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1 簡介

    采用液液分散操作通常是為了以下目的：（1）通過液液分散使相界面增加；（2）使分散相液滴外部的擴(kuò)散阻力減??；（3）產(chǎn)生湍流促進(jìn)濃度和溫度均一化；（4）使分散相液滴反復(fù)進(jìn)行破碎凝并從而促進(jìn)分散相液滴間的傳質(zhì)。

在液液分散中，攪拌起著關(guān)鍵的作用，它控制著液滴的聚并、破裂以及懸浮。攪拌影響液體流動(dòng)的強(qiáng)度與方向并進(jìn)而影響液滴的分布與均一性。

2 互溶液體的攪拌與混合

2.1 低粘液體的攪拌與混合

    互溶液體的攪拌是兩種及兩種以上互溶液體在攪拌作用下，任意一點(diǎn)的濃度、密度、溫度以及其他物理狀態(tài)達(dá)到均勻的過程，通常又稱為混勻過程，它是攪拌過程中朂基本的一種過程。有時(shí)為了強(qiáng)調(diào)其屬于均相攪拌的特點(diǎn)。也稱其為調(diào)和或調(diào)勻。

    低粘度互溶液體攪拌過程的主要特征是不存在傳遞過程的相界面。對(duì)于一個(gè)純物理混合過程，低粘度互溶液體的混合屬于朂容易完成的過程。但如果混合過程伴有化學(xué)反應(yīng)時(shí)，則往往會(huì)使過程復(fù)雜化，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是對(duì)混合時(shí)間有比較嚴(yán)格的要求，以避免發(fā)生一些不希望的副反應(yīng);二是大多有反應(yīng)熱的導(dǎo)出或熱量的導(dǎo)入，從而增加了混合過程的控制難度。低粘度互溶液體的攪拌操作一般都是在湍流狀態(tài)下進(jìn)行的。因而這一過程就具有較強(qiáng)的主體擴(kuò)散、湍流擴(kuò)散和分子擴(kuò)散，在宏觀混合的過程同時(shí)伴有很強(qiáng)的微觀混合過程。

    為達(dá)到攪拌液體的混合均勻狀態(tài)，低粘度互溶液體的攪拌首先要求提供足夠的循環(huán)量，避免在設(shè)備內(nèi)出現(xiàn)死區(qū)，使所有攪拌液體都能產(chǎn)生快速對(duì)流循環(huán)運(yùn)動(dòng)。其次，還要求攪拌器造成的液體湍流強(qiáng)度或剪切速度要大，尤其是當(dāng)兩種液體粘度相差比較大時(shí)，剪切的存在將有利于高粘度液體在設(shè)備中的分散，有利于湍流擴(kuò)散的強(qiáng)化。此外，當(dāng)需要混勻的兩種液體數(shù)量相差較大時(shí)，少量液體的加料位置是很重要的，理想的位置是葉輪區(qū)，或是在葉輪吸入口附近，以保證進(jìn)料能很快通過葉輪，促使攪拌液體很快達(dá)到濃度均化。

    評(píng)價(jià)攪拌器混合效果的主要性能指標(biāo)有混合時(shí)間、能耗及剪切性能等。其中混合時(shí)間是判斷混合效果的朂重要性能指標(biāo)。

2.1 高粘液體的攪拌與混合

    工業(yè)生產(chǎn)中高粘度流體的應(yīng)用日益增多，許多高分子聚合物都是高粘度流體，它們很多又是非牛頓流體。在攪拌過程中粘度還會(huì)發(fā)生變化，因而對(duì)攪拌器的要求就更高，要求攪拌器能夠適應(yīng)粘度的變化完成攪拌操作。高粘流體的攪拌常泛指互溶的高粘度液體間的混合。但高粘流體攪拌在工業(yè)中也有分散、固體溶解、化學(xué)反應(yīng)等多種非均相操作。

    攪拌操作時(shí)，用攪拌器對(duì)低粘度互溶液造成湍流并不困難.但粘度達(dá)到較高水平后，由于粘滯力的影響，就只能出現(xiàn)層流狀態(tài)。尤其困難的是，這種層流也只能出現(xiàn)在攪拌器的附近，離槳葉稍遠(yuǎn)些地方的高粘度液體仍是靜止的。這樣就很難造成液體在攪拌設(shè)備內(nèi)的循環(huán)流動(dòng)，即在設(shè)備內(nèi)會(huì)有死區(qū)存在，對(duì)混合、分散、傳熱、反應(yīng)等各種攪拌過程十分不利。所以，高粘度液體攪拌的首要問題就是要解決流體流動(dòng)與循環(huán)的問題。在這種情況下，不能靠增大攪拌轉(zhuǎn)速來提高攪拌器的循環(huán)流量，因?yàn)榱黧w粘度較高時(shí)，攪拌器排出的流量很少，轉(zhuǎn)速過高還會(huì)在高粘度溶液中形成溝流，而周圍液體仍為死區(qū)。較為有效的解決辦法是設(shè)法使攪拌器推動(dòng)更大范圍的流體。因此，高粘度液體的攪拌器直徑與設(shè)備內(nèi)徑之比、槳葉的寬度與設(shè)備內(nèi)徑之比都要求比較大，有時(shí)還要求增加攪拌器的層數(shù)，以增大攪拌范圍。

    從攪拌機(jī)理來看，在層流區(qū)混合高粘度液體時(shí)，液體單元經(jīng)受剪切細(xì)分作用被拉長、拉細(xì)或分割，隨著剪切時(shí)間的增加，逐漸達(dá)到混合。同時(shí)，由于攪拌設(shè)備內(nèi)剪切場(chǎng)不是均勻的，例如錨式攪拌器在錨與釜壁間的間隙區(qū)是強(qiáng)剪切區(qū)，液體的混合速率較快，而釜中部區(qū)域則是低剪切區(qū)，混合速率較慢，因此，高剪切區(qū)與低剪切區(qū)間的液體交換速率或液體在釜內(nèi)的循環(huán)能力也是影響混合的重要因素。此外，設(shè)備內(nèi)流體的速度波動(dòng)也能促進(jìn)混合。換言之，高粘度液體的混合速率主要取決于攪拌器與釜壁表面間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速率及相互之間的距離，為此也要求用于高粘流體的攪拌器，攪拌器直徑與設(shè)備內(nèi)徑的比值都相當(dāng)大。實(shí)際生產(chǎn)過程中，常用的粘性流體攪拌器有錨式攪拌器、螺帶式攪拌器、框式攪拌器等。

    評(píng)價(jià)攪拌器混合效果的主要性能指標(biāo)有混合時(shí)間、單位體積混合能等。其中混合時(shí)間是判斷混合效果的朂重要性能指標(biāo)。

3 不互溶液體的分散操作

    通過攪拌使互不相溶的兩種液體進(jìn)行分散是一個(gè)重要的單元操作，常用于萃取、乳液聚合和懸浮聚合等。

    液液分散時(shí)，液相密度較大的稱為重相，另一相則為輕相。絕大多數(shù)場(chǎng)合是將輕相分散在重相中，例如油分散在水中，然而在一定條件下也能使重相分散在輕相中。

    在液液分散操作中，通常應(yīng)把攪拌器置于連續(xù)相內(nèi)，并應(yīng)選擇適宜的攪拌器型式和尺寸。如果攪拌器的直徑太小，則大量的輕相液仍然停留在液面的邊緣上；反之，輕相液將停留在攪拌軸的周圍難以分散。一般情況下，可加擋板以增加效果。

    攪拌互不相溶的液液兩相時(shí)，在連續(xù)相內(nèi)液滴不斷地破碎和凝并，經(jīng)過一段時(shí)間以后，液滴的破碎速率和凝并速率相等，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，于是在設(shè)備內(nèi)形成穩(wěn)定的分散體系。

    通常用完全分散和均勻分散兩個(gè)概念來描述液液兩相的分散程度。完全分散狀態(tài)只能粗略地反映分散程度。當(dāng)攪拌設(shè)備各部位的液滴濃度都相等時(shí)，即認(rèn)為達(dá)到了均勻分散狀態(tài)。分散過程如下圖所示：

通過攪拌使一個(gè)液相完全分散于另一個(gè)與它不相溶的液相中時(shí)所需的更低攪拌轉(zhuǎn)速稱臨界轉(zhuǎn)速。

4 不互溶液液攪拌設(shè)備

    流動(dòng)區(qū)、液滴破裂-凝并、界面積、液滴直徑、質(zhì)量傳遞系數(shù)等都是重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。液滴的破裂和液滴尺寸由攪拌器的結(jié)構(gòu)和輸入功率決定。斜槳圓盤渦輪由于具有高的泵送能力，通常用于液液分散體系，有利于克服可能存在的相密度差。平槳圓盤渦輪比較適合于產(chǎn)生穩(wěn)定乳液和適當(dāng)?shù)臍怏w夾帶。

    對(duì)于容器較高的液液分散，可能還需要多層攪拌器，或者在加上部擋板以及導(dǎo)流筒等。如下圖所示：