2.1.1　攪拌槽的基本流型

攪拌槽內部的流動型態,因選用攪拌槳的不同而有明顯的區別。

單個攪拌槳產生的流型如圖2.1所示。單個軸流槳產生一個整體循環[圖2.1(a)],因此整體混合效率較高,若以宏觀混合時間來衡量,其數值會低于徑向槳攪拌槽。采用徑向槳時,在槳平面的上半區和下半區各形成一個循環圈[圖2.1(b)],圈內部的流體循環、交換速率大,而上下兩區間的交換則因為槳的排出流比較強盛,沿槳平面沿徑向向槽壁流動,兩區之間交換需要的軸向流動微弱。兩區之間流體交換主要依靠排出流內的湍流渦團運動,在湍流強度高(例如錯位槳、無圓盤的平槳)的情況,整體混合會稍好一些。向心槳的流型與徑向槳基本相同,僅循環流動的方向相反[圖2.1(c)];相應于徑向槳的排出流變為吸入流,其流束面積較大,湍流渦團運動的尺度稍大,使整體混合有所改善(王濤,2011)。

圖2.1　單個攪拌槳產生的流型

當攪拌槽采用多層槳構型時,若槳間距較大,則單個槳本身的流型能充分顯現,內部流型會是單個槳流型的簡單疊加。如圖2.2(a)所示就屬于這種情況,兩槳組合形成的循環翻了一倍,共4個。圖2.2(b)中,簡單疊加應有3個循環,但上層向心槳下方的循環和下推軸流槳的循環,在槳間距減小的情況下融合成了一個大循環,所以總共只有2個循環。與圖2.2(a)相比,循環的個數減少,提高了反應器內部流型的整體性,于宏觀混合十分有利。合適的槳間距使圖2.2(c)中兩個同向推進的軸流槳的兩個循環融合為一個,實現了整體循環的設計思想。合理地選擇槳型、槳徑、槳間距,是在反應器中產生良好整體循環設計的關鍵考慮。

圖2.2　組合攪拌槳產生的流型

攪拌槽中流動特性可以在兩個層次上來刻畫。一是循環流動的整體性,即流體流動應覆蓋攪拌設備的全部容積,沒有死區,最好是各處的對流強度均勻,這樣混合能力分布更均勻,設備能發揮最大的混合效率。二是流動的遍歷性,即一個可辨認的流體微團,或一個跟隨性很好的示蹤顆粒,能夠在有限的時間段里,經歷攪拌槽內的所有空間點。這能保證攪拌槽各處都能夠用于處理流進攪拌槽的新鮮物料。第一個特性可以從流型中觀察而得,但第二點需要更精細的實驗和數據分析。

有很多實驗技術可以用來定性或定量地表征混合設備中的流體流動型態。流場顯示是常用的方法,跟隨性良好、人眼可觀察的固體顆粒、染料水溶液、熒光物質等均可作為示蹤劑。示蹤劑引入混合設備后即能通過可見光照射、激光脈沖照射,顯示出主體液相的流動路徑。儀器可探測到的試劑也可以作為示蹤劑,由于不容易在流場中作面測量或三維測量,往往限于在設備內的一兩個點或在出口進行檢測,但也能從觀測數據中得到內部混合的有用信息。這與化學反應工程中的停留時間分布(RTD)技術類似。關于RTD更多內容參見第5章。

流場遍歷是流場混合效率高的必要條件。設備的流場遍歷性可以用穿越、遍歷率和遍歷時間等基本概念來定量描述。這些概念在捏合等高黏度流體混合的研究中應用較為普遍(楊明金,2009),但在攪拌槽、管道混合等較低黏度流體的湍流狀態下的混合中應用較少。