式中K為功率準數(shù),它是攪拌雷諾數(shù)Rej(Rej=d2Nρ/μ)的函數(shù);d和N 分別為攪拌器的直徑和轉速;ρ和μ分別為混合液的密度和粘度。對于一定幾何結構的攪拌器和攪拌槽,K與Rej的函數(shù)關系可由實驗測定,將這函數(shù)關系繪成曲線,稱為功率曲線。
攪拌功率的基本計算方法
理論上雖然可將攪拌功率分為攪拌器功率和攪拌作業(yè)功率兩個方面考慮,但在實踐中一般只考慮或主要考慮攪拌器功率,因攪拌作業(yè)功率很難予以準確測定,一般通過設定攪拌器的轉速來滿足達到所需的攪拌作業(yè)功率。
從攪拌器功率的概念出發(fā),影響攪拌功率的主要因素如下。
① 攪拌器的結構和運行參數(shù),如攪拌器的型式、槳葉直徑和寬度、槳葉的傾角、槳葉數(shù)量、攪拌器的轉速等。
② 攪拌槽的結構參數(shù),如攪拌槽內徑和高度、有無擋板或導流筒、擋板的寬度和數(shù)量、導流筒直徑等。
③ 攪拌介質的物性,如各介質的密度、液相介質黏度、固體顆粒大小、氣體介質通氣率等。
由以上分析可見,影響攪拌功率的因素是很復雜的,一般難以直接通過理論分析方法來得到攪拌功率的計算方程。因此,借助于實驗方法,再結合理論分析,是求得攪拌功率計算公式的惟一途徑。
由流體力學的納維爾-斯托克斯方程,并將其表示成無量綱形式,可得到無量綱關系式
Np=P/ρN3 dj5=f(Re,F(xiàn)r)
式中Np——功率準數(shù);Fr——弗魯?shù)聰?shù),F(xiàn)r=N2dj/g;P——攪拌功率W。
雷諾數(shù)反映了流體慣性力與粘滯力之比,而弗魯?shù)聰?shù)反映了流體慣性力與重力之比。實驗表明,除了在Re﹥300的過渡流狀態(tài)時,F(xiàn)r數(shù)對攪拌功率都沒有影響。即使在Re﹥300的過渡流狀態(tài),F(xiàn)r數(shù)對大部分的攪拌槳葉影響也不大。因此在工程上都直接把功率因數(shù)表示成雷諾數(shù)的函數(shù),而不考慮弗魯?shù)聰?shù)的影響。
由于在雷諾數(shù)中僅包含了攪拌器的轉速、槳葉直徑、流體的密度和黏度,因此對于以上提及的其他眾多因素必須在實驗中予以設定,然后測出功率準數(shù)與雷諾數(shù)的關系。由此可以看到,從實驗得到的所有功率準數(shù)與雷諾數(shù)的關系曲線或方程都只能在一定的條件范圍內才能使用。最明顯的是對不同的槳型,功率準數(shù)與雷諾數(shù)的關系曲線是不同的,它們的Np-Re關系曲線也會不同。
]]>攪拌是有機制備實驗中常用的一項操作,目的是能使反應物間充分混合避免由于反應物濃度不均勻局部過大,受熱不均勻,導致副反應的發(fā)生或有機物分解。通過攪拌,使反應物充分混合、受熱均勻,縮短反應時間,提高反應產(chǎn)率。
攪拌在工業(yè)生產(chǎn)中的應用有:
① 氣泡在液體中的分散,如空氣分散于發(fā)酵液中,以提供發(fā)酵過程所需的氧;
② 液滴在與其不互溶的液體中的分散,如油分散于水中制成乳濁液;
③ 固體顆粒在液體中的懸浮,如向樹脂溶液中加入顏料,以調制涂料;
④ 互溶液體的混合,如使溶液稀釋,或為加速互溶組分間的化學反應等。
⑤ 攪拌還可以強化液體與固體壁面之間的傳熱,并使物料受熱均勻。
攪拌槽內液體的運動,從尺度上分為總體流動和湍流脈動。總體流動的流量稱為循環(huán)量,加大循環(huán)量有利于提高宏觀混合的調勻度。湍流脈動的強度與流體離開攪拌器時的速度有關,加強湍流脈動有利于減小分隔尺度與分隔強度。不同的過程對這兩種流動有不同的要求。液滴、氣泡的分散,需要強烈的湍流脈動;固體顆粒的均勻懸浮,有賴于總體流動。攪拌時能量在這兩種流動上的分配,是攪拌器設計中的重要問題。
在攪拌混合物時,兩相的密度差、粘度及界面張力對攪拌操作有很大影響。密度差和界面張力越小,物系越易于達到穩(wěn)定的分散;粘度越大越不利于形成良好的循環(huán)流動和足夠的湍流脈動,并消耗較大的攪拌功率。
攪拌槽內流體的運動是復雜的單相流或多相流,目前都還沒有完整的描述方法。非牛頓流體的攪拌,在流動狀態(tài)和功率消耗方面都有一些特殊的規(guī)律。攪拌槽內流體流動參數(shù)的測量,攪拌功率的預計,以及攪拌裝置的放大方法等,都是攪拌理論研究和工程應用中的重要課題。
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