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搅拌容器中流场可视化 实验技术审查 P. MAVROS 希腊亚里士多德大学化学系 Thessaloniki 搅拌容器不仅在进行简单的接触或混合操作的化学过程中被使用，而且也在新的配置和过程中使用，比如在选矿或废水处理中，有具体要求的像低剪切或者容器中高水平低湍流的区域。该技术可用于各类搅拌器所诱导的流态的研究，例如，综述了传统用皮托管或热丝风速计的压力和流速测量，和新型的像激光多普勒测速仪，激光诱导荧光检测和粒子图像测速仪和他们在具体情况下的有效性进行了讨论。 关键词：混合；搅拌；搅拌槽；流场可视化；审查；激光；LDV（激光多普勒测速仪）； LDA（线性鉴别分析）；PIV（粒子图像测速）；热量图示测量法；示踪技术；流量输出器。 引言 搅拌容器被广泛用于各种用途，往往包括几个方面： ·要混合互溶液体或在另一种液体中分散混融液体； ·为了分散在液体中的固体颗粒，通常伴随其他过程，如过滤，浮选，化学反应； ·是气体在液体中分散，通常会伴随吸收或者液态和气态物质间的化学反应； ·是固体（如催化剂）和气体分散到液体介质中，引发反应。 对于每个特定的应用，有一个不同的适当配置；搅拌容器的设计在几十年中已经有许多研究对象，主要的设计规则也被纳入各国标准（ASME规范第八条，德国DIN28136标准，等等）。 然而，搅拌也被应用在其他过程，如：·新应用技术，如发酵或结晶；·至今不在‘经典化学过程领域内的其它过程，如废水处理，选矿等。 在这些过程中，最终产品不仅取决于特定进程的物理化学方面，如其反应动力学，而且也取决于物质的接触方式，能量耗散水平，容器配置等。试图探讨或优化这些流程就必须重新评估现有的知识，乃至新型配置或设备的发展。 一个给定混合过程的特定搅拌器适用性取决于其诱导容器内液体剧烈循环，避免局部液体混合不佳或不混合，同时避免破坏分散在容器中的不同的物质的能力，有的物质有时剪切敏感，例如细胞培养物，或晶体。因此，有必要确定每个叶轮的类型： 1）容器中诱导的流态，根据： 内部容器的配置（隔板，线圈，容器底部的形式等）； 流体的性质（粘度，相，密度等）； 位置和搅拌器的操作模式（间隙，流泵方向）；2）和特定应用的叶轮的适用性（例如，低剪切或高剪切的规定）。 由搅拌器诱导的流态是其在特定应用适用性的第一个迹象.起初，只是观察流体，或者可能使用一些有色物质来确定主要循环模式已经足够了，后来，简单的测量技术，如皮托管，被用来量化流速图。这些技术使识别一个建立在搅拌容器上的基本循环成为可能：例如，有人发现了6刀标准涡轮桨（RT）会产生两个环形的流动循环在容器内，一个在容器的底部一个在容器的上半部分，而轴流叶轮——例如，一个船用螺旋桨，一个人形叶片的涡轮（PBT），等等 ——基本 上会产生一个围绕叶轮的单回路。 图1.插图的标准来自实际流态：（a）标准涡轮桨的流态；（b）LDV技术测定的流态。 这些模式被广泛接受，并成为广泛阅读的参考文献;但是更先进技术的使用，详细研究了在容器中不同部分的流动，结果表明，它可能需要重新定义各种叶轮诱导的流态。例如，一个用激光多普勒测速仪显示的详细的流态图，轴流叶轮在容器上半部分液体很大一部分搅拌不佳，通常速度低于搅拌器叶尖速度10％，并且涡轮桨上部循环回路是窄于预期宽度，在流体靠近容器上部内壁的这一区域搅拌处于二次流动循环（图1）。 在下面的部分，流态图的复杂测量技术在当今可用结合新旧技术的方法讨论。这些将被分为两类：·单点测量技术，它测量在容器内设定点的速度（或其中一个速度矢量）；·总体测量技术，它同时测量在一个宽广区域大量搅拌流体的流态。 单点测量技术 皮托管 测速已经不是一种新的技术，在1724年，亨利德皮托（Henri de Pitot ）（1695年至1771年）发明皮托管来测量河流流速，这个后来被用于测量密闭管道，容器等中的流体。它的原理很简单：当流体流向一个障碍，例如，管，它朝着障碍物的两侧偏转，这是在障碍物顶端的流量压力（pt）上升到高于周围（主流）的流量压力（pa）。通过测量障碍顶端和主流流体的 图2.皮托管 压力差，可以使用简化的伯努利方程计算 流速（u）： (1) 其中是流动的流体的密度。制定了特殊的压力探头，其中‘普朗特(Prandtl)探头是最常见的：在尖端上的一个孔和探针侧面的孔同时测量压力。通常情况下，两个压力测量在相同的U型压力计中，其中充有不同的密度和的液体（图2），可以简化公式（1）：