变化不大,桨径与槽径之比一般取0.35到0.5之间。
4.3 槽底形状
平底槽和锥形槽容易产生粒子堆积,碟形槽功耗较大,曲面底槽可避免上述困难。
4.4 叶轮的离底高度
叶轮离底太近,槽底的颗粒堆积会导致叶轮启动障碍。叶轮离底太远,对槽底颗粒的悬浮作用会减弱。较合适的高度为槽径的0.25倍左右。
4.5 挡板和导流筒
为避免形成液体回转部,一般要安装挡板,有时还要安装导流筒。
5 悬浮搅拌设备的选择
选择悬浮搅拌设备主要根据工艺的需要,主要包括以下方面:
5.1 工艺问题
(1) 分批、半分批还是连续过程?
(2) 工艺过程中,会出现什么相?
(3) 固液间是否有化学反应发生?
(4) 液固相的物理特性是什么?
(5) 需要多大的悬浮程度?
(6) 达到这个悬浮状态需要的小转速是多少?
(7) 如果搅拌转速减小或者搅拌中断会出现什么情况?
(8) 搅拌转速上升时悬浮情况有何变化?
(9) 容器的几何形状对工艺有何影响?
(10) 适合该工艺的设备材料是什么?
5.2槽与搅拌器的问题
包括槽底形状的设计、槽的大小与直径、挡板与其他附件。
包括桨的形状、数量与方向;桨的位置;桨的转速与功率;桨叶的直径与长度;电机与密封系统。
6 悬浮搅拌设备的应用
悬浮搅拌设备的应用主要应用在以下几个方面:
6.1 固体分散
搅拌器的作用使颗粒或团聚体分散并悬浮在液体中,形成均匀悬浮或者浆液。应用于制备固体反应物浆液和催化剂浆液,然后进入下一个反应器;或者仅仅使固体分散成颗粒悬浮在液体中。
6.2 溶解与过滤
溶解是使液固质量传递的单元操作,固体粒子被液体吸收而变小并终消失。过滤是使液体中的可溶成分析出的单元操作,有些树脂与塑料,析出时会因吸收了液体而溶胀。在许多体系中,溶解与过滤后的液体的密度与粘度会发生变化。在这一过程中,搅拌的目的是得到需要的溶解或过滤速率。
6.3 结晶与沉淀析出
未加晶种前,溶液中的粒子是自由粒子,经结晶或沉析操作形成颗粒,操作时,颗粒的直径与数量在同步增长,与此同时,浆液的密度和粘度也发生改变。本工艺的目的是控制成核与粒子增长速率,使粒子的破碎与磨损达到小。平均粒径与粒径分布是一个重要的指标。控制液相的浓度,避免局部浓度过大也是需要控制的。
6.4 吸收、解吸与离子交换
也是质量交换的过程。
6.5 催化颗粒反应
该操作将反应物吸收到催化剂表面并从催化剂表面移除生成物,催化剂在液体中的均匀悬浮是操作的关键。另外,搅拌器降低了质量传递的边界层,增强了液固的质量交换。
6.6 聚合反应
反应开始时,搅拌器要使单体液滴得到稳定的分散。随着反应的进行,生成的聚合物变得粘,搅拌器又要控制单体与催化剂的接触,并进而控制聚合物的粒径与粒径分布。在聚合反应中,搅拌的目的是维持单体与聚合物的均匀分散。

 
 
 

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