式中K為功率準數,它是攪拌雷諾數Rej(Rej=d2Nρ/μ)的函數;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的函數關系可由實驗測定,將這函數關系繪成曲線,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功率。
從攪拌器功率的概念出發,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,如攪拌器的型式、槳葉直徑和寬度、槳葉的傾角、槳葉數量、攪拌器的轉速等。
② 攪拌槽的結構參數,如攪拌槽內徑和高度、有無擋板或導流筒、擋板的寬度和數量、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,Fr)
式中Np——功率準數;Fr——弗魯德數,Fr=N2dj/g;P——攪拌功率W。
雷諾數反映了流體慣性力與粘滯力之比,而弗魯德數反映了流體慣性力與重力之比。實驗表明,除了在Re﹥300的過渡流狀態時,Fr數對攪拌功率都沒有影響。即使在Re﹥300的過渡流狀態,Fr數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表示成雷諾數的函數,而不考慮弗魯德數的影響。
由于在雷諾數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,然后測出功率準數與雷諾數的關系。由此可以看到,從實驗得到的所有功率準數與雷諾數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,功率準數與雷諾數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,提高反應產率。
攪拌在工業生產中的應用有:
① 氣泡在液體中的分散,如空氣分散于發酵液中,以提供發酵過程所需的氧;
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量,加大循環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,物系越易于達到穩定的分散;粘度越大越不利于形成良好的循環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,在流動狀態和功率消耗方面都有一些特殊的規律。攪拌槽內流體流動參數的測量,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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