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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。攪拌影響液體流動的強度與方向并進(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。有時為了強調(diào)其屬于均相攪拌的特點。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。對于一個純物理混合過程，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，則往往會使過程復(fù)雜化，主要表現(xiàn)在兩個方面:一是對混合時間有比較嚴(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伴有很強的微觀混合過程。

    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)生快速對流循環(huán)運動。其次，還要求攪拌器造成的液體湍流強度或剪切速度要大，尤其是當(dāng)兩種液體粘度相差比較大時，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)散的強化。此外，當(dāng)需要混勻的兩種液體數(shù)量相差較大時，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。

    評價攪拌器混合效果的主要性能指標(biāo)有混合時間、能耗及剪切性能等。其中混合時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發(fā)生變化，因而對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，用攪拌器對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，即在設(shè)備內(nèi)會有死區(qū)存在，對混合、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，因為流體粘度較高時，攪拌器排出的流量很少，轉(zhuǎn)速過高還會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，液體單元經(jīng)受剪切細(xì)分作用被拉長、拉細(xì)或分割，隨著剪切時間的增加，逐漸達(dá)到混合。同時，由于攪拌設(shè)備內(nèi)剪切場不是均勻的，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運動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。

    評價攪拌器混合效果的主要性能指標(biāo)有混合時間、單位體積混合能等。其中混合時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，液相密度較大的稱為重相，另一相則為輕相。絕大多數(shù)場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，在連續(xù)相內(nèi)液滴不斷地破碎和凝并，經(jīng)過一段時間以后，液滴的破碎速率和凝并速率相等，達(dá)到動態(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，即認(rèn)為達(dá)到了均勻分散狀態(tài)。分散過程如下圖所示：

通過攪拌使一個液相完全分散于另一個與它不相溶的液相中時所需的更低攪拌轉(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：