高黏度流體攪拌器的設計要素

高黏度流體的攪拌器設計，一直是攪拌混合領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，促進分子擴散，從而快速達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到均勻混合。

長久以來，業(yè)內(nèi)存在這樣一種觀點，對于近壁型攪拌器，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，并且還認為要達到全罐均勻混合，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。這一結論，長時間以來被應用在攪拌器的設計中。然而近年來一些具有復雜傳動機構的攪拌器，如在回轉的同時進行上、下移動的復動攪拌器和使葉輪往復擺動的往復式攪拌器等，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，復動式攪拌器和往復式攪拌器以其上、下往復運動或正、反轉運動，在高黏度液體中產(chǎn)生了強的速度脈動，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)。

黏彈性流體兼有黏性液體與彈性固體的特性，能在變形后呈現(xiàn)彈性恢復，具有與非依時性和依時性這兩類非牛頓流體的黏性效應。聚合物熔體和溶液是典型的黏彈性流體，在定態(tài)剪切下表現(xiàn)出前述純黏性非牛頓流體的特性，而當剪切發(fā)生變化（包括擴大、收縮流和非定態(tài)流動）時則表現(xiàn)出彈性。黏彈性流體具有以下特異流動行為。

(1)爬桿效應（Weissenberg效應），用攪拌器攪拌黏彈性流體時，轉軸處的液面沿軸上升，離軸較遠處的液面下降。這一行為與牛頓流體正好相反。為此在設計流體黏彈性較強的攪拌器時，應選擇合適的攪拌器。否則，會因爬桿效應使流體全部包裹在攪拌器上，與攪拌軸同步旋轉，從而使混合和傳熱等過程均不能正常進行。

(2)膨脹效應（Barus效應），黏彈性流體從圓管或小孔中流出時有射流膨脹現(xiàn)象，此時流出液的大直徑dmax可達圓管內(nèi)徑d的2～3倍。黏彈性流體的膨脹程度與所流經(jīng)的圓管長度有關，圓管越長，膨脹程度越小；而當圓管充分長時，膨脹比B (B=dmax/d)會達到一定值。膨脹比在聚合物加工中是一重要現(xiàn)象，通過測量膨脹比可獲得法向應力差的信息。

(3)記憶現(xiàn)象（又稱彈性滯后），施加壓力梯度使黏彈性流體在管內(nèi)流動；當突然移去壓力梯度，黏彈性流體將反向移動一段距離后才停止。

(4)反向次流，在液體中插入一旋轉圓盤，形成的主流是切向流，同時在轉盤下方形成軸向次流。在牛頓流體中，次流的方向是軸中心處流體向上而四周流體向下；黏彈性流體則相反，軸心處流體向下而容器四周的流體向上運動。反向次流對攪拌器的攪拌、傳質等操作是一個重要的影響因素。

通過流型對攪拌器進行分類

攪拌器的分類比較復雜，我們可以根據(jù)流型來給攪拌器進行分類。

流型就是用來形容攪拌器容器內(nèi)部的混合體根據(jù)一定的規(guī)律，循環(huán)流動的一種形式，攪拌器的流型大致分為三種：軸向流型，徑向流型和混合流型。 軸向流型中的軸，指的就是攪拌軸，軸向流型的混合流體的運動方向是和攪拌軸平行的，流體是從軸向進入攪拌器的葉片，而后又從軸向流出的一種液流方式，軸流式攪拌器多采用螺旋槳作為攪拌葉輪，所以軸流式攪拌器又成為旋槳式攪拌器，旋槳式攪拌器的生產(chǎn)維護費用較低。

在同樣轉速和同樣直徑的前提下，軸流式攪拌器的功率更高，其特點還有，結構簡單，便于維護，生產(chǎn)能力高，適用于中低粘度的液體攪拌。 和軸向流型相對的，徑向流型的流體是沿著葉輪的半徑方向排出的，結構也不復雜，適用范圍相當廣泛，徑流式攪拌器多有一個開式的葉輪，開式葉輪可以更好的實現(xiàn)流體的徑向排放，除了開式葉輪，還有很多徑流式攪拌器采用盤式葉輪，結晶攪拌器誠實守信，盤式葉輪多用來實現(xiàn)氣液混合，功率略低于開式葉輪。

葉輪上的槳葉多采用不銹鋼材質，其形狀根據(jù)攪拌流體性質的不同而不同，平直型槳葉多用于低粘度的液體的攪拌，而錨型槳葉可用于高粘度的液體攪拌，也可根據(jù)具體需要增加一排槳葉。

混合流型是在軸向流型和徑向流型基礎之上加裝擋板，一般擋板不會大于容器直徑的十分之一，高度也不應超過直徑的兩倍，加裝擋板后流體會不規(guī)則的運動，當然，通過改變?nèi)~輪的安裝角度，使其按照需要稍微傾斜，可以通過更少的擋板實現(xiàn)我們所需要的混合流型，這一點要注意。