






化工搅拌器中低粘度互溶液体搅拌
黏度是流体的一种属性。流体在管路中流动时,有层流、过渡流、湍流三种状态,化工搅拌器中同样也存在这三种流动状态,而决定这些状态的主要参数之一就是流体的黏度。在搅拌过程中,一般认为黏度大于50Pa.s的为高黏度流体,在此以下则统称为低黏度,有时将黏度在5~50Pa.s范围内的液体称为中黏度流体。
低黏度互溶液体的搅拌是两种及两种以上互溶液体在搅拌作用下,任意一点的浓度、密度、温度以及其他物理状态达到均匀的过程,通常又称为混匀过程,它是搅拌器工作中基本的一种搅拌工况。有时为了强调其属于均相搅拌的特点,也称其为调和或调匀。
低黏度互溶液体搅拌过程的主要特征是不存在传递过程的相界面。对于一个纯物理混合过程,低黏度互溶液体的混合属于容易完成的过程。但如果混合过程伴有化学反应时,则往往会使过程复杂化,主要表现在两个方面:一是对混合时间有比较严格的要求,以避免发生一些不希望的副反应;二是大多有反应热的导出或热量的导入,从而增加了混合过程的控制难度。
低黏度互溶液体的搅拌操作一般都是在湍流状态下进行的。因而这一过程就具有较强的主体扩散、湍流扩散和分子扩散,在宏观混合的过程同时伴有很强的微观混合过程。为达到搅拌液体的混合均匀状态,低黏度互溶液体的搅拌首先要求提供足够的循环量,避免在器内出现死区,使所有搅拌液体都能产生快速对流循环运动。其次,还要求化工搅拌器造成的液体湍流强度或剪切速度要大,尤其是当两种液体黏度相差比较大时,剪切的存在将有利于高黏度液体在器中的分散,有利于湍流扩散的强化。此外,当需要混匀的两种液体数量相差较大时,少量液体的加料位置是很重要的,理想的位置是叶轮区,或是在叶轮吸入口附近,以保证进料能很快通过叶轮,促使搅拌液体很快达到浓度均化。

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,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,中转槽搅拌器,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。

螺杆式搅拌器:螺杆搅拌器适合于高黏度介质的搅拌,具有一个或多个叶片,叶片螺距与搅拌器直径相等。与螺带式不同,它保证了中心部分流体的流动,但近壁处流体的流动状况较差。搅拌器直径d与容器内直径D之比为0.3。螺杆常与螺带组合在一个轴上,称为螺带-螺杆式搅拌器,这时螺杆直径可适当增加,其比值可到d/D=0.5。螺杆与螺带的螺旋方向相反,螺杆推动液体向下,螺带推动液体向上,造成液体的全罐混合均匀。螺杆式搅拌器还可以和导流筒组成搅拌系统,该组合式搅拌器在层流区和过渡流区都有很高的混合效率,适用于随反应进行,物料黏度逐渐增大,由过渡流至层流的溶液聚合等反应。当热负荷较大时,导流筒筒壁可通入换热介质,增加换热面积。

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