2.1.1　搅拌槽的基本流型

搅拌槽内部的流动型态,因选用搅拌桨的不同而有明显的区别。

单个搅拌桨产生的流型如图2.1所示。单个轴流桨产生一个整体循环[图2.1(a)],因此整体混合效率较高,若以宏观混合时间来衡量,其数值会低于径向桨搅拌槽。采用径向桨时,在桨平面的上半区和下半区各形成一个循环圈[图2.1(b)],圈内部的流体循环、交换速率大,而上下两区间的交换则因为桨的排出流比较强盛,沿桨平面沿径向向槽壁流动,两区之间交换需要的轴向流动微弱。两区之间流体交换主要依靠排出流内的湍流涡团运动,在湍流强度高(例如错位桨、无圆盘的平桨)的情况,整体混合会稍好一些。向心桨的流型与径向桨基本相同,仅循环流动的方向相反[图2.1(c)];相应于径向桨的排出流变为吸入流,其流束面积较大,湍流涡团运动的尺度稍大,使整体混合有所改善(王涛,2011)。

图2.1　单个搅拌桨产生的流型

当搅拌槽采用多层桨构型时,若桨间距较大,则单个桨本身的流型能充分显现,内部流型会是单个桨流型的简单叠加。如图2.2(a)所示就属于这种情况,两桨组合形成的循环翻了一倍,共4个。图2.2(b)中,简单叠加应有3个循环,但上层向心桨下方的循环和下推轴流桨的循环,在桨间距减小的情况下融合成了一个大循环,所以总共只有2个循环。与图2.2(a)相比,循环的个数减少,提高了反应器内部流型的整体性,于宏观混合十分有利。合适的桨间距使图2.2(c)中两个同向推进的轴流桨的两个循环融合为一个,实现了整体循环的设计思想。合理地选择桨型、桨径、桨间距,是在反应器中产生良好整体循环设计的关键考虑。

图2.2　组合搅拌桨产生的流型

搅拌槽中流动特性可以在两个层次上来刻画。一是循环流动的整体性,即流体流动应覆盖搅拌设备的全部容积,没有死区,最好是各处的对流强度均匀,这样混合能力分布更均匀,设备能发挥最大的混合效率。二是流动的遍历性,即一个可辨认的流体微团,或一个跟随性很好的示踪颗粒,能够在有限的时间段里,经历搅拌槽内的所有空间点。这能保证搅拌槽各处都能够用于处理流进搅拌槽的新鲜物料。第一个特性可以从流型中观察而得,但第二点需要更精细的实验和数据分析。

有很多实验技术可以用来定性或定量地表征混合设备中的流体流动型态。流场显示是常用的方法,跟随性良好、人眼可观察的固体颗粒、染料水溶液、荧光物质等均可作为示踪剂。示踪剂引入混合设备后即能通过可见光照射、激光脉冲照射,显示出主体液相的流动路径。仪器可探测到的试剂也可以作为示踪剂,由于不容易在流场中作面测量或三维测量,往往限于在设备内的一两个点或在出口进行检测,但也能从观测数据中得到内部混合的有用信息。这与化学反应工程中的停留时间分布(RTD)技术类似。关于RTD更多内容参见第5章。

流场遍历是流场混合效率高的必要条件。设备的流场遍历性可以用穿越、遍历率和遍历时间等基本概念来定量描述。这些概念在捏合等高黏度流体混合的研究中应用较为普遍(杨明金,2009),但在搅拌槽、管道混合等较低黏度流体的湍流状态下的混合中应用较少。