（机械设计及理论专业论文）新型高剪切均质机的研制及试验研究.pdfVIP

江苏大学硕士学位论文 摘要 本文系统分析了国内外高剪切均质机的发展概况，并从液力回旋剪切、液力 槽道剪切、超声、空穴等方面分别阐述了高剪切均质机的主要均质机理。定性地 给出了几何参数、工作参数以及物料特性参数对均质效果的影响，这为新型高剪 切均质机的设计打下理论基础和设计依据 在高剪切均质机主要均质机理研究结论的基础上结合国内外现有专利技术， 我们研制出一种新型高剪切均质机，并针对该机型的特殊结构分别就定转子之间 间隙、定子径向槽道以及国际上流行的沿基圆切向开设的斜槽式转子内的流场进 行了分析。这为该新型高剪切均质枫的设计提供流场理论方面的设计依据。 根据新型高剪切均质机定转子间隙区的流场理论分析所得出的结论，为使定 转子之间获得最小间隙且在转子高速转动时不因离心力产生的变形而碰撞定子， 本文根据本机型转子结构特点采用在p r o e 中建立实体模型，然后调入到a n s y s 中进行转子径向变形的数值仿真。这为该新型高剪切均质机的设计提供结构变形 方面的设计依据。 本新型高剪切均质机不仅能粉碎液一液相料液还能粉碎含有纤维的料液，参 照纤维粉碎机粉碎理论并结合高剪切均质机流场理论对该新型高剪切均质机用 于纤维湿式粉碎的粉碎机理和相关参数进行了理论分析和试验研究，从理论和试 验上得出了一定结论。 关键词：回旋剪切槽道剪切超声空穴专利技术转子变形 斜槽结构纤维粉碎 江苏大学硕士学位论文 t h ep a p e ra n a l y z e st h e g e n e r a ld e v e l o p m e n t s i t u a t i o no fh i g h - s h e a r i n g h o m o g e n i z e ri nd o m e s t i ca n do v 豇 s c a ss y s t e m a t i c a l l y i te x p o u n d sp r i m ew o r k m e c h a n i s mo fh j i g h s h e a i n gh o m o g e n i z e rf r o ml i q u i dt a n g e n t i a ls h e a r i n g ，l i q u i ds l o t s h e a r i n g ，u l t r a s o n i c w a v ea n dc a v i t a t i o ne f f e c t t h ei n f l u e n c ef a c t o r s t o h o m o g e n i z a t i o ne f f e c ta r ed r a w nf r o ms t r u c t u r ep a r a m e t e r s 。w o r kp a r a m e t e r sa n d c h a r a c t e rp a r a m e t e r so fm i x t u r eq u a l i t a t i v e l y i tp r o v i d e st h e o r yf o u n d a t i o na n d d e s i g nc r i t e r i o nf o rd e s i g no f t h en e wt y p eo f h i g h - s h e a r i n gh o m o g e n i z e r w ed e s i g na n dm a n u f a c t u r ean e wt y p eo fh i g l l s h e a r i n gh o m o g e n i z e ro nt h e b a s i so f i n c o r p o r a t i o no f r e s e a r c hc o n c l u s i o no f p r i m eh o m o g e n i z a t i o nm e c h a n i s mo f h i g h - s h e a r i n gh o m o g e n i z e ra n de x i s t i n gp a t e n tt e c h n o l o g yi nd o m e s t i ca n do v e r s e a s ， a n da i m i n ga tt h es p e c i a ls t r u c t u r ei nt h en e wt y p eo f h i g h - s h e a r i n gh o m o g e n i z e r , w e a n a l y z et h el i q u i df i e l do f t h ec l e a r a n c eb e t w e e ns t a t o ra n dr o t o r r a d i a ls l o ti ns t a t o r a n ds l a n t e ds l o tm a n u f a c t u r e da l o n gt a n g e n t i a ld i r e c t i o no nb a s ec i r c l ew h i c hi si n f a s h i o ni n t e r n a t i o n a l l yi nr o t o rr e s p e c t i v e l y i tp r o v i d e st h e o r yd e s i g nc r i t e r i o no f l i q u i df l o wf i e l df o rd e s i g no f t h en e wt y p eo f h i g h - s h e a r i n gh o m o g e n i z e r a c c o r d i n gt oc o n c l u s i o nd r a w nf r o mt h e o r ya n a l y s i so fl i q u i df l o wf i e l do f c l e a r a n c eb e t w e e ns t a t o ra n dr o t o ri nt h en e wt y p eo fh i g h - s h e a r i n gh o m o g e n i z e r , i n o r d e rt og e tt h es m a l l e s tc l e a r a n c eb e t w e e ns t a t o ra n dr o t o ra n da v o i dc o l l i s i o n b e t w e e ns t a t o ra n dr o t o rb r o u g h ta b o u tr a d i a ld i s p l a c e m e n to fr o t o rb e c a u s eo f c e n t r i f u g a lf o r c ew h e n r o t o rr o t a t e sa th i 曲s p e e d ，w ee s t a b l i s he n t i t ym o d e li np r o e a c c o r d i n gt oc h a r a c t e ro f r o t o ri nt h en e wt y p eo fh i g h - s h e a r i n gh o m o g e n i z e ra n d s i m u l a t et h er a d i a ld i s p l a c e m e n to fr o t o ri na n s y s i tp r o v i d e sd e s i g nc r i t e r i o no f s t r u c t u r ed i s p l a c e m e n tf o rd e s i g no f t h en e wt y p eo f h i g h - s h e a t i n gh o m o g e n z i e r t h en e w t y p eo f h i g h - s h e a r i n gh o m o g e n i z e rc a nb o mh o m o g e n i z e sl i q u i d - l i q u i d s y s t e ma n dw e tc o m m i n u t e sf i b e rm a t e r i a l ，i nr e f e r e n c et oc o m m i n u t i o nt h e o r yo f f i b e rc o m m i n u t i o nm a c h i n ea n dl i q u i df l o wf i e l dt h e o r yo fh i g h - s h e a r i n g h o m o g e n i z e r ，w ea n a l y z et h ec o m m i n u t i o nm e c h a n i s m a n dc o r r e l a t i v ep a r a m e t e r so f t h en e wt y p eo fh i g h - s h e a r i n gh o m o g e n i z e rf o rw e tc o m m i n u t i n gf i b e rm a t e r i a li n t h e o r ya n de x p e r i m e n t ，a n ds o m ec o n c l u s i o ni sd r a w nf r o mt h e o r ya n de x p e r i m e n t k c y w o r d s ：t a n g e n t i a ls h e a r i n g ，s l o ts h e a r i n g ，u l t r a s o n i cw a v e ，c a v i t a t i o ne f f e c t ， p a t e n tt e c h n o l o g y ，r o t o rd i s p l a c e m e n t ，s l a n t e ds l o ts t r u c t u r e ， f i b e rm a t e r i a lc o m m i n u t i o n n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 c i t e 编本学位论文。 本学位论文属于 学位论文作者签名 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密回。 蜘武 指导教师签名 扣吐牵乡月二f 日 伽乒年 各每锭 6 月疋e t 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：芦垢武 日期：2 0 0 4 年6 月多1 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 超细粉体技术被国内外科技界称之为跨世纪的高新技术，它是一门既古老又 新兴的学科，从古老的粗糙工艺到现代具有系统理论及精密设备的超细粉体技 术，经过了漫长的发展过程，已逐步地完善并得到了提高，尤其是近几十年，发 展迅猛。材料经过超细化后其光、电、磁、力学、热力学及表面与界面特性都会 发生奇特变化，在使用时往往可以获得超常效果。故超细粉体已广泛应用于化工、 食品、中草药、生物领域、军工等行业【l l 。粉体技术的研究已引起了研究者们的 广泛注意和重视，有关的研究机构己在国内形成了有计划、有系统的研究主流。 我们正是在这个基础上研制出一种集物料湿式粉碎、混合作用为一体的新型高剪 切均质机，这种机型的最大特点除了传统的液一液相料液的混合和粉碎外，还适 合用于液一含纤维湿润固态颗粒物的粉碎，目前，纤维物料的粉碎以干式为主， 如气流粉碎机，但干式粉碎能耗大纤维物料的湿式粉碎是一个全新的课题，新 型高剪切均质机用于纤维物料的湿式粉碎大大拓宽了其使用范围，并且由于这种 粉碎机特殊的粉碎机理、低的能耗和成本、零件不易损坏、易操作性等优点对改 进目前纤维粉碎方法将有重要的意义。 新型高剪切均质机属于剪切式均质机系列，通过对该机内部流场特性的理论 分析和对转子变形的数值仿真，为该机型的优化设计提供理论依据。以不断提高 该机型的粉碎性能和产品的质量。 1 1 物料混合及其概念拓展【2 】 所谓混合，就是指将两种以上不同物料互相混杂，使成分达到一定程度的均 匀性，这样的操作就称为混合。多数情况下是固体与固体，固体与液体，液体与 液体之间的多成分或多相的混合。其实，混和的概念还可以推广，要求混合均匀 的物量参量不只限于成分浓度，也可以是物系的温度、p h 值等，这就是所谓的 混匀。无论是混合还是混匀，一般需借助外力使物料形成某种特定方式的运动而 后才能达到目的，这便是搅拌，或确切地说是搅匀。外力可以是机械搅拌浆、机 械振动、高速气流、高速流液、超声波等。 混合过程主要有三种机理：对流混合、分子扩散混合和剪切混合。 江苏大学硕士学位论文 对互不相容组分的混合，由于混合器运动部件表面对物料的相对运动，分离 尺度逐渐降低，但因物料内部不存在分子扩散现象。故分离强度不可能降低。这 种混合成为对流混合。 对互溶组分的混合，除对流混合外，尚存在扩散混合。当混合物分离尺度小 于某值以后，由于组分间接触面积的增加及扩散距离的缩短，大大增加了溶解扩 散的速率，使混合物的分离强度不断下降，混合过程就变为以扩散为主的过程， 称为扩散混合。 对高粘度流体的混合，既无明显的分子扩散现象，又难以造成很好的湍流， 以分割组分元素。这种情况下混合的主要机理是剪力，剪力的作用使组分被拉成 越来越薄的料层，使一种组分所占的区域越来减小，这种过程称为剪切混合。 在化工、食品工业中常遇到的非均相的液一固和液一液多相体分散体系，混 合的概念还可以进一步拓宽。混合物的均匀度不只要求分散相分布均匀，而且还 要求分散质进一步微粒化，使之具有更稳定、更细致的均匀性。含固体的悬浮液 要求固体颗粒微粒化，含油滴的乳化液要求油滴微滴化。但普通的搅拌器使固体 颗粒或液体颗粒的微粒化或微滴化的能力通常较小，这就需要使用具有强力搅拌 功能的高剪切均质机 1 2 均质的作用 均质的概念就是前面所述的概念拓宽以后的混合，是使悬浮液( 或乳化液) 体系中的分散物质微粒化、均匀化的处理过程。这种处理同时起到降低分散物尺 度和提高分散物分布均匀性的作用。因为均质的物料是料液，所以，当以获取分 散相为成品时，这种均质过程也可称为湿式粉碎。当经均质处理的料液为最终成 品时，均质就可以提高产品的质量，特别是食品行业中各种形式的乳制品及各色 饮料，其中大部分产品如：牛奶、豆奶、冰淇淋、酸奶、果汁等的加工都需经过 均质处理。此外，化工、医药、微生物等诸多行业也广泛应用均质技术，以提高 物料的效率和品质，均质技术日益显示出其优越性，已成为这些行业中对有关流 体、半流体产品提高质量所必不可少的工艺过程。 化工、医药、生物、食品等诸多领域中所遇到的流体大多是由多种成分组成， 属于非均质对象混合物，料液中分散相( 固体颗粒或液滴) 在连续相中的悬浮稳 定性与分散相的粒度大小及分布均匀性密切相关，粒度越小，分布越均匀，则稳 江苏大学硕士学位论文 定性越大，所以说，分散相粒径的大小及稳态下的分布是成品质量的重要标志。 虽然经过搅拌、混合工艺，但料液中的球状颗粒或非球状纤维大小仍不能满足要 求，具体体现在：产品不细腻、体系不稳定、沉淀分层现象严重、利用均质技术 使料液充分混合，分散相微粒细化并均匀分布，以防止料液分层，得到高度均一 稳定的分散体系。由此可见，在这些行业有关产品的加工中均质的作用越来越重 要。 1 3 国内外高剪切均质机的研究现状 正是由于均质机所具有的粉碎和混合功能，在许多行业应用越来越广泛，陆 续研制出了许多品种的均质机，典型的有高压均质机、超声均质机、离心式均质 机、喷射式均质机、胶体磨及高剪切均质机。其中高剪切均质机以其独特的剪切 分散机理和低成本、超细化、高质量、高效率等优点在众多的工业领域中得到普 遍应用。并在某些领域逐渐地取代传统的均质机。 国外早在3 0 年代就生产并使用均质机应用于工业生产。目前，已有美国、 日本、德国等1 0 多个国家生产均质机，高剪切均质机作为均质机械中的佼佼者， 也被广泛地认识和研究据资料表明，1 9 4 8 年，德国的f l u k o 公司首次发明了 应用高剪切原理的分散乳化设备。但直到8 0 年代，日本及欧美一些国家才广泛 使用高剪切均质机，高剪切均质机经过5 0 多年的发展，许多国家已生产出高剪 切均质机的系列产品，并已在许多领域发挥着重大作用，如制药、涂料、粘合剂、 塑料、化妆品、印染助剂、生物工程、食品等领域。目前，国外研制出的高剪切 均质机基本上采用定转子型结构作为均质头，在电机的高速驱动下，物料在转子 与定子问的狭缝间隙内高速运动，形成湍流，物料在液力剪切、机械剪切、离心 挤压、高速碰撞等综合作用力的协调作用下达到粉碎、分散的均质要求。德国和 美国在高剪切均质机的研究和开发方面走在世界前列，如德国的f l u k o 公司研 制的高剪切乳化机、管线式高剪切乳化机，德国y s t r a l 公司生产的x 4 0 系列 型分散搅拌机，美国r o s s 公司研制的高剪切混合乳化机，美国i k a w e r e k g m h b c o k g 公司生产的多系列分散设备，瑞士n d d a = 1 1 c a 公司生 产的p o l y t o r a n 盘式分散混合机等世界领先高科技产品，相应地国外也出现 了该类均质机的专利【3 】【4 】【5 j 【6 】m 。 国内，高剪切均质机的研究起步晚，发展快。近年来科研人员、相关企业开 江苏大擘硕士学位论文 始重视对该类均质机的研究，国家专利局从9 0 年代中期已陆续接受了一批专利 申请i s l g 1 0 l 【i l 】但企业目前更多是和外商合资生产和仿制，自主开发产品少，缺 乏对均质机理论的深入探讨和理论分析缺乏系统化，使得设计出的产品与国外先 进产品的差距较大。目前合资企业有上海弗鲁克( f l u k o ) 机电有限公司、中 美南通合资r o s s 设备有限公司。国内企业有浙江丰利粉碎设备有限公司，启东 市长江机电有限公司、上海环保设备总厂、上海源声超微粉体技术有限公司、上 海张堰均质机有限公司、上海依凯机械制造有限公司，江苏省锡山市东亚机械制 造有限公司等。 1 4 本课题的研究目的及意义 如前所述，高剪切均质机已广泛应用于许多工业领域产品的粉碎、均化，国 外对该类均质机的研究已有相当长的历史，也取得了很大的进展。但由于技术保 密原因，我们尚未见到过他们的理论研究成果。虽然我国已在这方面取得了一定 的成绩，但还很不系统，缺乏深入的理论研究。随着高剪切均质机的广泛应用， 充分显示出它的重要性和其带来的经济效益。我们加强对它的粉碎、均质效果的 理论研究，更好发挥高剪切均质机在国民经济中的应用具有十分重要的意义。 目前，高剪切均质机的整体结构主要有容器式和泵体式，容器式结构只能问 歇生产，生产能力低，能量利用率差而泵体式结构可置于生产线上连续生产， 提高了生产能力、能量利用率高。高剪切均质机的关键结构就是均质头，均质头 是均质机的执行机构，是一对互相配合的定子和转子，其结构形式主要有；定子 与转子均为梳状结构；转子为叶轮式，定子为梳状或长槽结构；转予为梳状结构， 定予为长槽或斜槽等【1 2 1 1 3 1 。高剪切均质机配有多种不同的均质头，而且有单层 与多层及单级与多级定转子之分，定转子结构形式的不同，会影响均质效果和能 耗。因此，我们必须根据所处理物料的特性及工作条件选取相应的定转子结构， 但这些结构和它的一些主要参数的具体选取，对物料均质过程中均质机理所起的 作用有什么不同，存在着什么关系，均无资料可查，必须要我们自身去进行研究。 目前，高剪切均质机发展的关键技术在于对几何参数、工作参数和流体动力 学参数变化的研究，并在理论上从流体力学、流体动力学、热力学等学科出发进 行系统研究，分析均质过程中流体的压力场、速度场和温度场，探讨流体所受的 剪切和压力作用，得出相关理论，进而推动高剪切均质机的发展但由于各种混 4 江苏大学硕士学位论文 合物特性的多样性，以及流动的复杂性，理论研究往往是在作出一些假设的基础 上进行的，因此必须进行大量的试验研究，比如国外的一些研究公司都有自己的 试验工厂，对各种结构形式不同系列的高剪切均质机进行试验，使设备加以完善。 我国在高剪切均质机方面的研究现状是缺乏系统性研究，迫切需要在深入分 析均质机理的基础上作全面的试验研究，所以本课题的确立是对高剪切均质机研 究的一个补充和进一步深入，研究目的就是对高剪切均质机主要均质机理作全面 系统的分析，并针对我们研究所研制的新型高剪切均质机作理论探讨和试验分 析，以期希望能为高剪切均质机的设计及系统性研究作一点补充。 本课题研究内容就是在对高剪切均质机主要均质机理作系统研究的基础上 结合国内外现有专利技术研制出一种新型高剪切均质机，并针对该新型高剪切均 质机的特殊结构提出其不同于以往其它机型的理论。同时对于该机型用于液一含 纤维湿润固态颗粒物的粉碎进行理论和试验初探。具体研究内容为： 1 ) 利用粘性流体动力学和离心泵叶轮的理论分析该新型高剪切均质机的内 部流场。 2 ) 采用有限元分析软件a n s y s 对该新型高剪切均质机的转子变形作数值仿 真。 3 ) 对新型高剪切均质机用于液一含纤维湿润固态颗粒物的粉碎进行理论和 试验初探。 江苏大学硕士学位论文 在化工、食品等工业中经常遇到的非均相分散体系有液一液相和液一固相两 种，根据使用需要，这些产品要达到高度均一稳定，其均匀度不仅要求分散相分 布均匀，而且要求分散相颗粒微细化，分散相为固体的悬浮液要求固体颗粒微粒 化，含液滴的乳状液要求油滴( 液体颗粒) 微滴化通常意义上的均质指的是混 合和粉碎的统一，但往往和分散、乳化难以区别，故本文统称为均质，固体和液 体颗粒均统一称为颗粒，所以均质是使悬浮液、乳化液体系中分散相颗粒均匀地 分散在连续相中的过程，并同时起到降低分散相颗粒尺度的作用，以得到符合一 定储存稳定性要求的产品。从乳品及饮料的加工工艺上看，均质后的料液基本上 就是最终产品。也有的是把均质操作单元作为湿式粉碎使用，均质后的料液经干 燥处理后提取其中的固体成分。不管均质操作单元用于何种用途，由于均质过程 与料液的流变特性和颗粒的破碎特性密切相关，所以我们必须关注这两个特性。 当把经均质操作单元处理后的料液作为最终产品时还必须关注它的稳定性问题。 2 1 非均质流体的流动特性 非均质分散体系主要是胶体系统和粗分散系统。胶体系统指的是分散相颗粒 尺寸在0 0 0 1 - 0 i 铆尺度的分散系统，而粗分散系统指的是分散相颗粒尺寸大于 o 1 堋的分散系统f 1 4 j 。由于一般悬浮液和乳状液中所含的分散相颗粒粒径都是在 微米级及亚微米级，故属于粗分散系统。因为均质过程与料液的流变特性密切相 关，为了更好的设计、研究均质机，必须首先了解料液的特性。由于有分散相的 存在，粗分散系统料液的流动特性就有它的特殊性。描述粗分散体系料液流动特 性有两种不同的处理方法【i 坷。一种方法是流体动力学的处理方法，就是考虑连续 相的流体力学性质，看连续相具有什么流动模型，然后再考虑分散相对流动模型 的影响。另一种方法是结构网络的处理方法，就是考虑物质结构的影响，这些物 质结构的形成是由于粗分散体系中微粒或溶液大分子之间的相互作用( 吸引或排 斥) 的结果。由于粗分散体系中流体动力和结构力同时存在，应该用两种方法共 同解释其特性，既要用流体动力学的方法解释流体的动力特性以及粘度特性对流 体流动的影响，又要用结构网络的方法解释影响流动特性的结构因素。在研究非 6 江苏大学硕士学位论文 均质流体流动特性时，一般要考虑以下因素：颗粒大小；分散相体积；流体力学 作用力；界面性质 2 1 1 非均质流体的表观粘度 料液的粘性直接影响均质效果，以及均质过程中物料的供送能力和所耗功 率，设计研究均质机必须考虑粘度的影响。粘性是流体内部结构的宏观表现，流 体的粘度是物料的重要指标，非均质流体往往具有非牛顿流体的特性，其粘度不 是常数，用表观粘度作为非均质流体的重要特性，表观粘度与粘度具有同样的量 纲，同样的物理特性在此，我们讨论分散相的浓度对表观粘度的影响。 爱因斯坦应用流体动力学方法，研究了含球状微粒的连续介质流动场的分 布，得出非均质流体的表观粘度随着颗粒的容积分数的上升而增加【15 】【1 6 1 的结论。 其公式为： 。；o ( 1 + 口) ( 2 - 1 ) 式中胁为介质粘度( p o j ) ；口是常数，取2 5 ；妒为微粒的容积分数，用微粒 所占的容积和粗分散系统总容积的比值来表示。上式为爱因斯坦公式，该式可直 接用于完全稀释的粗分散系统，并可表示为如下形式： p o = l o ( 1 + 与 ( 2 2 ) p | g 式中c 为浓度，即单位体积的微粒重量( n m 3 ) ；只为微粒密度( j 强m 3 ) 。对 于非球状微粒，如细小纤维，一旦处于流场中，立即沿着流线排成一行，从而具 有最小的阻力，此时口= 1 。对于其它形状的悬浮微粒可认为处于这两种极端情 况的范围内。这样方程用形状因子修正，即： ，= o ( 1 + 2 5 f = 一) ( 2 3 ) p l g 式中f 为形状因子，f = o 4 l ，对于微细纤维f = o 4 ，球状微粒f = 1 0 。其它 微粒可根据微粒的长径比在o 和1 0 范围内估算。对于液体球，式( 2 - 1 ) 和( 2 2 ) 中的口不再是2 5 ，必须根据粗分散系统的粘度来改变。 对于一般租分散系统，如浓度大于1 情况下，布莱克曼( b r i n k n 瑚) 推导 出相应公式： p o = o ( 1 + ) 2 5 ( 2 - 4 ) 式中符号意义同式( 2 1 ) ，且微粒形状对式( 2 一1 ) 的影响同样适合于式( 2 - 4 ) 。 江苏大学硕士学位论文 粗分散相系统料液的表观粘度随着微粒浓度的增加而增加，浓度很小时，这 种变化呈线性关系，浓度较大时呈非线性关系变化，浓度继续增加，则表观粘度 猛烈增加。以牛顿流体为连续相的悬浮液，自低粘度时呈牛顿性，当浓度增加时， 不仅粘度增加，而且还会发展呈现非牛顿性，剪切应力与速度梯度成非线性，而 成为胀塑性流体、拟塑性流体或理想塑性流体。这样就会使均质过程中不仅供料 能力下降，也会使均质功率增大，也就会相应增大能量消耗。 2 1 2 非均质流体中作用力对流变行为的影响【l 5 】 非均质流体中，每一个微粒都被力场所包围，在系统中主要受到重力、范德华 力和静电力的影响由于这些力作用，就使得微粒之问的碰撞与一般的简单碰撞不 大相同。如同微粒带着足够的动量在一起运动，它们最后就会达到与各种力处于相 互平衡状态的新位置，并且在这个位置上形成了稳定的“对子”，在流动中象哑铃 一样旋转。如果“对子”旋转的平面与流动方向在同一平面上，流体动力分隔微粒 的能力就大：如果旋转的平面与流动方向垂直，流体动力分隔微粒的能力就小。图 2 - 1 表示了非均质流体处于静止时，非均质流体微粒的随机情况，此时，认为微粒 处于平衡的初始状态。如非均质流体受到剪切作用，这时微粒静止时的原有排列状 态就会改变。按照平衡状态的定义，在静止时微粒的排列选取最小的能量位置排列。 当受到剪切力后改变了原有的排列，在这个过程中将消耗掉一部分能量，因此，试 样在某种意义上表现出类似于固体的特性。如果把应力移去，微粒将在新的状态下 恢复排列。分散微粒的排列与原来静止的排列相类似，也是具有最低能量位置，好 像呈现出粘弹性。如果微粒不断地受到剪切作用，微粒将很快地形成“对子”或其 它絮凝团，并开始旋转，使非均质流体的粘度显著上升，剪切应力迅速增大。在剪 切平面上旋转的“对子”比起在垂直平面上旋转的“对子”更有可能被分离，因此， 微粒就会沿着流体运动的方向象筏一样排列，如图2 2 所示 图2 - i 静止状态下悬浮 微粒的随机分布 8 图2 - 2 悬浮微粒在剪切 作用下的捧布 江苏大学硕士学位论文 剪切速率越大，这种趋势就显著，在剪切平面上旋转的微粒凝聚团存在的趋势就 越少。在剪切力的作用下，微粒的存在以引起流动阻力最小为条件。应力一应变 曲线的一般形式如图2 - 3 所示。 ) ， 图2 - 3 剪切开始时瞬时响应曲线 图2 _ 4 非均质流体的剪切稀化现象 随着微粒有规律的排列，应力值逐渐减小，并接近其最小值。如果剪切停止，新 的动力平衡确定之后，微粒将形成具有最小位能的新排列，并且应力也很快松弛。 在非均质流体受到剪切作用时，表观粘度随剪切速率的增加就减小，如图 2 - 4 所示，这就是所谓剪切减粘行为。如上所述，非均质流体的剪切减粘行为或 是由于微粒的变形并与流动顺向，或是由于增加的剪切应力使结合较弱的微粒微 团破碎并随之而减小了有效相体积剪切减粘行为称为剪切稀化现象，这个现象 将有利于料液的均质当然，也有非均质流体随着剪切速率的提高其表观粘度增 加的胀塑性流体，总之，由于待均质物料的多样性，不同物料有不同的流变行为。 所以均质过程非常复杂。 2 2 颗粒的变形和破裂 不管是把均质操作单元用于获得最终产品还是用于湿式粉碎以提取料液中 的固体成分，均质操作单元的本质是颗粒的破碎。所以我们有必要分析探讨均质 过程中颗粒的变形和破裂的基本机理。要使分散相颗粒破裂，必须对颗粒表面提 供足够的外来能量，在此能量作用下颗粒发生变形，当变形力超过使颗粒维持原 状的界面张力或强度极限时，颗粒就会破裂。 在液一液相分散系中，有关液滴的变形和破裂的基本原理有过许多研究，研 究表明，液滴的变形、破裂及流体力学的稳定性，主要取决与无因次韦伯准数耽， 以及分散相粘度与连续相粘度之比r ，韦伯准数耽是变形应力似，) 与拉普拉斯 江苏大学硕士学位论文 恢复应力禹之比，t l 1 1 q ： w e ：l s y d ( 2 5 ) 其中，是剪切速率，是界面张力，d 为液滴直径。液滴在流体力作用下会发生 变形，其变形程度与韦伯准数成比例。 液一液相分散系中的分散相颗粒直接受到剪切力和压力的作用，在层流流动 中，分散相液滴所受到的应力可分为切向应力和法向应力切向应力趋向于粒子 发生剪切变形，并引起它的旋转，法向应力则产生粒子内部和外部的压差圪。 当速度梯度不大时，液滴在此压差作用下发生变形，但不破裂，而靠界面张力保 持在一起。另一方面，界面张力本身又产生一个界面两侧的压差己，对于未变 形球状液滴，吧= 4 仃，d ，对于变形非球状液滴，嵋= 仃嚎+ 寺，蜀 r 2 为曲面上某两点的曲率半径。当速度梯度相当大时，致使圪 巴，便使液滴破 裂。分散相颗粒在层流状态下，剪切应力f 与剪切速率，的关系为： f = z y ( 2 6 ) 变形情况可用剪切应力f 和界面张力盯与韦伯准数耽之间的函数关系式表达， 即： w e ：里 ( 2 7 ) 在湍流状态下，流体场迅速变化，且存在着分散相和连续相之间的相互作用， 如由于分散相对连续相湍流的阻尼作用，使其脉动强度降低，流动场中流动相当 复杂，为简化起见，在假定湍流是均匀各向同性的基础上，认为液滴的破裂由湍 流脉动所致，在这种情况下，液滴受到的粘性剪切力可忽略。若两相粘度和密度 相差不大，则液滴表面将发生振动，其形状相对于平衡的球状而发生变化，变化 足够大时，液滴就不稳定，破裂成两个或更多的小液滴，条件是液滴振动的动能 足以提供破裂后增加的表面能。液滴振动的动能假定比例于p “d ，表面能的最 小增量是耐2 ，此时两者的比值就是韦伯准数，即： i o 江苏大学硕士学位论文 w e ：p u a d ( 2 8 ) 其中甜为脉动速度均方值，p “为湍流张力( 又称雷诺应力) ，其大小代表了湍 流强度。与式( 2 7 ) 比较可得，湍流状态下的剪切作用由液体内湍流强度决定。 h i n z e 研究指出1 嘲，液滴破裂存在一个临界韦伯准数，该韦伯准数是r 的函 数。当在应力作用下的韦伯准数小于临界韦伯准数时，则液滴变形，当在应力作 用下的韦伯准数大于临界韦伯准数时，则液滴破裂。 在液一固相分散系中，悬浮的固体颗粒在液体中也会受到类似的应力作用， 当这类应力超过了使固体维持其完整性的强度极限时，粒子便发生变形、破碎。 但若固体颗粒的强度极限较高，完全靠液力作用，则很难破碎，并且有一些固体 颗粒，如纤维材料，则更难靠完全的液力剪切作用，所以，要有好的均质效果， 则应该增加机械剪切力作用。 2 3 粗分散系统的稳定性( 分层) 理论 不稳定的非均质流体料液在静止状态会发生絮凝，并由于重力作用而很快分 层，当把经均质操作单元处理后的料液作为最终产品时，均质的目的就是要保证 产品在有效期内抗絮凝，防止分层，维持分散相颗粒均匀分布，提高产品的稳定 性。 在粗分散系统中，由于分散相颗粒粒径大于0 1u m 。所以静态下可以忽略布 朗运动效应，由于分散相颗粒达不到胶体状态，并且两相存在密度差，那么迟早 会出现分层现象，分层是分散相在外力( 重力和离心力) 作用下在分散介质中上 浮或下沉的结果。静态下，根据斯托克斯( s t o k e s ) 公式确定重力作用下分散相 球形颗粒的沉降速度【1 1 1 2 1 为： 矿= 警 9 ) 式中见一p 为分散相与连续相的密度差；g 为重力加速度；d 为分散相颗粒直径； 为连续相的粘度。如果分散相颗粒的密度比连续相密度大，颗粒下沉，速度矿 为正值，反之，颗粒上浮，速度为负值。沉降速度大，物料易分层要保持体系 稳定，必须降低沉降速度，对于特定物料可以通过减小分散相颗粒直径d ，也可 通过加入稳定剂使连续相的粘度增加。来使体系分层的速度减慢。 江苏大学硕士学位论文 从以上分析可以看出，要提高粗分散系统的稳定性。分散相颗粒尽量减小， 但应该指出，随着颗粒粒径的减小，虽然由重力引起的分离作用变为次要，但由 于颗粒问距的减小，颗粒问的短程力范德华力起重要作用。有可能造成颗粒絮凝 而造成颗粒沉降。所以说，均质就是根据物料的特点，减小分散相颗粒的粒度， 使其分布于一个较窄的范围内，并达到吸力与斥力的平衡，从而保证体系的稳定。 江苏大学硕士学位论文 高剪切均质机是在传统的混合机上发展起来的，由于其独特的均质粉碎机 理，与混合机相比它的分散相颗粒更细，分散更均匀。该机除了能处理传统的液 一液相料液外，还能处理包含固体颗粒( 含纤维) 的料液，这就解决了高压均质 机难以处理含固体颗粒料液的难题，并且由于其操作简单，体积小、能耗小、压 力低等优点而有逐步取代高压均质机的趋势，能够满足一定液一液相料液的均 质、混合、乳化要求。由于其能粉碎纤维材料，故也可以用作粉碎纤维材料的湿 式粉碎机。当然，目前的高剪切均质机只能取代一定压力下的高压均质机，也就 是说目前用高剪切均质机对液一液相料液均质还有待进一步改善，这就需要我们 对高剪切均质机的主要均质机理作全面系统的分析，对影响均质效果的结构参 数、工作参数和物料特性参数作出定性的结论，从而为高剪切均质机的改进和新 型高剪切均质机的设计提供理论依据。 目前高剪切均质机公认的均质机理是在电机的高速驱动下 ( 3 0 0 0 - 1 0 0 0 0 r r a i n ) ，转子高速旋转，产生很大的离心力，使被处理的物料受到 两个方面的作用力：迫使它通过槽道的正作用力和阻止它通过的阻力。高速反复 进行这一过程。必然产生高频率的压力波。同时，被处理物料从槽道中喷出时， 还受到槽道的剪切作用，以及由定转子相对运动而产生的旋转剪切力。 综上所述，被处理物料在高频压力波的作用下产生反复的压缩效应，同时又 受到槽道的剪切力和回旋剪切力的强烈作用，如此综合作用，被处理的物料产生 强烈的分散、乳化和粉碎作用。 3 1 液力剪切 剪切是颗粒破碎的机理之一。高速流动的流体本身会对流体内部粒子产生强大 的剪切力作用，除此也有人认为产生均质作用的是高速流动所产生的剧烈的微湍流， 而在湍流的边缘出现更大的局部梯度，处于这种局部速度梯度下的粒子会因受剪切 而微粒化。当高剪切均质机的定转子间隙为j ，转子转向切速度为“，剪切速率，( 即 速度梯度) ，假设物料在层流情况下流动，反映层流效应，根据牛顿粘性定律可得： 江苏大学硕士学位论文 甜 ，2 否 流体内所受剪切力： ( 3 1 ) f = ， ( 3 - 2 ) 式中：f 为剪切应力；a 为动力粘度 由式( 3 1 ) 和式( 3 - 2 ) 可得到牛顿型流体受到的剪切应力f ： f = 等( 3 - 3 ) 从式( 3 3 ) 中可知：流体受到剪切应力随着混合物粘度的增加，转子转向 切速度的增加以及定转子间隙的减小而增大。对于非牛顿型流体，由于流动的复 杂多变性，使得混合物所受的剪切力r 与由剪切力产生的剪切速率y 之问的关 系比较复杂，一般使用表观粘度以： a 。；三 ( 3 4 ) d = 一 l j 4j ， 相应可得到剪切应力f ； f = 儿( 竺) 一 ( 0 0 1 )( 3 5 ) 伸儿【_ ) ， 硼 1 巧 指数月取( o 丹 盂。，则流体就属于湍流流动，若见 丑。，流体就属 于层流流动。对于高粘度流体，一般均处于层流状态，而对于非均相流体，除高粘度 流体外大多是处于湍流状态，而且湍流运动要比层流运动的流动现象复杂的多。 雷诺数是用来度量惯性力和粘性内摩擦力的相互关系准则数，大雷诺数下的 运动中惯性力远大于粘性力的影响，但是否可以忽略粘性项，普朗特( p r a n d t l ) 在二十世纪初提出的边界层理论解释了这一问题【1 9 i 2 0 l 。他认为流体粘性的影响 仅限于固体壁附近的薄层，即边界层中边界层很薄，沿壁面法向流体的速度由 壁面处的零速度变化为来流速度，故边界层内存在很大的法向速度梯度，粘性切 应力较大在边界层以外，沿流动方向速度基本不变，法向速度梯度近似为零， 可以忽略粘性力，流体可以看成是理想的。 根据边界层理论，边界层厚度取决于惯性与粘性作用之间的关系，即取决于 雷诺数的数值，雷诺数越大，惯性力越大，边界层越薄；反之，随着粘性作用的 增长，边界层就变厚。图3 - 2 和图3 3 分别表明了槽道流中完全层流边界层和完 全湍流边界层的流动状态，虚线表示边界层厚度的变化。当充分发展后流动为层 流时，不管来流是湍流还是层流，边界层中的流动通常是层流，进口段约为流道 宽的8 0 1 0 0 倍。当充分发展后流动为湍流时，如流道进口形状突变。边界层开 始就是湍流边界层，进口段长约为流道宽的2 5 4 0 倍，如来流为湍流，这种过 1 5 江苏大学硕士学位论文 渡更快。进口段流动方向边界层逐渐变厚，势流核心区逐渐减小，横向截面上的 速分布呈不同形状，而后。速度分布不再变化，流动充分发展，边界层充满流道 如上所述，要使进口段短，流动发展快，使流体尽早完全处于边界层内受到剪切 作用，流道宽应尽量小，且来流尽量为湍流。另外，流体通过的边界层面积尽量 大，使流体能在足够多的边界层内受到剪切。 图3 - 2 槽道完全层流边界层 图3 - 3 槽道完全湍流边界层 3 1 2 层流剪切 当料液属于高粘度或槽道宽度较小时往往处于层流状态，层流状态下分散褶 颗粒会随着速度梯度增大而越易破裂。下面分别就高剪切均质机中料液所受到的 回旋剪切和槽道剪切两种情况进行分析。 3 1 2 1 回旋层漉剪切 图3 - 4 两同心旋转圆筒阃的流动 1 6 ， 江苏 垄兰堡主兰 堡垒墨 高剪切均质机的定子和转子之间的相互关系可以简化为两圆筒之间的旋转 流。设内圆筒半径为，l ，并以劬角速度旋转，而外圆筒的半径为，2 ，以吐的角 速度旋转，间隙内流体存在速度梯度。从而产生剪切力。柱坐标下的不可压缩流 体的连续性方程和奈维一斯托克斯方程( n a v i e r - s t o k e s ) f 1 9 】为： 0 u , + 三垦堕+ 旦坠+ 生：0 ( 3 - 7 ) a rra 8 a z r p 学m 等+ 等等饥警一事 。， = 肛一考+ c 等+ 吾等+ 专等+ 等专等一 高剪切均质机由于转子转速很高，间隙内流体的重力相对于惯性离心力可以忽略 不计，故； “，= “：= 0 u 口= u 8 ( r ) p = p c r ) 因此式( 3 - 8 ) 和( 3 - 9 ) 可简化为： 字：户生 ( 3 - 1 1 ) 争弓警一= 。 b 由r 由r | 边界条件为： ，2 2 r , c o l r = 吃 封口2 ，2 吃 积分式( 3 1 2 ) ，即得： 驴肿詈 ( 3 - 1 3 ) 1 7 监铲争辔争荡移等争 栅三， 学厩 争俦 饥丝务鬟絮 江苏大学硕士学位论文 扣学 一0 纛z 吒：b 。鱼竿2 缉尘 铲熊铲 = 謦一等弓 钟rr 铂。净c y 一净一错 b ， f 一一t 。p 当外圆筒为定子情况下，即印：= o ，如图3 - 5 ( a ) 所示，则最大剪应力 f 一i 一发 i t r o 一甜i i 。= 辫 ( 3 - 1 8 ) 当内圆筒为定子情况下，b pc o t = o ，如图3 - 5 ( b ) 所示，则最大剪应力i 铂l 。发 t r o i 一制犷络 ( 3 - 1 9 ) 五莲彩心上。 吣鼎、吣淼 飞 ( a ) ( b ) 图3 - 5 定转子间隙间的流体速度分布 由于高剪