搅拌器内的流型取决于搅拌方式,搅拌器、釜、挡板等的几何特征,流体性质以及转速等因素。在一般情况下,搅拌轴安装在釜中心时,将产生三种基本流型:1 切向流2 轴向流(图中b, c)3 径向流(图中a, d, e, f)。上述三种基本流型,可能同时存在。
其中,轴向流与径向流对混合起主要作用,而切向流应加以抑制,可通过加入挡板削弱切向流,以增强轴向流与径向流。不同的桨型和桨径对流型有重要的影响,如下图所示。图中b,c为轴向流,但是采用大直径的PBT桨叶或者流体粘度增大会使流型转变成径向流。另外,采用多层PBT桨也会使各桨叶产生单独的径向流。
具体到搅拌器型号上,推进式搅拌器是轴流型的代表,平直叶圆盘涡轮搅拌器是径流型的代表,而斜叶涡轮搅拌器是混合流型的代表,
以上都是搅拌器在中心线安装的流型,可是当物料粘度不大,搅拌器在中心线安装有时会造成打旋现象,形成漩涡后会大大降低混合效果。解决方法有很多:可以改变搅拌器直径,也可考虑安装挡板,反应罐搅拌器,在无挡板的搅拌容器中,搅拌器偏心安装也可以获得较好的搅拌效果,另外导流筒、内盘管等附件也可以起到挡板的效果。而在大型油釜中,一般采用侧面插入安装方式,通常也可获得较好的釜内整体循环。该场合若采用侧面射流混合方式,也可得到相似的混合效果,安装方式方面还有倾斜安装方式。
黏弹性流体兼有黏性液体与弹性固体的特性,能在变形后呈现弹性恢复,具有与非依时性和依时性这两类非牛顿流体的黏性效应。聚合物熔体和溶液是典型的黏弹性流体,在定态剪切下表现出前述纯黏性非牛顿流体的特性,而当剪切发生变化(包括扩大、收缩流和非定态流动)时则表现出弹性。黏弹性流体具有以下特异流动行为。
(1)爬杆效应(Weissenberg效应),用搅拌器搅拌黏弹性流体时,转轴处的液面沿轴上升,离轴较远处的液面下降。这一行为与牛顿流体正好相反。为此在设计流体黏弹性较强的搅拌器时,应选择合适的搅拌器。否则,不锈钢搅拌器,会因爬杆效应使流体全部包裹在搅拌器上,与搅拌轴同步旋转,从而使混合和传热等过程均不能正常进行。
(2)膨胀效应(Barus效应),黏弹性流体从圆管或小孔中流出时有射流膨胀现象,此时流出液的大直径dmax可达圆管内径d的2~3倍。黏弹性流体的膨胀程度与所流经的圆管长度有关,通化搅拌器,圆管越长,膨胀程度越小;而当圆管充分长时,膨胀比B (B=dmax/d)会达到一定值。膨胀比在聚合物加工中是一重要现象,通过测量膨胀比可获得法向应力差的信息。
(3)记忆现象(又称弹性滞后),施加压力梯度使黏弹性流体在管内流动;当突然移去压力梯度,黏弹性流体将反向移动一段距离后才停止。
(4)反向次流,在液体中插入一旋转圆盘,形成的主流是切向流,同时在转盘下方形成轴向次流。在牛顿流体中,次流的方向是轴中心处流体向上而四周流体向下;黏弹性流体则相反,轴心处流体向下而容器四周的流体向上运动。反向次流对搅拌器的搅拌、传质等操作是一个重要的影响因素。
搅拌器放大中的流体切应变速率
切应变速率是速度随位置的变化率,由速度分布图很容易转化成切应变速率分布图。对于切应变速率,重要的是其大值和平均值。
大量的研究表明,搅拌器中的大切应变速率与转速和搅拌器直径均成正比,而平均切应变速率仅与转速成正比,但几乎不受搅拌器直径变化的影响。因此,转速增大,平均切应变速率和大切应变速率均增大;当转速一定,搅拌器直径增大时,大切应变速率将增大,而平均切应变速率保持不变。 因而几何相似放大后(保持单位体积功率不变,转速下降,直径增加),搅拌器大切应变速率增加,立式搅拌器,而平均切应变速率下降,见下图。这也是放大后,造成大釜行为显著变化的主要原因。
对于气液过程,表观气体速率和单位体积搅拌功率是关联气液质量传递系数的有效参数,这些关系式相对来说独立于搅拌器规模。
当一种外加流体与正在容器内流动的流体混合时,混合时间与容器内的循环时间直接相关,对于这种混合过程,如果维持单位体积流体的搅拌器排液量恒定,单位体积搅拌功率将随釜径的平方关系增加,这样随着搅拌器的放大,功率增加的幅度是不现实的,所以随着搅拌器的放大,循环时间常常必须增加。
对于固体悬浮过程,描述方法可以有离底悬浮和完全均匀,单位体积功相等可以近似作为放大过程的标准。
高固体含量的淤浆体系通常呈现很强的假塑性,随着过程的放大,单位体积功有所下降。
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