1.2.3　高剪切混合器

高剪切混合器的典型代表是转子⁃定子混合器(rotor⁃stator mixer,RS,图1.21),用于固⁃液、气⁃液及不同黏度的液⁃液物料进行搅拌、混合、分散,已广泛在化工、生化及食品加工等行业中应用。它利用转子高速旋转(线速度达10~50m/s),在定子与转子间的狭窄间隙(常小于1mm)中产生极强的剪切作用(高达104~105s-1),使单相或混合物料在通过此间隙时经受强烈的剪切,并伴生与固体壁面的撞击、湍流和空化等综合作用,而达到混合的目的。其单位工作体积的能耗极高,远大于普通搅拌槽所能达到的水平。根据混合和剪切破碎的要求,转子⁃定子组件可以多级串联使用。

定子和转子上的通道可以为直槽、后弯槽或前弯槽,也可以为圆孔或长圆孔,还可以为柱销,其形状可以为圆形、椭圆形、正方形、长方形、三角形或菱形(图1.22)。定子和转子可以有多层同心环,交错放置,形成多级式结构。高剪切混合器(RS) 按工艺流程的需要,既可批式操作,作为间歇式设备(BRS),也可装置在管线上作为连续式设备(CRS)。对混合和相间传质来说,转子⁃定子混合器内的转子层数对其效能的影响自然十分显著(林海霞,2007)。

图1.21　转子⁃定子混合器(RS)结构示意图

图1.22　定子和转子结构示意图(董强,2007)

高剪切混合器的性能可以用无量纲的雷诺数(Re=ρND2/μ)和功率数[Po=P/(ρN3D5)]来刻画。这两个参数直接影响着它的分散/混合(mixing/dispersion)性能。Calabrese RV(2002) 对在线RS(IKA Works产品)进行数值模拟,发现窄间隙(0.5mm)的高剪切并不是分散效果的主要原因,相反地旋转液流与定子孔道棱角的碰撞产生强烈的湍流才是主要的因素。因此,高剪切混合器用于不同目的、不同体系时,涉及的机理有很大的变化,需要继续从实验和数值模拟两个方面深入研究,使其操作效能得以优化。

在高剪切混合器里,流体主体在复杂通道内的高速流动极不稳定,导致湍流和旋涡产生,所产生小涡的尺度,即Kolmogorov尺度,在CRS中充分湍流的条件下,Kolmogorov尺度的估计值为1~10μm的范围(搅拌槽中一般在10~100μm)。因此,CRS内的微观混合时间远小于搅拌反应器,将CRS作为复杂化学反应的反应器是十分有利的。

连续式高剪切混合器兼有对物料的输运功能,因此对CRS在不同转子和定子组合情况下的流体力学性能也有不少实验研究(董强,2007;张华芹,2007)。