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第2章 混合设备 上篇 混合设备概论 一、概述 研究混合过程需要考虑以下几个方面的问题。首先要考虑的是容器对混合过程的影响。容器的几何形状、容积及结构决定着搅拌器的选择及混合特性。为了得到规定的混合结果，通常很难从工厂现有的容器中选出合适的容器，因为某些混合过程只能在某些特定尺寸和形状的槽内才能很好地完成。其次要考虑的是用于给定过程的搅拌叶轮或叶轮组。如果每个新的应用场合都要用一种新型叶轮，那将会出现很大的麻烦。因此，叶轮通常都制成相应的几何相似系列。搅拌叶轮可以产生两种基本流型：轴向流和径向流。目前还不能一般地说哪种流型是合乎各种混合过程要求的，这个问题与各种混合过程的目的有关。 径向流叶轮将流体从水平或径向方向排出至容器壁。假如容器内有适当的挡板，径向流叶轮由径向排出的掖流也会产生很强的自顶部至底部的流动(或称流型)；如无挡板，则可能产生打旋或旋涡。 轴流式叶轮使流体产生平行于叶轮轴的流动。轴流式叶轮单位搅拌功率产生的流量大于径向流叶轮产生的流量。这种叶轮通常用于由流动控制的各种场合中。在无挡板的容器中，轴向流叶轮和径向流叶轮一样可能会使流体打旋。两种经常使用的轴向流叶轮是船用螺旋桨和轴流式涡轮(也称为斜叶涡轮)。 z ++ 粘度增加时，挡板宽度可能要减小，并且挡板位置也可能要改变。例如，在流体粘度为 5000cP(5.0Pa·s)或更高时，挡板则应大致安装在叶轮和槽壁的中间。这类挡板也可用在性质类似于粘性物料的某些种类的泥浆状物料的混合过程中。粘性物料在没有挡板时通常也不出现旋涡，但仍然可能会逐渐生成高的打旋分量。在这种情况下，尽管不会出现旋涡引起的问题，但还是需要考虑设置挡板。 一般来说，在相似的过程条件下，小槽内的打旋和旋涡较大槽内的小。对于相同的过 程，有可能出现这样的情况，即在进行小规 z ++ 模实验时不需要挡板，而在大搅拌槽中则仍然需要挡板。 采用挡板这个观念是非常重要的。现在来研究一个假想的例子，设有一已知过程在无挡 板槽内进行，槽内主要是总体的打旋运动以及一些自上部到槽底的循环流动，但旋祸不是严重的问题。假定这种流型是适合于传热、混匀、固体悬浮或仅仅是保持全槽物料处于运动状态的话，在这种条件下，如果再在槽内安装挡板，则叶轮的功率消耗将会增加，而槽内的流型格改变成以上下循环流动为主，但槽内的总体运动可能会减弱，即使在较高的搅拌功率 z ++ 下也是如此。事实上，安装挡板后，为了在搅拌槽内各个部位都达到在安装挡板前就存在的最低运动程度，就必须进一步增加搅拌功率。因此，对安装挡板的效应必须细致地进行考虑。其优点是使混合得到额外的强化，其代价则是功率消耗也有所增加，因此，必须根据过程要求得到的结果进行仔细的权衡。 z ++ 第二章 叶轮的流体剪切速率和泵送流量 一、引 言 搅拌叶轮的流体力学特性可用径向流涡轮为例来说明(图2-1)。此照片是由光穿过槽的狭窄平面并与光的平面成直角拍摄的。这时的叶轮雷诺准数为1000，处于湍流和层流之间的过渡流区，并且没有明显的小尺度速度脉动。 z ++ 搅拌叶轮的外围通常都没有外壳或护罩，所以必须定义叶轮的排出区域，此处选用等于叶轮周长和叶片高度乘积的区域为排出区域，并以径向速度方向的排出量作为排液量。如果用测速探头对着叶片端部测定叶轮的排出流速，可以得到如图2-2所示的速度分布曲线。速度分布曲线上任何位置处的斜率为该处的速度梯度dv／dy，这就是流体剪切速率的基本定义。流体剪切速率的单位为时间的倒数。 z ++ 把剪切速率乘以粘度便得到切应力。由叶轮的速度分布可得到剪切速率，由流体性质可以得到粘度，正是这两者的乘积(切应力)才真正是使气泡分散、液滴拉伸以及使混合过程中小尺度流体相互混合的主要原因。 在混合槽中能使微团相互混合的唯一办法就是靠剪切速率。由于流体的速度差才使流体各层间相互混合，所以混合过程都不可缺少剪切速率。然而，对每一个剪切速率都存在一个对应的切应力，它有助于使液滴、团块、凝聚物或气泡破碎。某些工艺过程对所需要的剪切速率效应和不需要的切应力效应是非常敏感的，而对另一些工艺过程来说，切应力则是有利的。 z ++ 二、流体速度 速度探头 在带挡板搅拌槽内，当流型处于湍流区时，存在许多高频速度脉动。图2-6所示为热线风速仪、热膜风速仪和激光测速仪测得的典型的速度脉动。 z ++ 据此可以计算出所示给定点处的平均速度，也可计算均方根(RMS)速度脉动值。RMS是通过对脉动值取平方，进行平均，然后开方得到的。此值可很方便地从与速度成比例的电信号中