粘性固-液体系下同心双轴搅拌器微观混合特性的实验研究

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混合状况是釜式搅拌反应器的一个关键指标。根据研究尺度的不同,通常将搅拌混合过程分为宏观混合、介观混合以及微观混合等三个层次,其中微观混合对于化工生产中涉及固-液两相的快速反应过程(如沉淀反应、结晶反应、聚合反应)具有重要影响,直接决定了产品的转化率、平均粒径及粒径分布等性质。然而迄今为止仅少数学者探寻了悬浮颗粒对于微观混合的影响,且获得的结论并不完全一致;此外,由于前人并未考虑到某些复杂反应体系还涉及到粘度的变化,故其所采用的搅拌器多为适用于清水体系的传统单轴搅拌器,而对于在工业生产中越来越受到重视的宽粘度适应性同心双轴搅拌器的微观混合性能研究甚少。因此,考察此类搅拌器的微观混合性能尤为必要,其有望为提高工业生产中的微观混合效率提供一条新途径。本文在粘性固-液体系(75~300m Pa·s)中研究了同心双轴搅拌器的微观混合特性,借助碘化物-碘酸盐表征反应体系考察了进料时间及H+浓度、固相吸附作用、进料位置、转动模式、外桨功率、内桨桨型、内桨直径、固含率、固相粒径及液相粘度等因素对离集指数的影响,结果表明选用浓度为2mol/L的H+较为合适,且在进料时间为480s时能够排除宏观及介观混合的干扰;固相玻璃微珠不存在对产物的吸附作用;在桨叶区进料更有利于微观混合的进行;外桨的转动能显著改善微观混合的效果,且能令固-液体系以较低的功耗达到临界离底悬浮状态,但持续增大外桨转速对进一步提高微观混合效率的作用有限,且容易造成表面吸气从而不利于表征体系工作;同转模式相比于反转模式显得更为经济高效,且更利于颗粒的悬浮;六斜叶桨(45°)PBT相较于六直叶涡轮桨RT更适合作为内桨;桨径比为0.35~0.42的内桨呈现出较优的微观混合性能;780μm的颗粒在固含率为0.5vol%~1vol%时使得微观混合性能略有改善,但随着固含率进一步增大并形成“固相云”时,在“云”上方的清液层内进料将导致微观混合显著恶化;170μm的颗粒在本文所研究的浓度范围(0.5vol%~8vol%)内均表现出湍动抑制的性质;1013μm的颗粒在浓度为0.5vol%~2vol%表现出湍动增强的性质并使得离集指数稍有减小,但当固含率超过2vol%时其同样导致微观混合效率降低;液相粘度增大会造成微观混合性能持续恶化。基于实验结果和Buckingham的π定理,通过因次分析法和多元线性回归法建立了离集指数的工程计算模型。该模型经验证能够就Anchor+PBT组合在粘性固-液体系中的微观混合性能给出较为可靠的定性评估,为此类搅拌器在微观混合领域的应用提供了一定参考。
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