气液混合器专题

混合器:混合与分散理论


一、混合机
混合的定义:混合是一种操作,是一个过程,是一种趋向于减少混合物非均匀性的操作,是在整个系统的全部体积内各组分在其基本单元没有本质变化的情况下的细化和分布过程。

    1、扩散
    混合中组分非均匀性的减少和组分的细化是通过各组分的物理运动来完成的。按照Erodkey混合理论,混合涉及到三种扩散的基本运动形式,即分子扩散、涡流扩散和体积扩散。
(1)分子扩散。是由浓度梯度驱使自发地发生的一种过程,各组分的微粒子由浓度较大的区域迁移到浓度较小的区域,从而达到各处组分的均化。分子扩散在气体和低粘度液体中占支配地位。在气体与气体之间的混合,分子扩散能较快地、自发地进行。在液体与液体或液体与固体间的混合,分子扩散作用也较显著(虽然比气相扩散慢得多)。但在固体与固体间,分子扩散极慢,因此聚合物熔体与熔体的混合不是靠分子扩散来实现的,但若参与混合的组分之一是低分子物(如抗氧剂、发泡剂、颜料等),则分子扩散可能也是一个重要因素。
(用课件插图,加入了高粘度高分子熔体的扩散与分散)
(2)涡流扩散,即素流扩散。在化工过程中,流体的混合一般是靠系统内产生紊流来实现的,但在聚合物加工中,由于物料的运动速度达不到紊流,而且粘度又高,故很少发生涡流分散。要实现紊流,熔体的流速要很高,势必要对聚合物施加极高的剪切速率,但这是有害的,会造成聚合物的降解,因而是不允许的。
(3)体积扩散,即对流混合。是指流体质点、液滴或固体粒子由系统的一个空间位置向另一空间位置的运动,两种或多种组分在相互占有的空间内发生运动,以期达到各组分的均匀分布。在聚合物加工中,这种混合占支配地位。
对流混合通过两种机理发生:
一种叫体积对流混合,通过塞流对物料进行体积重新排列,而不需要物料连续变形,这种重复的重新排列可以是无规的,也可以是有序的。(可发生在固体物料间,或液体物料间)
另一种叫层流对流混合,层流对流混合是通过层流而使物料变形,它发生在熔体之间的混合,在固体粒子之间的混合不会发生层流混合。层流混合中,物料要受到剪切、伸长(拉伸)和挤压(捏合)。

2、混合过程要素
混合的目的:就是使原来两种或两种以上各自均匀分散的物料从一种物料按照可接受的概率分布到另一种物料中去,以便得到组成均匀的混合物。
然而,在没有分子扩散和分子运动的情况下,为了达到所需的概率分布,混合问题就变为一种物料发生形变和重新分布的问题,而且如果最终物料颗粒之间不是互相孤立的,分散的颗粒就有一种凝聚的趋势。因此,要混合分散得好,必须要有外加的作用力(剪切力)来克服颗粒分散后所发生的凝聚。
物料分散的关键:是需要外加的作用力(主要是剪切力),使物料发生形变和重新分布,并克服颗粒凝聚。
粘性流体的混合要素:剪切、分流和位置交换。
按分散体系的流变特性,混炼操作可分为:搅拌、混合和混炼。
混炼的三要素:压缩、剪切和分配置换,整个混炼分散操作是由这三要素多方面反复地进行完成的。
混炼三要素
P-压缩;S-剪切;D-置换
混炼三要素的关系:“分布”由“置换”来完成,“剪切”为进行“置换”起辅助作用,“压缩”则是提高物料的密度,为提高“剪切”作用速率而起辅助作用。

分散混合过程是—个动态平衡过程,在—定的剪切应力场作用下,分能相不断破碎,在分子热运动下又重新集聚,达到平衡后,分散相才将到该条件下的平衡粒径。
分散过程示意图
在聚合物混合过程中,混合机理:包括“剪切”、“分流、合并和置换”、“挤压(压缩)”“拉伸”、“集聚”诸作用,而这些作用并非在每一混合过程中等程度地出现,它们的出现及其占有的地位因混合最终目的、物料的状态、温度、压力、速度等的不同而不同。

(1)剪切。剪切在高粘度分散相的混炼操作中是最重要的,也是“分散混炼三要素”中最重要的。
剪切有介于两块平行板问的物料由于板的平行运动而使物料内部产生永久变形的“粘性剪切”,
也有刀具切割物料的“分割剪切”,
也有由以上两种剪切合成的如石磨磨碎东西时的“磨碎剪切”。
剪切的作用是把高粘度分散相的粒子或凝聚体分散于其他分散介质中。

高分子材料在挤出机内的混合过程主要是靠剪切作用来达到的,螺杆旋转时物料在螺槽和料筒间所受到的剪切作用,可以设想为在二个无限长的平行板之间进行。

在两个无限长的平行板间流体和粒子之间剪切混合示意图(黑色方块代表粒子)

  利用剪切力的混合作用,特别适用于塑性物料、因为塑性物料的粘度大,流动性差,又不能粉碎以增加分散程度。应用剪切作用时,由于两个剪切力的距离一般总是很小的,因此物料在变形过程中,就能很均匀地被分散在整个物料中。
提高剪切混合效果的因素:
提高剪切速率,混合效果提高;
改变剪切方向,混合效果提高。
在混合过程中,水平方向的作用力仅使物料在自身的平面(层)流动;如果作用力F与平面具有一定角度,则在垂直方向产生分力,则能造成层与层间的物料流动,从而大大增强了混合效果。故在生产中最好能不断作90度角度的改变,即使物料能连续承受互为90度角度的两个方向剪切力的交替作用,以提高混合效果。通常在物料混炼中,主要不是直接改变剪切力的方向,而是变换物料的受力位置来达到这一日的。例如在双辊开炼机混炼时,就是通过机械或人力翻动的办法来不断改变物料的受力位置,从而更快更好地完成混合。


(2)分流、合并和置换。利用器壁,对流动进行分流,即在流体的流道中设置突起状或隔板状的剪切片,进行分流。
分流后,有的在流动下游再合并为原状态,
有的在各分流束内引起循环流动后再合并,
有的在各分流束进行相对位置交换(置换)后再合并,
还有以上几种过程一起作用的情况。

(3)挤压(压缩)。如果物料在承受剪切前先经受压缩,使物料密度提高,这样剪切时剪应力作用大,可提高剪切效率。而且当物料被压缩时,物料内部会发生流动,产生由于压缩引起的流动剪切。这种压缩作用发生在密炼机的转子突棱侧壁和室壁之间,也发生在两辊开炼机的两个辊隙之间。在挤出机中,由于螺槽由加料段到均化段,其深度是由深变法的,因而对松散的固体物料进行了压缩,该压缩有利于固体输送,有利于传热熔融,也有利于物料受到剪切。

挤压(压缩)
(4)拉伸。拉伸可以使物料产生变形,减少料层厚度,增加界面,有利于混合。
(5)聚集。已破碎的分散相在热运动和微粒间相互吸引力的作用下,重新聚集在一起。
对分散的粒度和分布来说,这是混合的逆过程。

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