黏彈性流體對(duì)攪拌器的影響

黏彈性流體行為可以對(duì)攪拌器的混合作用產(chǎn)生巨大的負(fù)效應(yīng)。黏彈性流體的典型特征是具有法向應(yīng)力差、彈性回縮、應(yīng)力突增(Overshoot)現(xiàn)象。這些特征可以顯著地影響混合行為。黏彈性流體流場(chǎng)中力學(xué)特征明顯地不同于其他流體。

對(duì)于牛頓流體，由于攪拌的離心作用，流體在攪拌器內(nèi)呈漩渦狀；與此相反，黏彈性流體在攪拌過(guò)程中明顯的特性是具有彈性。

彈性是材料在受力形變時(shí)試圖維持原來(lái)的形狀或形變?cè)噲D恢復(fù)原來(lái)的形狀的一個(gè)特性。因此在攪拌操作中，彈性使材料試圖維持原來(lái)的形狀而不產(chǎn)生混合。黏彈性流體在運(yùn)動(dòng)時(shí)，總是產(chǎn)生垂直于剪切面的法向應(yīng)力差，該法向應(yīng)力差會(huì)引發(fā)二次流，促使攪拌器中的流體產(chǎn)生爬桿現(xiàn)象——Weissenberg效應(yīng)，即由攪拌器葉片端部吸入流體，水處理攪拌器，沿?cái)嚢栎S方向排出。

1974年，Ulblecht曾對(duì)有關(guān)圓球、圓盤(pán)和攪拌器在黏彈性流體中旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的二次流流型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)表明：球在無(wú)彈性流體中旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于慣性力使流體沿?cái)嚢栎S吸入，再在球表面由慣性拋出，形成軸向循環(huán)，然而在彈性強(qiáng)的黏彈性流體中，由于法向應(yīng)力的存在會(huì)產(chǎn)生相反方向的流動(dòng)，當(dāng)兩種力剛好平衡時(shí)，會(huì)在球表面形成一個(gè)孤立的漩渦，在此漩渦內(nèi)的流體與釜內(nèi)其余流體不混合。 在黏彈性流體的攪拌中，石灰漿液攪拌器，使用螺桿-導(dǎo)流筒、錨式、框式攪拌器，是比較合適的。

我們先來(lái)看看刮壁式攪拌釜結(jié)構(gòu)。

說(shuō)到刮壁式攪拌釜結(jié)構(gòu)，我想起來(lái)今年年初的一個(gè)化工攪拌器的設(shè)計(jì)，攪拌釜為日本生產(chǎn)順丁橡膠的C&R式反應(yīng)器，采用螺帶-導(dǎo)流筒式攪拌器，設(shè)有三重刮壁機(jī)構(gòu)，即在導(dǎo)流筒內(nèi)壁面、導(dǎo)流筒外壁面和攪拌器的內(nèi)壁面都裝有刮壁機(jī)構(gòu)，使流體在導(dǎo)流筒內(nèi)部產(chǎn)生很強(qiáng)的循環(huán)。當(dāng)然，那種設(shè)計(jì)并不是，也可將化工攪拌器由螺帶式攪拌器換成螺桿式攪拌器，不銹鋼攪拌器，以強(qiáng)制流體在導(dǎo)流筒內(nèi)、外進(jìn)行循環(huán)。

對(duì)于刮壁式攪拌釜來(lái)說(shuō)，刮板的形狀與攪拌功率和傳熱效率之間有直接關(guān)系。當(dāng)攪拌釜需要通過(guò)夾套撤除聚合熱時(shí)，理想的刮壁作用是刮板將其刀口前面貼近傳熱壁面的冷流體刮起，并與攪拌釜中部的熱流體均勻混合。我們?cè)O(shè)計(jì)并研究了多種形狀刮板的傳熱效果如下圖所示。研究結(jié)果表明，B結(jié)構(gòu)的傳熱效率好。

為區(qū)分葉輪排演的流向特點(diǎn)，根據(jù)主要排液方向?qū)⒌湫腿~輪分成徑流型和軸流型兩種。平葉的槳式、渦輪式是徑流型，螺旋面葉片的螺桿式、推進(jìn)式是軸流型。折葉槳?jiǎng)t居于兩者之間，一般認(rèn)為它更接近于軸流型。不過(guò)這種分法是近似的，是以主要流向來(lái)分的。

攪拌雷諾數(shù)是攪拌罐內(nèi)液體流動(dòng)狀態(tài)的一種量度。圖2—2形象地表示了八平直葉渦輪和螺帶式葉輪在不同雷諾數(shù)下，攪拌罐內(nèi)的液體的流動(dòng)狀態(tài)。

對(duì)于渦輪式葉輪，若葉輪轉(zhuǎn)速很低，在Re不大于10的區(qū)域，僅葉輪周圍韻液體隨葉輪旋轉(zhuǎn)，而遠(yuǎn)離葉輪的液體是停滯的，如圖中-A1所示，因而混合效果很差，混合時(shí)間也非常長(zhǎng)，見(jiàn)虛線(1)。在此區(qū)內(nèi)，液體的流動(dòng)是層流，葉輪旋轉(zhuǎn)的阻力主要是黏滯阻力。因而N與Re成反比，如曲線(2)。葉輪旋轉(zhuǎn)引起的離心效應(yīng)可忽略不計(jì)，排出流量，見(jiàn)曲線(3)。

當(dāng)Re增加到大于10，渦輪式葉輪旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力就不可忽視。此離心力產(chǎn)生了排出流量，使角動(dòng)量傳遞到遠(yuǎn)處的液體。這樣遠(yuǎn)離葉輪的液體開(kāi)始流動(dòng)，而使Nv- Re曲線偏離曲線(2)的延伸線。在此區(qū)內(nèi)，如曲線(3)所示，曲線上升的坡度很陡，混合大為改善，但在靠近葉輪上下部分仍然出現(xiàn)環(huán)形的停滯流區(qū)。

當(dāng)Re數(shù)增加到數(shù)百，泰州攪拌器，渦輪式葉輪周圍的液流變成湍流。在區(qū)域c，排出流量顯著增加，曲線(3)達(dá)到了大值。在區(qū)域A和B中觀察副的停滯區(qū)已消失。Re進(jìn)一步增加，湍流域逐漸擴(kuò)大，直至終湍流域占完全優(yōu)勢(shì)。因此區(qū)域c是一個(gè)層流和湍流共存的過(guò)渡區(qū)。

在無(wú)擋板時(shí)，在Re約為90的過(guò)渡流域，渦輪式葉輪的排出流達(dá)到大值；而在有擋板時(shí)，排出流量在湍流域達(dá)到大。

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