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高黏度流体搅拌器的设计要素

高黏度流体的搅拌器设计，一直是搅拌混合领域中一个很重要的课题。

在我们用多种叶轮对高黏度牛顿流体以及非牛顿流体的混合进行了试验后发现，一个的高黏度液体搅拌器，至少具备两个条件：1.叶轮能提供强有力的剪切，这是减小浓度斑尺寸即分离尺寸的必要条件，如前所述，只有浓度斑足够小，才能产生大面积的界面，促进分子扩散，从而快速达到分子级的混合效果，例如螺带式叶轮和锚式叶轮，通常其d/D都在0.9/0，97左右，即都是所谓近壁型叶轮，在叶轮端部与罐壁之间会产生强烈的剪切，在此消耗了搅拌功率的90%左右。2.由于高剪切区总是只占有罐体积的一小部分，因此只有叶轮能使液体在罐内进行快速的循环，使高剪切区和低剪切区的液体快速交换，才能使全罐快速地达到均匀混合。

长久以来，业内存在这样一种观点，对于近壁型搅拌器，其剪切总是足够的，决定搅拌器混合能力的是叶轮的循环能力，并且还认为要达到全罐均匀混合，液体至少要在罐内循环三次。因此，哪种叶轮能以短时间完成三次循环，那一种叶轮便是混合速率快的叶轮。这一结论，长时间以来被应用在搅拌器的设计中。然而近年来一些具有复杂传动机构的搅拌器，如在回转的同时进行上、下移动的复动搅拌器和使叶轮往复摆动的往复式搅拌器等，此类搅拌器会产生速度脉动，此类速度脉动，我们可以将其理解为液体在一定方向上的周期性的较为激烈的变化，事实证明速度脉动对于促进混合有很大作用。速度脉动原来是湍流操作特有的现象，然而，复动式搅拌器和往复式搅拌器以其上、下往复运动或正、反转运动，在高黏度液体中产生了强的速度脉动，从而获得了高的混合效率。因此可以将剪切、循环和速度脉动归结为快速混合的二要素。这二要素是开发新型高黏度液体搅拌器的依据。

黏弹性流体兼有黏性液体与弹性固体的特性，能在变形后呈现弹性恢复，具有与非依时性和依时性这两类非牛顿流体的黏性效应。聚合物熔体和溶液是典型的黏弹性流体，在定态剪切下表现出前述纯黏性非牛顿流体的特性，而当剪切发生变化（包括扩大、收缩流和非定态流动）时则表现出弹性。黏弹性流体具有以下特异流动行为。

(1)爬杆效应（Weissenberg效应），用搅拌器搅拌黏弹性流体时，转轴处的液面沿轴上升，离轴较远处的液面下降。这一行为与牛顿流体正好相反。为此在设计流体黏弹性较强的搅拌器时，应选择合适的搅拌器。否则，会因爬杆效应使流体全部包裹在搅拌器上，与搅拌轴同步旋转，从而使混合和传热等过程均不能正常进行。

(2)膨胀效应（Barus效应），黏弹性流体从圆管或小孔中流出时有射流膨胀现象，此时流出液的大直径dmax可达圆管内径d的2～3倍。黏弹性流体的膨胀程度与所流经的圆管长度有关，圆管越长，膨胀程度越小；而当圆管充分长时，膨胀比B (B=dmax/d)会达到一定值。膨胀比在聚合物加工中是一重要现象，通过测量膨胀比可获得法向应力差的信息。

(3)记忆现象（又称弹性滞后），施加压力梯度使黏弹性流体在管内流动；当突然移去压力梯度，黏弹性流体将反向移动一段距离后才停止。

(4)反向次流，在液体中插入一旋转圆盘，形成的主流是切向流，同时在转盘下方形成轴向次流。在牛顿流体中，次流的方向是轴中心处流体向上而四周流体向下；黏弹性流体则相反，轴心处流体向下而容器四周的流体向上运动。反向次流对搅拌器的搅拌、传质等操作是一个重要的影响因素。

通过流型对搅拌器进行分类

搅拌器的分类比较复杂，我们可以根据流型来给搅拌器进行分类。

流型就是用来形容搅拌器容器内部的混合体根据一定的规律，循环流动的一种形式，搅拌器的流型大致分为三种：轴向流型，径向流型和混合流型。 轴向流型中的轴，指的就是搅拌轴，轴向流型的混合流体的运动方向是和搅拌轴平行的，流体是从轴向进入搅拌器的叶片，而后又从轴向流出的一种液流方式，轴流式搅拌器多采用螺旋桨作为搅拌叶轮，所以轴流式搅拌器又成为旋桨式搅拌器，旋桨式搅拌器的生产维护费用较低。

在同样转速和同样直径的前提下，轴流式搅拌器的功率更高，其特点还有，结构简单，便于维护，生产能力高，适用于中低粘度的液体搅拌。 和轴向流型相对的，径向流型的流体是沿着叶轮的半径方向排出的，结构也不复杂，适用范围相当广泛，径流式搅拌器多有一个开式的叶轮，开式叶轮可以更好的实现流体的径向排放，除了开式叶轮，还有很多径流式搅拌器采用盘式叶轮，结晶搅拌器诚实守信，盘式叶轮多用来实现气液混合，功率略低于开式叶轮。

叶轮上的桨叶多采用不锈钢材质，其形状根据搅拌流体性质的不同而不同，平直型桨叶多用于低粘度的液体的搅拌，而锚型桨叶可用于高粘度的液体搅拌，也可根据具体需要增加一排桨叶。

混合流型是在轴向流型和径向流型基础之上加装挡板，一般挡板不会大于容器直径的十分之一，高度也不应超过直径的两倍，加装挡板后流体会不规则的运动，当然，通过改变叶轮的安装角度，使其按照需要稍微倾斜，可以通过更少的挡板实现我们所需要的混合流型，这一点要注意。