内外单螺带—锚搅拌槽中粘弹性流体的流速分布和混合时间.docx

1、第1期革23卷1989年1月浙江大学学报JournalofZhejiangUniversityNP1,Vol.23January,1989内外单螺带一锚搅拌槽中粘弹性流体的流速分布和混合时间*王凯朱秀林潘祖仁(化工至提要r-.1本义用照相法浏定了由外堕螺带锚搅拌糖中祛拈牛顿流体浴枯弹忏流年的麻速分在.玲示降粒子法和脱色法分？!测定了谓环时I巩口河合时间，结聚戈叫，(2在低Re数下，对于同一转速，桃弹性，布休的可向速旧大丁牛况而体，而的同谤必如小于牛鼓制轧.(2)在槽中的础何&两种流体的盼叨丁布相莞不火，而沥。应的勃切齐和全-予均明胡率苏是粘弹性流体的大。().枯弹性铳体的隹合低间NT,M和循环

2、流玷Ng与中顿如、和田*体观始仆别仲倍和降低70%右左。.，一关键伺：速混合时间，搅热哪成k流体.0弓I言-.f搅拌槽内液体运动速度与更切率分布是.揽拌理治深、发展的基础对掌握横中流体的混合、传热以及传质特性有若重要的作用。以荏石美搅拌杖中流体女理研究绝大多数是针对搅井功率消耗、混合和循环时间，im对流速分布的研究只有少离机函|七本文用照相法测定内外单螺带-铺挽拌糟内的流速分布，比较了高粘牛瓠流代和粘评性流体在速度分布和约切车分布方而的艺，时Mszner常数匕和特性公数C,逃亍丁讨论c1.实验装置和测试方法流述溺定我置如图1所示。指杵槽是内径为】88毫米的有机玻璃营，槽底为遂明的平底。措四周为

3、正方形有机玻落夹套，内蒸水汶降低槽曲本弓起的光学失典。桨叶的结构和尺寸如图3所示。采用密度为1.0克/厘米七平均粒径为0.5和1蜜米的聚苯乙炀粒子作沅厅粒子。专顿巫您为甘油与透明液体葡荷糖的混台物，粘曳在七9Pas之间。粘弹性流体为聚丙烯*自公厂学F令：助顶I*刘将、艾沂、周晓安?加了并分加3工作，矢:研朴如匕力女川火；*甲i在文土987年&月Z3日收到.：；18浙：*大学学报weremeasuredusingadecolorationtechniqueandcirculationtimesweredeferm-inedbythetracerbeadmethod.Itwasfoundthat(

4、1)InthelowRe*numberregime,themagnitudeofthetangentialvelocityisgreaterandtheaxialvelocityissmallerfortheviscoelasticfluidincompartsionwithNewtonianfluidfortherotationalspeedofthe!mpeller(2)Theshearratedistributionissimilarfortwofluidsinthfclowshearrateregime,buttheshearrateinthehighshearrateregimean

5、daverageoneoverthevesselforthevescoelasticfluidaregreater；(3)ThemixigtimejVTjforvescoelasticfluidisabouttwotimeslongerandthecirculationcapacityNq,is70%lowerthanthoseofNewtonianandpseudopiasticfluidsrespectively.Keywords：Velocity,Mixingtime,Agitation,Viscoelasticfluid,浙10图21一浆叶：3同步落相切及接收折:5-狭缱光面：7信号发

6、射机流速测定装置2袖剖画用相机:4一揽拌将：6北派：图2粒子轨迹分解图3内外他螺带一锚酰胺(P4A)水溶液，用日本产RPX705型流变仪测定粘度和第一法向应力差函数，因4；是一样品(PAA-3)测定结果，用幕律模型得到：=(f,1rlt)/y1=187.2y_1(1)饥=133.5；(2)在暗室中进行拍摄，示踪粒子在狭缝光面(光面厚度为35毫米)内反光，运动轨迹在底片上感光。底部照相机(NIKONF3)随携拌轴同步转动，快门由信号发射机控制，自动卷片机可进行连续拍摄。图2那样的粒子轨迹经放大后用式(3)计算各速度分最：U.=2r/d-S(mZUM|u=L，/We)?体,速度分布曲线的形状比较平

7、坦，而粘弹性流体则受外叶片的影响较大，峰值点离槽壁较近。图7比较了相同转速下两种流体的切向速度分布，从图7中可见，粘弹性流体的速度逾大于牛顿流体，速度分布的峰值点也比牛顿流体的离槽壁近，这表明粘弹性流体在壁面附近受到的用切变形较大。由水平断面照片提供的信息还表明，在低Re数下（ReVIO），流体的径向流动较弱（除液面和槽底风域外）。图8、9是两种流体的时均轴向速度分布，转速为40rpm,g和b是互柘垂直的两个轴向断面。从图8、9中可见，两神流体的图8,纳向速度沪布（摘浆Re=6.6）图8,纳向速度沪布（摘浆Re=6.6）r/R召9轴肉速度分布（PAA）,N=40rpn轴向速度分布是相似的，但牛

8、顿流体的铀向速度大。且两种流体的轴向速度都大大地小于其切向速度。制向速度分布也是随径向位置和轴向.位置的不同而变化的。内外单螺带-锚的流型类似于双螺带，流体在外叶片的乘送用下，.沿槽壁螺旋状上升至液面，在槽中心，内叶片又把流体向下系送，流体经槽底流向液面形成全槽范围内的循环流动。在流体全槽上下流动时形成类似同心园管的环管，上下流的流通面积大体上相等，在上下流的交界面上存在着抽向速度等于零的滞流点，这在脱色法测混合时间时亦观察到【由时均轴向速度分布可以计算循环流匡*第！期王凯号，内外单螺带-锚搅捽柚中粘绊姓流体的流速分布和混合时间43=-2RzVtipfu,(r*)dr*,(f)Jz?，、4和，

9、？分别是槽壁、轴和上下流交界点半径位置。无因次循环流量N。为：NQ=Q/Nd，(5)另一方面，本文用单个悬浮粒子法测量了循环时间八进行比软，Nq0=Q/Nd3V/Ntods(6)结果如去1所示。牛顿流体的轴向循坏流量要大于粘弹性流体。1流体|NQ1N”0.05010.0444PAA-30.02871/2.2黄切率定常甄切流动中，剪切率；与变形率张量有下列关系：；=匕),(7)4y=VV+vV,(8)T债环流量比敦血化转速rpmC；3：r；如13.5832.90.8616014,2434.20.8568013.5932.20.8521如18.7354.630.903PAA-36018.3853.

10、590.9038019.1254.860.9衰2特性C*和K&C3=/Pv/n/N=16,K,=28.1(2)市发示由逆区分布得到的散值,由速度分布可以求得野切率分布。图10、11是两种流体各个角度下的豹切率分布曲线，各个角度的分布是不相同的。在外叶片的前后区域如y大于内叶片的前后区域的；。外叶片所在史范围内y最大o槽壁处的y大于槽中心域。图12比较了两种流体的角度平均化豹切率.?0分布，晶七Te”,3.从图12中可以看到，槽中阴显地存在着两个不同的剪切率区，即槽中心区域的低勇切区和叶片与芝壁之可的高奸切率区。在低明切率区，兀基本上不随(”R)的不同而变化，而高乾切率区据与匕乎成击.线美瓦比较

11、两种流体的分布曲线可以发现，在低期切率区，两种流体的分布相照不人企高讷切本区，粘并性流体的的均率较大。由下工I.趴分可以得到表征全槽平均熟切率大小的特性参数:44斯沮大学学报计算结果列于表2中，由功率测定得到的C,为16”堂表2中的数据衣明粘弹性流体的平均弱切率大于牛顿流体，这与粘弹性流体的功率消耗大于午顿流体的测定结果是一致的【”。由图12还可以求得表征高弗切率区平均剪切率大小的特性参数K：3：（亦称为Metzner常数）5图1国圮车r介布小=60rpmj（3见图5）PAA式中”满足，-V=V9M)X*所十算结果也列于表2中。川于非舞性流体由速度勺布平到的K：与华F搅拌功率测量得到的K,丝是

12、比较枝近的粘弹世流体的K?较大，这与粘弹隹立体通常具有较强的豹切稀化吊1两I王饥沉内，卜|；坪帝-仲宅井情中拈弹，性汇体的汇速兮市和混合叶问45T特性和弹性有关，尤其流体的弭注他切向速度显著增大，从而使K?增大。从两种流体的y：值比较可以发现，兰于枯弹性流体，至槽中位于高明切区内的流体体积小于牛板流体。无因次角度平均可切率抑分布随转速变化的怙况如图13、14所示，三个转速下的分布基本相同.这表明在低Re*数下y?分布与转速的关系不大，C：和K?近俏为一常数。图12简度平均敦切率分布*图13n与转速的关系（渔幻图M:与转速的关系（PAA）文敝门CMCn=0.S40.7K=0.8S9Pa,s糟我n

13、=lK=0.0S24PasnPAAn=0.46K=3,47Vi=4,53/9】“四拓如尸体NT*与Re的美泵在层流域，浦粘流派的混合主耍奈桨叶的炎切作川不断地使流体微元细分诺，通过流体3,混合时间三种流体的混合时间测定结果如图15所示其中糖浆和CMC溶液U厂无旧次理肉VL叶器哩度，m-s-1V装液体积，m3；、；典切率和全槽平均乾切率，S-J、见一角卖平均引面乾切区平灼到切率，S-1，；一无&次取切率（L/N）a表我粘度，Pa-9。一角*：相，度4一第一决向应力差系数，Pa-SJVV速度梯度张St；一空形率张量t下牌W精S轴可一高弟料区第1M王凯孕：内外R场帝-尚觉中情中拈萍英浇伏的.充泣分市

14、和混合时网J7参考文献1 Peters,D.C.&Smith,J.M.,Trans.Instn.Cbem.Engrs.,1967;45：T3602 Carrtau,P.J.Patterson,I,&Yap,C.,Y.Cztn.J,Chem,Eng.,197o;54:135Murakami,Y.rFujimoto,K.Shiniada,T.rYamada,A.&Asano：K.,J.Chem.Eng.JaP.,1972;5:297,3 金弯林.秋安，希步牝王网.匚束橡,汶工此，Z必；7(4仁2555朱雪株，王沉，潜祖仁锚犬枪拌遗中玛粘中顿志体的花速分布史匕此X，化丁宇技，1988(39(2)：1706同上，绑指我叶片粘井性，希洋巾的捽J衬惜祸出(1987)7十”“高帖废花梅左作技“，氾？WjVH.，尚7”上论文.(网5)VelocityDistributionandMixingTimefortheFlowofHighlyViscoelasticFluidsintheAgitafedVesselwiththeInnerandOuterHelicalRibboifAnchorImpellerWangKaiZhuXiulinPanZureii(DepartmentofChemicalEnignceringlABSTRACTThevelocitydistributionwasobta