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流体中的搅拌混合过程

2012-06-22 08:20阅读：

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流体中的搅拌混合过程
一、混合包括-：
1、单相液体混合，（浓度关系）也就是把液体内部浓度差降低到某个允许水平。
2、液--液（互不相溶）混合
形成一种连续液相中包含另一种分散液滴的体系，常出现在溶剂萃取设备中，为了实现相互传质，要求两个互不相溶的液相之间有很大的界面。因此，用搅拌来造成有利于传质的状况。如果停止搅动，两相就会离开，界面随之大大降低。
3、固--液混合
在混合器中，通过搅拌来提供有利于液固传质及化学反应的良好条件，如果停止搅拌，则视固相和液相的相对密度大小，固体或沉降，或悬浮于表面。
4、气—液混合
例如氧化，加氢和生物发酵均涉及气液接触。这类过程的是搅拌气液混合物以形成气泡在连续液相中的分散，然后通过所形成的气液界面进行传质。在有些情况下，传质过程的同时还有液相中的化学反应。
5、固体混合
体混合所可能独有的一个特点是离析，就是颗粒按粒度和/或密度的大小而分离的趋向。
二、混合机制：
对于液体混合，（粘性流体）
在所有的液体混合装置中，必须具备两个要素。首先必须有主体或对流流动，以保证装置内不存在静止区；第二是必须有一个强烈的或高剪切的混合区，它能够提供条件以达到生产任务对降低非均匀性或强化速率过程的要求。
层流混合（层流就是整个流场呈一簇互相平行的流线，）
层流通常与高粘度液体有关，在典型的能量输入速率下，如果要达到真正的层流，粘度大约应在10pa.s以上。这么高的粘度的流体往往具有复杂的流变行为。在层流条件下，惯性力受高粘度的流体作用而迅速消失，因此，回转叶轮必须占据容器体积的很大比例，以达到适当的总体运动。在这些回转表面附近，存在着很大的速度梯度，这些是具有高剪切率的层流区，他导致流体元变形和伸展。当他们变形伸展时，也就不断的变薄变长，已经伸长的流体元每次通过这一高剪切率区域，就又发生一次类似的过程，只是程度略小一些。
图1

流体中的搅拌混合过程
一般情况下伴随剪切流的还有延伸流，即在某一方向上的速度沿此方向增大的流动，这种过程也导致表面积增大以及流体元的厚度减小。
图2 流体中的搅拌混合过程

在层流中，如果层状剪切发生在同心圆拄几何条件下，则会出现一种类似的混合机制，每次转动都会使流体元的厚度减小一些，直到分子扩散变成重要的因素。
图3 流体中的搅拌混合过程

还有一种混合就是通过将流体物理切割为较小的单元，并使之重新分配而实现。
图4 流体中的搅拌混合过程

湍流混合（流体的质点作复杂的无规则的运动）
只要流体粘度低于约10mpa.s则在装有回转叶轮的混合容器中的主体流体流动均为湍流。这时，由回转叶轮传递给流体的惯性力足以使流体在整个容器内轻易地循环，并且返回到叶轮上。流体通过时发生湍流涡流扩散，而且在叶轮区达到最大值。涡流扩散造成的混合要比层流机制引起的混合速率高得多。
在叶轮区附近湍流混合速率最高。在那里桨叶拖起来的涡旋造成很高的剪切率，再加上径向排出液流中有较大的雷诺应力；另外，叶轮所加入的能量中有很高的比例在那里消散，因此，互溶液体的均匀化速率在这一区域最高，而气液、液液分散也主要发生在这里。
图5

流体中的搅拌混合过程
只要主流的雷诺数足够高，就可以用Kolmogoroff的局部各向同性湍动理论得到有关其结构的了解。湍流运动可以看作是在一个总体平均流动之上迭加一系列的速度波动以及不同大小的涡流。较大的主涡流，速度波动也大，但频率较低，主涡流的大小与叶轮物理尺寸，直径D相近。它们是各相异性的，并且包含了动能的主要部分。大涡流与缓慢运动的液体相互作用又生成频率较高的小漩涡，它们再进一步分解，直到最后因粘性力而消失为热量。从较大漩涡到较小漩涡有动能的传递，在这一过程中，主流中的定向元逐渐消失。
三、搅拌产生的混合过程
1、固—液混合
悬浮状态的定义，
完全悬浮：当所有颗粒均处于运动之中，且没有任何颗粒在罐底停留超过一个很短的时间时，例如1－2s，这种条件下，颗粒的所有表面均与流体接触，从而保证以最大的表面积供化学反应、传热、传质。
均匀悬浮：当整个罐内颗粒浓度恒定，而且对于一定范围的粒度、粒度分布也恒定时，则出现均匀悬浮，一般来说，需要比产生完全悬浮高得多的速度。
对于要从容器底部向上提升的颗粒而言，
在其附近区域的局部水力学条件，即速度大小和湍流程度必须适宜。在底部复杂边界层流动中，运动的流体会产生一种拽引力，再由于湍流脉冲间歇地通过边界层传播，如果其频率和能量水平足够高，就会造成悬浮。一旦颗粒从容器底部提升上来，由于重力作用它再返回去的趋势就会受到强烈垂直流动产生的向上拽力的抵制。
上浮固体的分散（固体密度小于液体）
这一过程一般比固体悬浮更加耗费能量，而且当固体很细时，它们会夹带有相当大量的空气从而降低了它们的有效密度。如果固体不能被浸湿，或者很难浸湿，则难度加剧。Joosten等发现，在把固体向下抽吸方面，不加挡板所形成的中央漩涡不如偏离中心的漩涡有效，后者可用一短挡板取得，
图6


流体中的搅拌混合过程
他们还发现，较大（D/T＝0。6）的四叶片、45度倾斜的叶轮，放置在靠近容器底部处，则所需的功率最小，而且对于直径为0。27－1。8m的容器，所需的最低速度NDF可以由下式确定 (Fr)DF=N2DF*D/g
=3.6*10-2(D/T)-3.65(△p/pc)
△p为颗粒与流体的密度差，
pc为流体的密度
颗粒浓度和粒度的影响可以忽略。由于粒度在2－10mm之间，所以空气夹带不成问题。
2、 气—液混合

流体中的搅拌混合过程
在气液系统中搅拌器 起的作用是：
1、 把气体破碎成小气泡以产生较大的相界面积。
2、 把气泡分散至整个液体中；
3、使气泡在液体内保持（即再循环）足够长的时间；
4、在全槽范围内混合液体；
5、产生湍流漩涡以向相界面提供和从相界面带出液体；
6、驱动液体通过换热表面，使传热系数增大；
7、使颗粒保持悬浮状态。
为了起到1的作用，需要高能量的湍动；而为了起到2、3、4、6、7的作用，则需要高流量
在给定的搅拌转速N下，气体由分布器进入搅拌器时，功率会下降，这是因为在叶片后面形成气穴的缘故，
流体中的搅拌混合过程

预测Pg的关键是要了解由离心力吸入到叶片后面转动漩涡内的气体形成气穴的机理，吸入至气穴内的气体是由新从分布器进入的气体和自分散区再循环返回至气穴的气体两部分组成。由于这种再循环取决于气泡尺寸，因而也就取决于分散体系的聚结性质，所以Pg不可能由任何通用的关联式精确的预测。
Pg－通气时液体消耗的搅拌功率
已经分辨出三种基本的气穴形式，“大气穴”是QG增加时Pg减小的主要原因。然而正是气体进入气穴的总量控制了气穴的大小，因而也控制了Pg的大小。进入叶轮区的总气量是（QG+QR），其中QR是再循环气体的体积流量。一般说来，QR是由一部分再循环的来自分布器的气体加上一部分在高转速下由表面吸入的气体组成的，而后者通常都可以忽略。
Nienow

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