1.2.3　高剪切混合器

高剪切混合器的典型代表是轉子?定子混合器(rotor?stator mixer,RS,圖1.21),用于固?液、氣?液及不同黏度的液?液物料進行攪拌、混合、分散,已廣泛在化工、生化及食品加工等行業中應用。它利用轉子高速旋轉(線速度達10~50m/s),在定子與轉子間的狹窄間隙(常小于1mm)中產生極強的剪切作用(高達104~105s-1),使單相或混合物料在通過此間隙時經受強烈的剪切,并伴生與固體壁面的撞擊、湍流和空化等綜合作用,而達到混合的目的。其單位工作體積的能耗極高,遠大于普通攪拌槽所能達到的水平。根據混合和剪切破碎的要求,轉子?定子組件可以多級串聯使用。

定子和轉子上的通道可以為直槽、后彎槽或前彎槽,也可以為圓孔或長圓孔,還可以為柱銷,其形狀可以為圓形、橢圓形、正方形、長方形、三角形或菱形(圖1.22)。定子和轉子可以有多層同心環,交錯放置,形成多級式結構。高剪切混合器(RS)?按工藝流程的需要,既可批式操作,作為間歇式設備(BRS),也可裝置在管線上作為連續式設備(CRS)。對混合和相間傳質來說,轉子?定子混合器內的轉子層數對其效能的影響自然十分顯著(林海霞,2007)。

圖1.21　轉子?定子混合器(RS)結構示意圖

圖1.22　定子和轉子結構示意圖(董強,2007)

高剪切混合器的性能可以用無量綱的雷諾數(Re=ρND2/μ)和功率數[Po=P/(ρN3D5)]來刻畫。這兩個參數直接影響著它的分散/混合(mixing/dispersion)性能。Calabrese RV(2002)?對在線RS(IKA Works產品)進行數值模擬,發現窄間隙(0.5mm)的高剪切并不是分散效果的主要原因,相反地旋轉液流與定子孔道棱角的碰撞產生強烈的湍流才是主要的因素。因此,高剪切混合器用于不同目的、不同體系時,涉及的機理有很大的變化,需要繼續從實驗和數值模擬兩個方面深入研究,使其操作效能得以優化。

在高剪切混合器里,流體主體在復雜通道內的高速流動極不穩定,導致湍流和旋渦產生,所產生小渦的尺度,即Kolmogorov尺度,在CRS中充分湍流的條件下,Kolmogorov尺度的估計值為1~10μm的范圍(攪拌槽中一般在10~100μm)。因此,CRS內的微觀混合時間遠小于攪拌反應器,將CRS作為復雜化學反應的反應器是十分有利的。

連續式高剪切混合器兼有對物料的輸運功能,因此對CRS在不同轉子和定子組合情況下的流體力學性能也有不少實驗研究(董強,2007;張華芹,2007)。