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適用于固液懸浮的攪拌器結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸
固液懸浮是借助攪拌器的作用,使固體顆粒懸浮在液體中,形成固液混合物或懸浮液。均勻懸浮的主要控制因素是循環(huán)速率及湍流強(qiáng)度,其中容積循環(huán)速率又往往是的因素。固液懸浮操作以渦輪式攪拌器使用范圍,其中以開(kāi)啟式渦輪,它沒(méi)有中間圓盤,雞西攪拌器,不致阻礙槳葉上下的液相混合。彎葉、斜葉開(kāi)式渦輪的優(yōu)點(diǎn)更突出,它的排出性能好,槳葉不易磨損,用于固液懸浮操作更合適。通常采用寬葉的開(kāi)啟式四斜葉渦輪式攪拌器,容器底為錐形時(shí),其尺寸為:df/D=0.4~0.5,C/d=0.5,置換池?cái)嚢杵?,H/D=1;碟形時(shí)d/D=0.4。如固液密度差較小時(shí),也可采用標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)啟式四斜葉渦輪式攪拌器;若含固量很高,且固液密度差較小時(shí),可采用平槳;若混合液黏度低于0.4Pa.s,特別是0.1Pa.s以下,固液密度差小,含固量低,可用推進(jìn)式,并在湍流區(qū)全擋板條件下操作,其參數(shù)可取d/D=0.33, C/d=1,H/D=1。對(duì)懸浮體系,當(dāng)密度差小,且只要求懸浮物離開(kāi)罐底而不必均勻懸浮時(shí),攪拌轉(zhuǎn).速也不必太大,可用底擋板;當(dāng)密度差大,并要求均勻懸浮時(shí),攪拌轉(zhuǎn)速較高,應(yīng)采用底擋板和壁擋板;如懸浮物易黏附在擋板上,可采用導(dǎo)流筒。對(duì)帶纖維的固體懸浮可選用后彎式渦輪攪拌器。固液懸浮采用長(zhǎng)薄葉螺旋槳等也是不錯(cuò)的選擇。
對(duì)于固體懸浮,其攪拌難度取決于懸浮粒子的沉降速度。懸浮程度與顆粒的沉降速度成反比,即攪拌轉(zhuǎn)速愈高,直徑愈大,顆粒的沉降速度愈小,獲得的攪拌程度愈高。
黏彈性流體對(duì)攪拌器的影響
黏彈性流體行為可以對(duì)攪拌器的混合作用產(chǎn)生巨大的負(fù)效應(yīng)。黏彈性流體的典型特征是具有法向應(yīng)力差、彈性回縮、應(yīng)力突增(Overshoot)現(xiàn)象。這些特征可以顯著地影響混合行為。黏彈性流體流場(chǎng)中力學(xué)特征明顯地不同于其他流體。
對(duì)于牛頓流體,由于攪拌的離心作用,流體在攪拌器內(nèi)呈漩渦狀;與此相反,黏彈性流體在攪拌過(guò)程中明顯的特性是具有彈性。
彈性是材料在受力形變時(shí)試圖維持原來(lái)的形狀或形變?cè)噲D恢復(fù)原來(lái)的形狀的一個(gè)特性。因此在攪拌操作中,彈性使材料試圖維持原來(lái)的形狀而不產(chǎn)生混合。黏彈性流體在運(yùn)動(dòng)時(shí),總是產(chǎn)生垂直于剪切面的法向應(yīng)力差,該法向應(yīng)力差會(huì)引發(fā)二次流,促使攪拌器中的流體產(chǎn)生爬桿現(xiàn)象——Weissenberg效應(yīng),即由攪拌器葉片端部吸入流體,反應(yīng)釜攪拌器,沿?cái)嚢栎S方向排出。
1974年,Ulblecht曾對(duì)有關(guān)圓球、圓盤和攪拌器在黏彈性流體中旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的二次流流型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,軸流式攪拌器,實(shí)驗(yàn)表明:球在無(wú)彈性流體中旋轉(zhuǎn)時(shí),由于慣性力使流體沿?cái)嚢栎S吸入,再在球表面由慣性拋出,形成軸向循環(huán),然而在彈性強(qiáng)的黏彈性流體中,由于法向應(yīng)力的存在會(huì)產(chǎn)生相反方向的流動(dòng),當(dāng)兩種力剛好平衡時(shí),會(huì)在球表面形成一個(gè)孤立的漩渦,在此漩渦內(nèi)的流體與釜內(nèi)其余流體不混合。 在黏彈性流體的攪拌中,使用螺桿-導(dǎo)流筒、錨式、框式攪拌器,是比較合適的。
攪拌器混合速率和混合效率
在攪拌器的攪拌過(guò)程中,我們常用均一化時(shí)間θm來(lái)定量地表示混合速率。均一化時(shí)間θm的定義是:將兩種完全互溶,但其物理或化學(xué)性質(zhì)(如電導(dǎo)率、顏色、溫度、折光率等)有差異的流體通過(guò)攪拌使之達(dá)到規(guī)定混合程度所需的時(shí)間。由于測(cè)量混合時(shí)間的種種條件以及所要求達(dá)到的終均勻程度是人為確定的,故θm的數(shù)值僅在相同的測(cè)試條件下有相互比較的價(jià)值。
在對(duì)比不同攪拌葉輪的混合速率時(shí)常用無(wú)量綱混合時(shí)間,即混合時(shí)間數(shù)Tm:
Tm=θmN
Tm的物理意義為:達(dá)到規(guī)定混合,攪拌器葉輪所需的轉(zhuǎn)數(shù)。Tm值越低,則表明該葉輪的混合速率越高。
在湍流混合時(shí),各種葉輪的Tm為一常數(shù);而在高黏度液體的層流攪拌時(shí),對(duì)于那些適合于高黏度液體混合的葉輪,如螺帶式或螺桿式葉輪等則Tm亦為一常數(shù);然而對(duì)于一些不適合高黏度液體混合的葉輪來(lái)說(shuō),例如用d/D=0.5左右的盤式渦輪在層流下混合高黏度液體時(shí),由于罐內(nèi)有混合死角,不能求得確切的均一化時(shí)間θm,故也不能算得Tm值。
有人研究了Tm和Np、Nqd等的關(guān)系,對(duì)于用平葉渦輪式、平葉槳式.彎曲葉槳式、布魯馬金式和推進(jìn)式等葉輪攪拌低黏度液體的場(chǎng)合得到如下的關(guān)系式:
常用單位體積混合能Wv來(lái)表示混合效率。Wv是單位體積攪拌功率和均一化時(shí)間θm的乘積。Wv=pvθm。
需指出的是θm。不是一個(gè)嚴(yán)密定義的量,如前所述,它隨測(cè)量者的實(shí)驗(yàn)條件而變。故用Wv來(lái)比較不同葉輪的混合效率時(shí),往往用一個(gè)基準(zhǔn)的葉輪的Wv值作為參比值。
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