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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)，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(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)。

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(fù)，具有與非依時(shí)性和依時(shí)性這兩類非牛頓流體的黏性效應(yīng)。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(dāng)剪切發(fā)生變化（包括擴(kuò)大、收縮流和非定態(tài)流動(dòng)）時(shí)則表現(xiàn)出彈性。黏彈性流體具有以下特異流動(dòng)行為。

(1)爬桿效應(yīng)（Weissenberg效應(yīng)），用攪拌器攪拌黏彈性流體時(shí)，轉(zhuǎn)軸處的液面沿軸上升，離軸較遠(yuǎn)處的液面下降。這一行為與牛頓流體正好相反。為此在設(shè)計(jì)流體黏彈性較強(qiáng)的攪拌器時(shí)，應(yīng)選擇合適的攪拌器。否則，會(huì)因爬桿效應(yīng)使流體全部包裹在攪拌器上，與攪拌軸同步旋轉(zhuǎn)，從而使混合和傳熱等過程均不能正常進(jìn)行。

(2)膨脹效應(yīng)（Barus效應(yīng)），黏彈性流體從圓管或小孔中流出時(shí)有射流膨脹現(xiàn)象，此時(shí)流出液的大直徑dmax可達(dá)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(guān)，圓管越長，膨脹程度越??；而當(dāng)圓管充分長時(shí)，膨脹比B (B=dmax/d)會(huì)達(dá)到一定值。膨脹比在聚合物加工中是一重要現(xiàn)象，通過測(cè)量膨脹比可獲得法向應(yīng)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(dòng)；當(dāng)突然移去壓力梯度，黏彈性流體將反向移動(dòng)一段距離后才停止。

(4)反向次流，在液體中插入一旋轉(zhuǎn)圓盤，形成的主流是切向流，同時(shí)在轉(zhuǎn)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(yùn)動(dòng)。反向次流對(duì)攪拌器的攪拌、傳質(zhì)等操作是一個(gè)重要的影響因素。

通過流型對(duì)攪拌器進(jìn)行分類

攪拌器的分類比較復(fù)雜，我們可以根據(jù)流型來給攪拌器進(jìn)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(dòng)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(yùn)動(dòng)方向是和攪拌軸平行的，流體是從軸向進(jìn)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(hù)費(fèi)用較低。

在同樣轉(zhuǎn)速和同樣直徑的前提下，軸流式攪拌器的功率更高，其特點(diǎn)還有，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于維護(hù)，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(duì)的，徑向流型的流體是沿著葉輪的半徑方向排出的，結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜，適用范圍相當(dāng)廣泛，徑流式攪拌器多有一個(gè)開式的葉輪，開式葉輪可以更好的實(shí)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(jié)晶攪拌器誠實(shí)守信，盤式葉輪多用來實(shí)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(zhì)，其形狀根據(jù)攪拌流體性質(zhì)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(chǔ)之上加裝擋板，一般擋板不會(huì)大于容器直徑的十分之一，高度也不應(yīng)超過直徑的兩倍，加裝擋板后流體會(huì)不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)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(shí)現(xiàn)我們所需要的混合流型，這一點(diǎn)要注意。

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