1.2.3　高剪切混合器

高剪切混合器的典型代表是轉(zhuǎn)子?定子混合器(rotor?stator mixer,RS,圖1.21),用于固?液、氣?液及不同黏度的液?液物料進(jìn)行攪拌、混合、分散,已廣泛在化工、生化及食品加工等行業(yè)中應(yīng)用。它利用轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)(線速度達(dá)10~50m/s),在定子與轉(zhuǎn)子間的狹窄間隙(常小于1mm)中產(chǎn)生極強(qiáng)的剪切作用(高達(dá)104~105s-1),使單相或混合物料在通過此間隙時經(jīng)受強(qiáng)烈的剪切,并伴生與固體壁面的撞擊、湍流和空化等綜合作用,而達(dá)到混合的目的。其單位工作體積的能耗極高,遠(yuǎn)大于普通攪拌槽所能達(dá)到的水平。根據(jù)混合和剪切破碎的要求,轉(zhuǎn)子?定子組件可以多級串聯(lián)使用。

定子和轉(zhuǎn)子上的通道可以為直槽、后彎槽或前彎槽,也可以為圓孔或長圓孔,還可以為柱銷,其形狀可以為圓形、橢圓形、正方形、長方形、三角形或菱形(圖1.22)。定子和轉(zhuǎn)子可以有多層同心環(huán),交錯放置,形成多級式結(jié)構(gòu)。高剪切混合器(RS)?按工藝流程的需要,既可批式操作,作為間歇式設(shè)備(BRS),也可裝置在管線上作為連續(xù)式設(shè)備(CRS)。對混合和相間傳質(zhì)來說,轉(zhuǎn)子?定子混合器內(nèi)的轉(zhuǎn)子層數(shù)對其效能的影響自然十分顯著(林海霞,2007)。

圖1.21　轉(zhuǎn)子?定子混合器(RS)結(jié)構(gòu)示意圖

圖1.22　定子和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖(董強(qiáng),2007)

高剪切混合器的性能可以用無量綱的雷諾數(shù)(Re=ρND2/μ)和功率數(shù)[Po=P/(ρN3D5)]來刻畫。這兩個參數(shù)直接影響著它的分散/混合(mixing/dispersion)性能。Calabrese RV(2002)?對在線RS(IKA Works產(chǎn)品)進(jìn)行數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)窄間隙(0.5mm)的高剪切并不是分散效果的主要原因,相反地旋轉(zhuǎn)液流與定子孔道棱角的碰撞產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍流才是主要的因素。因此,高剪切混合器用于不同目的、不同體系時,涉及的機(jī)理有很大的變化,需要繼續(xù)從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬兩個方面深入研究,使其操作效能得以優(yōu)化。

在高剪切混合器里,流體主體在復(fù)雜通道內(nèi)的高速流動極不穩(wěn)定,導(dǎo)致湍流和旋渦產(chǎn)生,所產(chǎn)生小渦的尺度,即Kolmogorov尺度,在CRS中充分湍流的條件下,Kolmogorov尺度的估計(jì)值為1~10μm的范圍(攪拌槽中一般在10~100μm)。因此,CRS內(nèi)的微觀混合時間遠(yuǎn)小于攪拌反應(yīng)器,將CRS作為復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)器是十分有利的。

連續(xù)式高剪切混合器兼有對物料的輸運(yùn)功能,因此對CRS在不同轉(zhuǎn)子和定子組合情況下的流體力學(xué)性能也有不少實(shí)驗(yàn)研究(董強(qiáng),2007;張華芹,2007)。