攪拌條件下固體顆粒在液體中的流場強度分布

車敬標 張春義（遼寧豪耐思石化裝備有限公司，遼寧 沈陽 110141）

1 攪拌條件下固體液體混合機制

化學反應工程和反應器設計基于化學反應工程理論，這是研究化學生產(chǎn)中化學反應過程的主題技術。無論是混合機制，混合器的具體結構設計以及混合功率的計算都與混合過程中涉及的介質特性密切相關。在混合過程中，物料流的剪切速率不需要很高，但是需要足夠的對流循環(huán)。兩種物料以塊狀結合。隨著攪拌過程，這些附聚物逐漸破碎并變小，但每種附聚物仍是相同的材料，該過程稱為宏觀混合過程。在宏觀混合過程中，兩種材料之間的分子擴散實際上已經(jīng)開始，但是與嵌段破裂并變小的過程相比，這種擴散過程并未占據(jù)主要位置。

2 固體液體混合攪拌機理

隨著攪拌過程的進行，槳葉的旋轉和液體的流動會破壞較大的分散相液體或液滴。較大的液滴破裂的能量來自于流體流動時的分裂能，而較小的液滴聚集成較大的液滴的能量來自于液體本身的粘性能和表面能。剪切力隨著葉輪速度的增加而增加，并且與葉輪本身的結構有關。當分散相的液滴尺寸大時，周圍流體在液滴上的分裂能也較大。此時，大的液滴易于分裂成較小的液滴。如果這些小液滴的粘度能和表面能仍然小于周圍流體的分裂能，則這些小液滴將進一步分散為較小的液滴，直到接收到的分裂能與其自身的粘度能和表面能達到平衡為止。

3 攪拌下固液混合流場分布

3.1層流混合（層流是指整個流場呈現(xiàn)出一個整體平行流線）

層流通常與高粘度液體有關。在典型的能量輸入速率下，如果要獲得真正的層流，則雷諾數(shù)小于2000。因此，旋轉的葉輪必須占據(jù)容器體積的很大一部分，以實現(xiàn)適當?shù)恼w運動。這些是具有高剪切速率的層流區(qū)域，導致流體元件變形和擴展。每次被拉伸的流體單元通過這個高剪切率區(qū)域時，都會發(fā)生類似的過程，但是程度較小。通常，剪切流伴隨著擴展的流，即具有速度的流在層流中，如果在同心圓柱幾何形狀的條件下發(fā)生層流剪切，就會出現(xiàn)類似的混合機理[2]。每次旋轉都會減小流體元件的厚度，直到分子擴散成為重要因素為止。另一種混合是通過將流體物理切割成較小的單元格并重新分配來實現(xiàn)的。層流的流場示意圖如下圖1所示。

3.2 湍流混合（流體粒子的復雜和不規(guī)則運動）

湍流混合中流體的雷諾數(shù)大于2000，在具有旋轉葉輪的混合容器中的主要流體流是湍流的。此時，通過旋轉的葉輪傳遞給流體的慣性力足以使流體在整個容器中容易循環(huán)并返回葉輪。當流體通過時會發(fā)生渦流擴散，并在葉輪區(qū)域達到最大值。渦流擴散引起的混合速率遠高于層流機理，在葉輪附近湍流混合速率最高。另外，添加到葉輪的大部分能量在那里消散。因此，該區(qū)域互溶液體的均化率最高。所以對于固液混合，在所有液體混合單元中（粘性流體），必須有兩個元素。首先，必須有主體或對流，以確保設備中沒有靜態(tài)區(qū)域。其次，必須有一個強的或高的剪切混合區(qū)，以提供滿足生產(chǎn)任務要求的條件，來減少不均勻性或增強速率過程。湍流的流場示意圖如下圖1所示。

圖1.層流和湍流的流場示意圖

4 固液混合懸浮狀態(tài)下流場的分布

固液混合完全懸浮是當所有顆粒都運動時，短時間內（例如1-2s）沒有顆粒停留在儲罐底部，在這種情況下，所有顆粒表面都與流體接觸，以確保最大的化學反應，傳熱和傳質表面積。均勻的懸浮液是當整個罐中的顆粒濃度恒定，并且粒徑和粒徑分布在一定范圍內也恒定時，會出現(xiàn)均勻的懸浮液。一般來說，它需要比完全懸浮產(chǎn)生更高的速度。要使顆粒從容器底部提起，必須有適合速度和湍流度。在底部的復雜邊界層流中，運動的流體會產(chǎn)生一種阻力，然后由于湍流脈沖間歇地通過邊界層傳播，如果其頻率和能級足夠高，就會引起懸浮[3]。一旦顆粒從容器底部被提起，由于重力的作用其返回的趨勢將被強大的垂直流所產(chǎn)生的向上拉力所抵制。漂浮固體的分散（固體的密度低于液體）比固體懸浮液消耗更多的能量。下圖2為懸浮液中橫向和縱向的流場分布圖。

圖2.懸浮液中橫向和縱向的流場分布圖

為了更清楚地描述混合過程的速度矢量，可以截取混合流場沿前進方向的橫截面，并進行速度矢量分布。為了簡化處理，通常有必要在根據(jù)不同目的分析許多幾何特征之后做出選擇。提高混合效率是攪拌器設計的主要目標，它涉及流體中各種刻度運動的強度和分布。攪拌器前進方向的速度矢量向各個方向發(fā)散，這與軸向平面的流動情況是一致的，也就是說，在收斂為體積流之后，受控體積沿在剪切力的作用下攪拌器的前進方向。不難發(fā)現(xiàn)，該段的速度流線與安裝空間中的圓形分布相似，并且液體以相同的速度攪拌并向前推至實現(xiàn)流量和運輸量的控制。

5 結語

在液-固混合系統(tǒng)中，流體流過顆粒之間的空隙，這種流通常稱為流過多孔介質的流。另外，由于顆粒層中空隙通道的曲率變化，流動情況相當復雜，這不是內部或外部的簡單問題。將空隙串聯(lián)連接以形成虛擬管道，流體從中通過，從而簡化了內部問題。分離顆粒，流體繞過顆粒，這簡化為外部問題。為了正確設計用于化學工程的設備，關鍵之一是要充分了解流量并能夠進行定量計算。現(xiàn)在的解決方案是在通用流體力學的指導下，通過對不同類型的設備進行實驗來找出特定的規(guī)則。隨著測量和計算方法的改進，可以直接計算單相流量問題。對于多相流問題，應首先闡明微觀層次的規(guī)則，然后再在宏觀層次上進行計算。如果能夠實現(xiàn)這一步驟，則化學過程的設計可能會更多地依賴科學而不是主觀經(jīng)驗，這具有重要意義。盡管這樣做非常困難，但是由于其重要意義，世界上所有先進國家都在朝著這個方向努力。