高黏度流體攪拌器的設(shè)計要素

高黏度流體的攪拌器設(shè)計，一直是攪拌混合領(lǐng)域中一個很重要的課題。

在我們用多種葉輪對高黏度牛頓流體以及非牛頓流體的混合進(jìn)行了試驗后發(fā)現(xiàn)，一個的高黏度液體攪拌器，至少具備兩個條件：1.葉輪能提供強(qiáng)有力的剪切，這是減小濃度斑尺寸即分離尺寸的必要條件，如前所述，只有濃度斑足夠小，才能產(chǎn)生大面積的界面，促進(jìn)分子擴(kuò)散，從而快速達(dá)到分子級的混合效果，例如螺帶式葉輪和錨式葉輪，通常其d/D都在0.9/0，97左右，即都是所謂近壁型葉輪，在葉輪端部與罐壁之間會產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切，在此消耗了攪拌功率的90%左右。2.由于高剪切區(qū)總是只占有罐體積的一小部分，因此只有葉輪能使液體在罐內(nèi)進(jìn)行快速的循環(huán)，使高剪切區(qū)和低剪切區(qū)的液體快速交換，才能使全罐快速地達(dá)到均勻混合。

長久以來，業(yè)內(nèi)存在這樣一種觀點(diǎn)，對于近壁型攪拌器，其剪切總是足夠的，化工攪拌器用心打造，決定攪拌器混合能力的是葉輪的循環(huán)能力，并且還認(rèn)為要達(dá)到全罐均勻混合，液體至少要在罐內(nèi)循環(huán)三次。因此，哪種葉輪能以短時間完成三次循環(huán)，那一種葉輪便是混合速率快的葉輪。這一結(jié)論，長時間以來被應(yīng)用在攪拌器的設(shè)計中。然而近年來一些具有復(fù)雜傳動機(jī)構(gòu)的攪拌器，如在回轉(zhuǎn)的同時進(jìn)行上、下移動的復(fù)動攪拌器和使葉輪往復(fù)擺動的往復(fù)式攪拌器等，此類攪拌器會產(chǎn)生速度脈動，此類速度脈動，我們可以將其理解為液體在一定方向上的周期性的較為激烈的變化，事實證明速度脈動對于促進(jìn)混合有很大作用。速度脈動原來是湍流操作特有的現(xiàn)象，然而，復(fù)動式攪拌器和往復(fù)式攪拌器以其上、下往復(fù)運(yùn)動或正、反轉(zhuǎn)運(yùn)動，在高黏度液體中產(chǎn)生了強(qiáng)的速度脈動，從而獲得了高的混合效率。因此可以將剪切、循環(huán)和速度脈動歸結(jié)為快速混合的二要素。這二要素是開發(fā)新型高黏度液體攪拌器的依據(jù)。

螺帶式攪拌器:螺帶式攪拌器的葉片是用帶鋼卷成螺旋狀焊接在軸上制成。它適用于中、高黏度（可達(dá)數(shù)千泊）的攪拌，有較好的上下循環(huán)性能。螺帶式攪拌器有單螺帶、雙螺帶、內(nèi)-外螺帶、螺帶-螺桿等多種型式。螺帶式攪拌器與攪拌容器壁的間隙、螺距、頭數(shù)以及帶寬等都對混合效率有影響。應(yīng)用在高黏度流體時，由于錨式攪拌器幾乎不產(chǎn)生上下流動，在容器中心處混合效果較差，且流體黏度越高，這種缺點(diǎn)越明顯。而螺帶式攪拌器產(chǎn)生的是以上下循環(huán)流為主的流動，所以整個容器內(nèi)的混合效果比較好。對于錐型攪拌器，還可作成錐型的螺帶-螺桿式攪拌器，攪拌效果很好。

與牛頓流體不同，黏彈性流體在描述剪切流動行為時，需要三個物質(zhì)函數(shù)才能描述，即黏度物質(zhì)函數(shù)、法向應(yīng)力系數(shù)、第二法向應(yīng)力系數(shù)。

目前描述黏彈性流變行為的力學(xué)模型主要有三種：經(jīng)驗?zāi)Ｐ?、線性黏彈性模型和分子模型。

(1)經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，主要來自對流變實驗結(jié)果的直接關(guān)聯(lián)。常用的方法是通過攪拌器運(yùn)行實驗測量得到：1.切應(yīng)力和切應(yīng)變速率的對應(yīng)數(shù)據(jù)，2.法向應(yīng)力差和切應(yīng)變速率的對應(yīng)數(shù)據(jù)確定物質(zhì)函數(shù)。剪切黏度模型仍然可以出現(xiàn)純黏性流體模型中述及的各種形式；法向應(yīng)力系數(shù)則通常表示成各種形式的y2函數(shù)或與Weissenberg數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

(2)線性黏彈性模型，假設(shè)流體的黏彈性可以通過理想的黏性和彈性“元件”各種線性疊加進(jìn)行描述。

(3)分子模型，這種方法主要出現(xiàn)在對聚合物溶液體系流變行為的描述，如珠簧鏈模型和啞鈴模型。

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