高黏度流體攪拌器的設(shè)計(jì)要素

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

在我們用多種葉輪對(duì)高黏度牛頓流體以及非牛頓流體的混合進(jìn)行了試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，一個(gè)的高黏度液體攪拌器，至少具備兩個(gè)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(jí)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(huì)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)，呼和浩特?cái)嚢杵?，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)，碳鋼攪拌器，對(duì)于近壁型攪拌器，其剪切總是足夠的，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(shí)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(shí)間以來被應(yīng)用在攪拌器的設(shè)計(jì)中。然而近年來一些具有復(fù)雜傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的攪拌器，如在回轉(zhuǎn)的同時(shí)進(jìn)行上、下移動(dòng)的復(fù)動(dòng)攪拌器和使葉輪往復(fù)擺動(dòng)的往復(fù)式攪拌器等，此類攪拌器會(huì)產(chǎn)生速度脈動(dòng)，此類速度脈動(dòng)，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(shí)證明速度脈動(dòng)對(duì)于促進(jìn)混合有很大作用。速度脈動(dòng)原來是湍流操作特有的現(xiàn)象，然而，復(fù)動(dòng)式攪拌器和往復(fù)式攪拌器以其上、下往復(fù)運(yùn)動(dòng)或正、反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在高黏度液體中產(chǎn)生了強(qiáng)的速度脈動(dòng)，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(dòng)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)。

影響攪拌器輸入能量和流動(dòng)場(chǎng)的主要因素

攪拌的過程其實(shí)就是通過攪拌器葉片的旋轉(zhuǎn)向內(nèi)容器內(nèi)的流體輸入機(jī)械能，使流體獲得合適的流動(dòng)場(chǎng)，在流動(dòng)場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行動(dòng)量、熱量、質(zhì)量的傳遞或者同時(shí)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的過程。因此，流動(dòng)場(chǎng)和輸入能量總是設(shè)計(jì)與選用攪拌器時(shí)關(guān)心的問題，具體表現(xiàn)為：不同操作目的的攪拌過程就需要不同的流動(dòng)場(chǎng)，在攪拌過程中需要提供給流體以多大的能量；而各種攪拌器在不同的操作條件下能產(chǎn)生什么樣的流動(dòng)場(chǎng)，水處理攪拌器，供給多大的能量等一系列問題。攪拌器的選型和設(shè)計(jì)其實(shí)就是針對(duì)這種需要和可能的匹配。

下面我們來看看影響流動(dòng)場(chǎng)和輸入能量的主要因素.

影響流動(dòng)場(chǎng)和輸入能量的主要因素有以下三種。

1.攪拌器的結(jié)構(gòu)型式，主要與釜型、攪拌器和內(nèi)構(gòu)件的形狀及數(shù)量等有關(guān)。其中攪拌器和內(nèi)構(gòu)件的搭配方式產(chǎn)生的影響非常大。例如，對(duì)于低黏度流體，用一個(gè)八平葉槳式攪拌器進(jìn)行攪拌。在相同轉(zhuǎn)速下，有擋板時(shí)的輸入功率和排量分別是無擋板時(shí)的10倍和4倍。

此外，無檔板時(shí)流體的流動(dòng)以水平環(huán)向流為主，而有擋板時(shí)則以軸向循環(huán)流為主。

2.攪拌器的轉(zhuǎn)速攪拌器的工作原理與泵的葉輪相同，所產(chǎn)生的壓頭與轉(zhuǎn)速N的平方成正比，提高攪拌器的轉(zhuǎn)速．即可提供較大的壓頭。

3.被攪物料的特性，主要包括密度、流變行為、表面張力、相分率以及分散相尺寸等。攪拌過程的特性特別強(qiáng)烈地取決于物料的流變特性，如黏度等。

當(dāng)插入擋板后，波面的凹陷消失，如圖2-2中D1，此時(shí)周向速度大大減低，而徑向速度和軸向速度都增加，有研究表明，攪拌器加工，插入擋板后，可使垂直循環(huán)流速為無擋板時(shí)的4倍。

推進(jìn)式葉輪所造成的流動(dòng)狀態(tài)也有層流、過渡流以至湍流等，也因Re數(shù)大小而異。軸流型葉輪的排出流方式與徑流型的不同，它的流型是在軸方向有很大的排出流量，特別是罐內(nèi)有擋板或?qū)Я魍埠螅交剞D(zhuǎn)流更弱，主要是軸向的上下循環(huán)流。軸流型葉輪與徑流型葉輪相比，前者可以在消耗動(dòng)力較小的情況下獲得較大的循環(huán)流量。

高黏度液體的流動(dòng)狀態(tài)與低黏度液體是不同的。當(dāng)液體處在高黏度時(shí)，多為層流流動(dòng)。這時(shí)僅在葉輪的近旁才發(fā)生液體的流動(dòng)，離開葉端一段距離則液體的流速就急速降低，直至仍然保持靜止?fàn)顟B(tài)。由于Re數(shù)的降低。這時(shí)軸附近的“固體回轉(zhuǎn)部”幾乎不存在，而罐內(nèi)流動(dòng)型式和攪拌葉輪的運(yùn)動(dòng)軌跡有直接關(guān)系如圖2-5。如錨式葉輪在層流時(shí)所造成的基本上是水平方向的回轉(zhuǎn)渦流。螺桿式使流體螺旋下降（或上升）為主，加上導(dǎo)流筒后，就可形成筒內(nèi)外的上下循環(huán)流。雙螺帶式能夠使液體產(chǎn)生較復(fù)雜的四周螺旋上升再沿?cái)嚢栎S下降的流動(dòng)型式。

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