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      我國關于高粘度流體設備的研究

      2019-03-06 15:38:58 426

        高黏度流體的混合是工業上常用的單元操作,許多工業部門都會遇到高黏度流體的攪拌或捏合操作,如橡膠、石油、塑料、涂料、油墨以及合成纖維、化妝品、制藥、食品、造紙和水泥等行業。對于高黏度流體的混合,合理選擇和設計攪拌設備形式,研究其混合效果,對于強化傳熱、提高混合質量、改善被混合介質的性能至關重要。本文作者以此為出發點,對近20年高黏度流體攪拌混合設備進行分類介紹,對高黏度流體混合機理及有關研究方法進行總結,介紹了已有的研究成果以及研究尚不夠充分仍需深入的領域,以期為進一步研究提供參考。
        高黏度流體混合設備
        一般認為,在工業規模的混合設備中小于5Pa·s的流體為低黏流體,5~50 Pa·s的流體為中黏流體,50~500 Pa·s的流體為高黏流體,大于500 Pa·s的流體為超高黏流體。攪拌雷諾數是確定攪拌槽內流體流動處于層流區或湍流區的度量標準。由于攪拌雷諾數的計算與所采用攪拌器直徑有關,因此高黏度或中黏度流體范圍的劃分在某種程度上取決于裝置的規模。上述定義適用于直徑為1.8 m或更大的工業規模攪拌混合裝置。對于較小的實驗裝置或中試裝置而言,高黏度和中黏度范圍的定義通常要減少10倍。
        所謂混合是指通過攪拌和捏合把各組成的物料充分地分散,得到各組分濃度均勻的混合物。對于高黏度流體的混合,合理選擇混合設備對提高混合效率、減小混合功耗以及降低固定資產成本等都是至關重要的。目前,工業中應用的高黏度混合設備通常有立式和臥式兩種,它們因具有各自的特點而在特定的行業中應用廣泛。
        1.1、立式混合設備
        立式混合設備按照結構形式分為:立式單軸混合設備和立式雙軸混合設備。
        立式單軸混合設備因攪拌槳設計形式、攪拌槽底部形狀、攪拌槳安裝高度以及攪拌槽高徑比等因素不同而有所區別。常用攪拌槳形式有:螺帶槳、錨式槳、框式槳、Ekato槳等,共同特點是槳徑大小與設備直徑接近。攪拌槽的底部形狀有:平底、橢圓底、蝶形底等。立式單軸混合設備因結構簡單而在石油煉制行業及催化劑生產行業中應用廣泛。

        立式雙軸混合設備又包括同軸異速混合設備和雙軸異速混合設備。同軸異速混合設備通常為立式圓柱形,中心由兩套攪拌軸組成,如圖1所示。一套軸上固定著半徑較小的中心分散槳高速旋轉;另一套軸上固定著錨式槳、螺帶槳或框式槳等近壁式攪拌槳低速旋轉。近壁槳保證全槽流體運動不會停滯,中心槳將流體撕拉成愈來愈薄的流體層。隨著攪拌的進行,高速區和低速區不斷交換,從而達到整槽流體混合均勻的目的。對于復雜的混合過程,可依照流體黏度變化的情況,適當調節兩軸轉速,甚至在某些情況下可以僅用高速槳進行攪拌,低速槳作為擋板以滿足不同混合過程的需求。


        雙軸異速混合設備通常由兩個不同心的軸構成,兩軸上各自安裝攪拌槳,如圖2所示。兩攪拌槳處于不同液面高度,通常均為小直徑分散槳,如渦輪槳、斜葉槳等,或者采用近壁式大直徑槳與小直徑分散槳結合的形式,使其既有形成全槽宏觀流的低速攪拌器(一般為錨式槳),又有形成微觀湍渦流的高速攪拌器,兩槳葉同時作用從而使槽內流體達到良好的混合狀態。目前該類混合設備在油漆、油墨等行業應用廣泛。
        臥式混合設備按照結構形式分為:臥式單軸混合設備、臥式雙軸混合設備等。臥式單軸混合設備因結構簡單,在橡膠、塑料、建筑、食品等工業中應用廣泛,其轉子形式主要有:Z型、E型、圓盤型、螺帶型、雙旋型等。臥式雙軸混合設備通常具有多種形式,如偏心圓盤、橢圓盤、T形葉片等。臥式雙軸設備特別適用于高黏、超高黏和粉體物系的混合,轉動時兩軸上的攪拌構件之間以及它們與混合器壁之間相互刮擦從而具有自清潔功能,有利于實現聚合反應連續化。近年來這種混合設備越來越受到人們的關注,可以用于多相態變化體系而且具有高剪切力,在許多聚合反應工業過程中應用廣泛。

        如圖3所示為某日本公司生產的臥式雙軸攪拌器,攪拌構件為橢圓盤狀,兩攪拌軸由調速馬達驅動作同向旋轉運動,槳葉表面、槳葉端部與器壁之間及槳葉端部與攪拌軸之間間隙較小,使得攪拌器具有自清潔作用。圖4所示為瑞士某公司生產的臥式雙軸攪機,兩根軸中的一根為主攪拌軸,上面有許多被捏合桿連在一起的盤片,捏合桿略有傾斜,使物料在進行徑向混合的同時能受到一個軸向的輸送力;另一根是清潔軸,該軸裝有一排傾斜的捏合框。清潔軸以3倍于主攪拌軸的轉速進行旋轉,通過兩軸上的元件相互嚙合,從而使攪拌器具有自清潔功能。


        臥式雙軸T型攪拌器也是一種常見的高黏度攪拌混合設備。它具有部分自清潔功能,且構造相當簡單,雙軸上裝有T型葉片,兩軸作同向旋轉,釜體有效反應體積大,在合成間規聚苯乙烯工業中應用廣泛。

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