2.1.1　攪拌槽的基本流型

攪拌槽內(nèi)部的流動型態(tài),因選用攪拌槳的不同而有明顯的區(qū)別。

單個攪拌槳產(chǎn)生的流型如圖2.1所示。單個軸流槳產(chǎn)生一個整體循環(huán)[圖2.1(a)],因此整體混合效率較高,若以宏觀混合時間來衡量,其數(shù)值會低于徑向槳攪拌槽。采用徑向槳時,在槳平面的上半?yún)^(qū)和下半?yún)^(qū)各形成一個循環(huán)圈[圖2.1(b)],圈內(nèi)部的流體循環(huán)、交換速率大,而上下兩區(qū)間的交換則因為槳的排出流比較強盛,沿槳平面沿徑向向槽壁流動,兩區(qū)之間交換需要的軸向流動微弱。兩區(qū)之間流體交換主要依靠排出流內(nèi)的湍流渦團運動,在湍流強度高(例如錯位槳、無圓盤的平槳)的情況,整體混合會稍好一些。向心槳的流型與徑向槳基本相同,僅循環(huán)流動的方向相反[圖2.1(c)];相應(yīng)于徑向槳的排出流變?yōu)槲肓?其流束面積較大,湍流渦團運動的尺度稍大,使整體混合有所改善(王濤,2011)。

圖2.1　單個攪拌槳產(chǎn)生的流型

當攪拌槽采用多層槳構(gòu)型時,若槳間距較大,則單個槳本身的流型能充分顯現(xiàn),內(nèi)部流型會是單個槳流型的簡單疊加。如圖2.2(a)所示就屬于這種情況,兩槳組合形成的循環(huán)翻了一倍,共4個。圖2.2(b)中,簡單疊加應(yīng)有3個循環(huán),但上層向心槳下方的循環(huán)和下推軸流槳的循環(huán),在槳間距減小的情況下融合成了一個大循環(huán),所以總共只有2個循環(huán)。與圖2.2(a)相比,循環(huán)的個數(shù)減少,提高了反應(yīng)器內(nèi)部流型的整體性,于宏觀混合十分有利。合適的槳間距使圖2.2(c)中兩個同向推進的軸流槳的兩個循環(huán)融合為一個,實現(xiàn)了整體循環(huán)的設(shè)計思想。合理地選擇槳型、槳徑、槳間距,是在反應(yīng)器中產(chǎn)生良好整體循環(huán)設(shè)計的關(guān)鍵考慮。

圖2.2　組合攪拌槳產(chǎn)生的流型

攪拌槽中流動特性可以在兩個層次上來刻畫。一是循環(huán)流動的整體性,即流體流動應(yīng)覆蓋攪拌設(shè)備的全部容積,沒有死區(qū),最好是各處的對流強度均勻,這樣混合能力分布更均勻,設(shè)備能發(fā)揮最大的混合效率。二是流動的遍歷性,即一個可辨認的流體微團,或一個跟隨性很好的示蹤顆粒,能夠在有限的時間段里,經(jīng)歷攪拌槽內(nèi)的所有空間點。這能保證攪拌槽各處都能夠用于處理流進攪拌槽的新鮮物料。第一個特性可以從流型中觀察而得,但第二點需要更精細的實驗和數(shù)據(jù)分析。

有很多實驗技術(shù)可以用來定性或定量地表征混合設(shè)備中的流體流動型態(tài)。流場顯示是常用的方法,跟隨性良好、人眼可觀察的固體顆粒、染料水溶液、熒光物質(zhì)等均可作為示蹤劑。示蹤劑引入混合設(shè)備后即能通過可見光照射、激光脈沖照射,顯示出主體液相的流動路徑。儀器可探測到的試劑也可以作為示蹤劑,由于不容易在流場中作面測量或三維測量,往往限于在設(shè)備內(nèi)的一兩個點或在出口進行檢測,但也能從觀測數(shù)據(jù)中得到內(nèi)部混合的有用信息。這與化學反應(yīng)工程中的停留時間分布(RTD)技術(shù)類似。關(guān)于RTD更多內(nèi)容參見第5章。

流場遍歷是流場混合效率高的必要條件。設(shè)備的流場遍歷性可以用穿越、遍歷率和遍歷時間等基本概念來定量描述。這些概念在捏合等高黏度流體混合的研究中應(yīng)用較為普遍(楊明金,2009),但在攪拌槽、管道混合等較低黏度流體的湍流狀態(tài)下的混合中應(yīng)用較少。