攪拌與混合研究新技術(shù)

        經(jīng)過近一個世紀(jì)的實驗研究和理論探索，當(dāng)今的流體混合技術(shù)已進人快速發(fā)展時期，并積累了大量可用于分析和預(yù)測混合體系的設(shè)計經(jīng)驗和關(guān)聯(lián)式。但由于流體混合體系的多樣性和物料流變特性的復(fù)雜性，目前對于攪拌設(shè)備的選型和設(shè)計還主要依賴經(jīng)驗和實驗，對其優(yōu)劣很難用理論預(yù)測，對于能耗和生產(chǎn)成本，只能在一定規(guī)模的生產(chǎn)裝置上進行對比后才能分出高低。另外對攪拌設(shè)備的放大規(guī)律至今仍無足夠的認(rèn)識，缺少理論指導(dǎo)。因此從更微觀更本質(zhì)的角度，采用先進的測試手段和計算流體力學(xué)方法，獲取攪拌設(shè)備中的速度場、溫度場和濃度場，不僅對攪拌與混合設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計具有重要的經(jīng)濟意義，而且對放大和混合的基礎(chǔ)研究具有現(xiàn)實的理論意義。
1 LDV / PIV測量技術(shù)
       攪拌設(shè)備內(nèi)流速的測量是一件復(fù)雜的工作。這是由于攪拌設(shè)備內(nèi)的流動是三維和高度不穩(wěn)定的湍流，脈動和隨機湍流給流速測量帶來了很大困難。早期的流速測量方法如畢托管、電磁流速計、壓電探頭和或熱膜風(fēng)速儀等，都由于插人流場中的探頭而使流動受到干擾。20世紀(jì)80年代以來，國內(nèi)外開始運用激光多普勒測速儀LDV（Laser Doppler Velocimetry）來測量攪拌釜內(nèi)流場。LDV測量是在某一測點處一段時間內(nèi)進行的，因此所測速度是時均定量值，通過對攪拌釜中每一點的測量可以得到整個流場。但由于這些測量不能同時進行，因此LDV不能用于研究非穩(wěn)態(tài)流動。
       為了研究時變流動，必須采用更先進的粒子成像測速儀PIV（Particle Image Velocimetry），可在瞬時得到整個流場分布。其原理是攪拌設(shè)備由一狹縫激光束照射，用兩個脈沖激發(fā)光源，得到粒于場的兩次曝光圖像，接著從曝光時間內(nèi)粒子的位移計算出速度場。但PIV的技術(shù)開發(fā)仍未完善，尚處于應(yīng)用初期，目前還不能很好地測量高速湍流下的湍流參數(shù)。
       利用LDV測量技術(shù)，可以準(zhǔn)確獲取攪拌釜中豐富的信息如時均速度場、湍流強度場、雷諾應(yīng)力場、剪切速率場，并可進一步計算得到宏觀特征參數(shù)如排量和功耗等。因此目前LDV測量數(shù)據(jù)的一個主要用途就是驗證CFD（Computational Fluid Dynamics）模型的仿真結(jié)果和提供模型邊界條件。近幾年LDV還被用于測量多層槳的攪拌特性，如排量和循環(huán)流量等。因為在單層攪拌器條件下所采用的測量排量的粒子跟蹤法，在多層槳條件下是不適用的。
2 CFD模擬技術(shù)
       LDV僅僅提供了一些重要參數(shù)如排量準(zhǔn)數(shù)、時均速度和脈動速度的分布等，而不能從本質(zhì)上認(rèn)識混合與流動，無法改變?nèi)涨斑@種依靠經(jīng)驗來放大的現(xiàn)狀。因此采用計算流體力學(xué)的方法，來模擬和預(yù)測不同幾何尺寸和操作條件的攪拌設(shè)備中詳細的流動和混合特性，是流體混合技術(shù)的發(fā)展趨勢。
       攪拌設(shè)備內(nèi)流動數(shù)值模擬目前應(yīng)用zui廣泛的是對攪拌器采用黑箱模型進行穩(wěn)態(tài)分析，即由實驗測得攪拌器周圍虛構(gòu)表面的速度場作為邊界條件或?qū)~對流體的作用看作流體動量的產(chǎn)生源。從數(shù)值計算來看，黑箱模型具有簡捷、方便等特點，能較準(zhǔn)確地預(yù)報攪拌器在不同條件下的運動特性，但該方法需要實驗數(shù)據(jù)作為槳葉邊界條件，因此不能用于多相流體系的模擬。
       CFDzui重要的應(yīng)用（也是CFD技術(shù)的zui主要優(yōu)點）是對流場的分析，可以明確在不同攪拌器的型式、尺寸、離底距離等條件下，流場對混合、懸浮和分散等過程的影響，即CFD流動、能量耗散等的計算可視化。從而使用戶可以直觀地了解釜內(nèi)的混合情況，幫助用戶確定已存在系統(tǒng)中的問題，指導(dǎo)用戶進行攪拌器的優(yōu)化設(shè)計，消除死區(qū)，確定加料口位置等。目前國外的專業(yè)混合設(shè)備公司己經(jīng)利用CFD技術(shù)優(yōu)化攪拌器的幾何尺寸，開發(fā)了第二代軸向流攪拌器。
       CFD的另一個主要優(yōu)點就是模型的設(shè)備大小無關(guān)性，一旦它們被驗證可以合理準(zhǔn)確地描述攪拌反應(yīng)器過程，就被用于放大，以預(yù)計放大后的棍合和反應(yīng)性能。
        隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，可壓縮性流體和一些簡單的非彈性粘性流體在商業(yè)軟件中已經(jīng)可以模擬。目前多相流（尤其是氣-液體系）混合的CFD模擬也得到了長足發(fā)展，但與實際應(yīng)用仍有相當(dāng)距離。
3 電子過程斷層成像技術(shù)
       電子過程斷層成像技術(shù)EPT是一種多相流體系的非接觸式的實時檢測和可視化技術(shù)，可以測量不透明介質(zhì)的流場。
        EPT的工作原理與醫(yī)學(xué)測試儀器中的CT相差不多。在被測攪拌釜或管道外壁等距離貼附一組8到16只傳感器一周，此傳感器為長方形不銹鋼電極片，既是發(fā)射器又是接收器。釜或管道內(nèi)要有兩種具有不同電性能（電導(dǎo)率、電容率等）的物料（不同電導(dǎo)率的液體、氣體和固體、液體和固體），然后在有規(guī)律的電脈沖作用下，所有可能的相鄰傳感器組合的電壓通過數(shù)據(jù)采集單元傳送回計算機。計算機將記錄所有電極的信號和先后次序，并采用圖像重建技術(shù)還原出釜或管道橫截面的圖像，每秒可獲得高達100幀圖像。如果采用多組傳感器對不同高度進行斷層成像，則可在圖像重建技術(shù)的輔助下，建立釜或管道的三維圖像和實體造型。
        EPT系統(tǒng)無輻射危險、價格便宜、易于制造，響應(yīng)速度比CT快且可以滿足工業(yè)實時過程要求。但圖像解析度比CT要低。
       由于EPT可以準(zhǔn)確地測量出攪拌反應(yīng)器中的流動區(qū)域、速度場、氣體和固體組分濃度分布，而這些數(shù)據(jù)可用于從空間和時間兩方面驗證多相體系的混合模型和CFD模型，因而EPT技術(shù)可直接用于優(yōu)化攪拌器的設(shè)計和操作，隨著電子技術(shù)、圖像重建算法和計算機硬件的發(fā)展，EPT還將被用于過程的在線監(jiān)測和控制。