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我国关于高粘度流体设备的研究

2019-03-06 15:38:58 798

  高黏度流体的混合是工业上常用的单元操作,许多工业部门都会遇到高黏度流体的搅拌或捏合操作,如橡胶、石油、塑料、涂料、油墨以及合成纤维、化妆品、制药、食品、造纸和水泥等行业。对于高黏度流体的混合,合理选择和设计搅拌设备形式,研究其混合效果,对于强化传热、提高混合质量、改善被混合介质的性能至关重要。本文作者以此为出发点,对近20年高黏度流体搅拌混合设备进行分类介绍,对高黏度流体混合机理及有关研究方法进行总结,介绍了已有的研究成果以及研究尚不够充分仍需深入的领域,以期为进一步研究提供参考。
  高黏度流体混合设备
  一般认为,在工业规模的混合设备中小于5Pa·s的流体为低黏流体,5~50 Pa·s的流体为中黏流体,50~500 Pa·s的流体为高黏流体,大于500 Pa·s的流体为超高黏流体。搅拌雷诺数是确定搅拌槽内流体流动处于层流区或湍流区的度量标准。由于搅拌雷诺数的计算与所采用搅拌器直径有关,因此高黏度或中黏度流体范围的划分在某种程度上取决于装置的规模。上述定义适用于直径为1.8 m或更大的工业规模搅拌混合装置。对于较小的实验装置或中试装置而言,高黏度和中黏度范围的定义通常要减少10倍。
  所谓混合是指通过搅拌和捏合把各组成的物料充分地分散,得到各组分浓度均匀的混合物。对于高黏度流体的混合,合理选择混合设备对提高混合效率、减小混合功耗以及降低固定资产成本等都是至关重要的。目前,工业中应用的高黏度混合设备通常有立式和卧式两种,它们因具有各自的特点而在特定的行业中应用广泛。
  1.1、立式混合设备
  立式混合设备按照结构形式分为:立式单轴混合设备和立式双轴混合设备。
  立式单轴混合设备因搅拌桨设计形式、搅拌槽底部形状、搅拌桨安装高度以及搅拌槽高径比等因素不同而有所区别。常用搅拌桨形式有:螺带桨、锚式桨、框式桨、Ekato桨等,共同特点是桨径大小与设备直径接近。搅拌槽的底部形状有:平底、椭圆底、蝶形底等。立式单轴混合设备因结构简单而在石油炼制行业及催化剂生产行业中应用广泛。

  立式双轴混合设备又包括同轴异速混合设备和双轴异速混合设备。同轴异速混合设备通常为立式圆柱形,中心由两套搅拌轴组成,如图1所示。一套轴上固定着半径较小的中心分散桨高速旋转;另一套轴上固定着锚式桨、螺带桨或框式桨等近壁式搅拌桨低速旋转。近壁桨保证全槽流体运动不会停滞,中心桨将流体撕拉成愈来愈薄的流体层。随着搅拌的进行,高速区和低速区不断交换,从而达到整槽流体混合均匀的目的。对于复杂的混合过程,可依照流体黏度变化的情况,适当调节两轴转速,甚至在某些情况下可以仅用高速桨进行搅拌,低速桨作为挡板以满足不同混合过程的需求。


  双轴异速混合设备通常由两个不同心的轴构成,两轴上各自安装搅拌桨,如图2所示。两搅拌桨处于不同液面高度,通常均为小直径分散桨,如涡轮桨、斜叶桨等,或者采用近壁式大直径桨与小直径分散桨结合的形式,使其既有形成全槽宏观流的低速搅拌器(一般为锚式桨),又有形成微观湍涡流的高速搅拌器,两桨叶同时作用从而使槽内流体达到良好的混合状态。目前该类混合设备在油漆、油墨等行业应用广泛。
  卧式混合设备按照结构形式分为:卧式单轴混合设备、卧式双轴混合设备等。卧式单轴混合设备因结构简单,在橡胶、塑料、建筑、食品等工业中应用广泛,其转子形式主要有:Z型、E型、圆盘型、螺带型、双旋型等。卧式双轴混合设备通常具有多种形式,如偏心圆盘、椭圆盘、T形叶片等。卧式双轴设备特别适用于高黏、超高黏和粉体物系的混合,转动时两轴上的搅拌构件之间以及它们与混合器壁之间相互刮擦从而具有自清洁功能,有利于实现聚合反应连续化。近年来这种混合设备越来越受到人们的关注,可以用于多相态变化体系而且具有高剪切力,在许多聚合反应工业过程中应用广泛。

  如图3所示为某日本公司生产的卧式双轴搅拌器,搅拌构件为椭圆盘状,两搅拌轴由调速马达驱动作同向旋转运动,桨叶表面、桨叶端部与器壁之间及桨叶端部与搅拌轴之间间隙较小,使得搅拌器具有自清洁作用。图4所示为瑞士某公司生产的卧式双轴搅机,两根轴中的一根为主搅拌轴,上面有许多被捏合杆连在一起的盘片,捏合杆略有倾斜,使物料在进行径向混合的同时能受到一个轴向的输送力;另一根是清洁轴,该轴装有一排倾斜的捏合框。清洁轴以3倍于主搅拌轴的转速进行旋转,通过两轴上的元件相互啮合,从而使搅拌器具有自清洁功能。


  卧式双轴T型搅拌器也是一种常见的高黏度搅拌混合设备。它具有部分自清洁功能,且构造相当简单,双轴上装有T型叶片,两轴作同向旋转,釜体有效反应体积大,在合成间规聚苯乙烯工业中应用广泛。

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