高黏度流體的混合是工業(yè)上常用的單元操作，許多工業(yè)部門都會(huì)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(yè)。對(duì)于高黏度流體的混合，合理選擇和設(shè)計(jì)攪拌設(shè)備形式，研究其混合效果，對(duì)于強(qiáng)化傳熱、提高混合質(zhì)量、改善被混合介質(zhì)的性能至關(guān)重要。本文作者以此為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)近20年高黏度流體攪拌混合設(shè)備進(jìn)行分類介紹，對(duì)高黏度流體混合機(jī)理及有關(guān)研究方法進(jìn)行總結(jié)，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(lǐng)域，以期為進(jìn)一步研究提供參考。
高黏度流體混合設(shè)備
一般認(rèn)為，在工業(yè)規(guī)模的混合設(shè)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(shù)是確定攪拌槽內(nèi)流體流動(dòng)處于層流區(qū)或湍流區(qū)的度量標(biāo)準(zhǔn)。由于攪拌雷諾數(shù)的計(jì)算與所采用攪拌器直徑有關(guān)，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(guī)模。上述定義適用于直徑為1.8 m或更大的工業(yè)規(guī)模攪拌混合裝置。對(duì)于較小的實(shí)驗(yàn)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(guò)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(duì)于高黏度流體的混合，合理選擇混合設(shè)備對(duì)提高混合效率、減小混合功耗以及降低固定資產(chǎn)成本等都是至關(guān)重要的。目前，工業(yè)中應(yīng)用的高黏度混合設(shè)備通常有立式和臥式兩種，它們因具有各自的特點(diǎn)而在特定的行業(yè)中應(yīng)用廣泛。
1.1、立式混合設(shè)備
立式混合設(shè)備按照結(jié)構(gòu)形式分為：立式單軸混合設(shè)備和立式雙軸混合設(shè)備。
立式單軸混合設(shè)備因攪拌槳設(shè)計(jì)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(qū)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(diǎn)是槳徑大小與設(shè)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(shè)備因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而在石油煉制行業(yè)及催化劑生產(chǎn)行業(yè)中應(yīng)用廣泛。
立式雙軸混合設(shè)備又包括同軸異速混合設(shè)備和雙軸異速混合設(shè)備。同軸異速混合設(shè)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(zhuǎn)；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(zhuǎn)。近壁槳保證全槽流體運(yùn)動(dòng)不會(huì)停滯，中心槳將流體撕拉成愈來(lái)愈薄的流體層。隨著攪拌的進(jìn)行，高速區(qū)和低速區(qū)不斷交換，從而達(dá)到整槽流體混合均勻的目的。對(duì)于復(fù)雜的混合過(guò)程，可依照流體黏度變化的情況，適當(dāng)調(diào)節(jié)兩軸轉(zhuǎn)速，甚至在某些情況下可以僅用高速槳進(jìn)行攪拌，低速槳作為擋板以滿足不同混合過(guò)程的需求。
雙軸異速混合設(shè)備通常由兩個(gè)不同心的軸構(gòu)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(jié)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(shí)作用從而使槽內(nèi)流體達(dá)到良好的混合狀態(tài)。目前該類混合設(shè)備在油漆、油墨等行業(yè)應(yīng)用廣泛。
臥式混合設(shè)備按照結(jié)構(gòu)形式分為：臥式單軸混合設(shè)備、臥式雙軸混合設(shè)備等。臥式單軸混合設(shè)備因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在橡膠、塑料、建筑、食品等工業(yè)中應(yīng)用廣泛，其轉(zhuǎn)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(shè)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(shè)備特別適用于高黏、超高黏和粉體物系的混合，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)兩軸上的攪拌構(gòu)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(shí)現(xiàn)聚合反應(yīng)連續(xù)化。近年來(lái)這種混合設(shè)備越來(lái)越受到人們的關(guān)注，可以用于多相態(tài)變化體系而且具有高剪切力，在許多聚合反應(yīng)工業(yè)過(guò)程中應(yīng)用廣泛。
如圖3所示為某日本公司生產(chǎn)的臥式雙軸攪拌器，攪拌構(gòu)件為橢圓盤狀，兩攪拌軸由調(diào)速馬達(dá)驅(qū)動(dòng)作同向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，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(chǎn)的臥式雙軸攪機(jī)，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(jìn)行徑向混合的同時(shí)能受到一個(gè)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(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，通過(guò)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(shè)備。它具有部分自清潔功能，且構(gòu)造相當(dāng)簡(jiǎn)單，雙軸上裝有T型葉片，兩軸作同向旋轉(zhuǎn)，釜體有效反應(yīng)體積大，在合成間規(guī)聚苯乙烯工業(yè)中應(yīng)用廣泛。
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