1实验流体及方法
用牛顿流体糖浆模拟生物质淤浆，共考察了4组体系，其粘度及密度值见表2,用含不同质量NaCl的水溶液模拟种子液.不同浓度NaCl溶液的密度见表3，可认为NaCl溶液粘度与水相同.NaCl溶液与主体液体体积比为0.2%~3.7%.两种液体混合时间的测定采用Na2S203与12溶液反应褪色法[11，12】，淀粉溶液作为指示剂.具体操作方法见文献[13],不同的是，褪色时向釜内加入一定体积含Na2S20^NaCl溶液.为消除主观判断混合终点造成的误差，本工作釆用图像分析法[14]获取混合时间.具体操作方法如下：用相机记录整个褪色过程，对录像进行取帧，用Photoshop软件分析每张图片的灰度直方图的平均值，得到混合过程中灰度随时间的变化曲线，以平均灰度值上升至全程的95%作为混合时间终点，(1)式中，42^(0分别为平衡灰度值、初始灰度值及^时刻灰度值.每次实验重复2次(平行实验)，实验误差控制在10%以内.在NaCl溶液(a)与糖浆(b)体积比"Kb=2%、粘度比//b/A=4500、密度差a_A=350kg/m3条件下,实验褪色曲线如图2所示,转速At30r/min下，前后2次的混合时间分别为1063和1095s,前后2次混合时间的值与平均值相对误差分别为-1.5%及1.5%.之后所报道的数据均为前后2次平行实验的平均值.螺带型撹拌桨转速AT考察范围为30~150r/min，本实验条件下对应的雷诺数ite范围为3~20.当搅拌槽内7(XRe<l00时，槽内流体流动状态进入过渡流[15]，因此,本研究范围可视为层流流动状态下的异物性液体混合.
2讨论
2.1基本流型观察
在N=50r/min、体积比F?/Kb=2%、粘度比4500、密度差/vpa=350kg/m3条件下，考察了少量低粘低密度与大量高粘高密度主体流体在搅拌槽内的混合流型，如图3所示.少量NaCl溶液加在糖浆表面后[图3(a)],受到向下的作用力，克服浮力，在槽中心区域被向下“拉入”主体流体中，沿搅拌轴螺旋向下[图3(b)],至搅拌槽底部[图3(c)],之后沿径向方向向外被桨叶推动向上[图3(d)],形成主体循环，经过几次循环后，混合完成,搅拌槽内颜色完全褪去[图3(e)】.这一混合过程与相同物性混合过程基本相同，但两种过程的褪色曲线(图4)显著不同’对于相同性质液体混合，Na2S203溶液一经加入搅拌槽内，主体流体的灰度即发生明显变化，混合快速；对于异物性液体混合，Na2S203溶液加入后，主体流体的灰度并不立刻发生变化，存在缓变，甚至暂时不变的阶段.由此表明，虽然两种过程的大尺度运动(总体运动)流型相似，而局部行为相异.加入的互溶异物性物质混匀过程大致上可以视为加入不溶物系，似有某种‘‘界面”，‘‘界面”变形破裂过程成为混合的控制步骤[16].该过程所需时间较长，一旦界面破裂后，混合速率大大加快.相同转速下，异物性体系混合时间大于相同性质液体混合时间2?5倍之多.螺带型搅拌槽内少量低粘低密度液体加入大量高粘高密度主体液体内的混合不同于两种具有当量体积(即加入相与主体相液体体积相当)分层液体的混合，前者仅有一种流型，后者随两层液体体积比不同出现不同流型[5].与少量异物性物质加入滴流流动的主体流体比较，两者的相同之处在于，浮力在整个混合过程中起非常重要的作用，无论加入相为轻相或重相，桨叶的循环是完成整个混合过程的重要作用；而不同之处在于，两种流动情况下，加入相在主体相内所承受的应力不同，层流条件下，加入相主要受到剪切及拉伸应力，而湍流条件下起主要作用的为雷诺应力[17].本工作考察的流场既不同于高粘分层螺带桨层流混合，亦不同于低粘涡轮桨湍流混合.图4相同性质液体混合与异物性液体混合褪色曲线对比。
2.2搅拌桨转速的影响
混合时间测量过程中，不可避免出现随机误差.Fa/Fb=2.8%,jUb/^=4500,pb-/?a=353kg/m3实验条件下，不同转速下无量纲混合时间(转速与混合时间乘积)与平均值误差列于表4.无量纲混合时间平均值与每个转速下的Ntm的相对误差在±10%以内(iV=70r/min略高，为15%),且价?随转速变化不具有单调性质，因此，本工作认为斤^在一定转速范围内为一常数，与转速无关.将混合时间&对搅拌桨转速作图，如图5(a)所示，对于给定物系，转速#增加，混合时间“减小.30-150r/min转速范围内，对应/?e(/?e=prf2M//b)范围4.4~25.9，无量纲混合时间奶?与的关系见图5(b).体积比为2.8%和3.7%条件下，转速30~90r/min范围内(对应图中办=4.4~13.8)，Mm值较高，分别为1015和1522；随着转速增大(110~150r/min),即Re增大至17.6~25.9，价>?显著下降，2个体积比时#。分别下降至582及688，表明高转速区转速对混合时间缩短有更显著的作用，表现为N-tm曲线斜率发生变化[图5㈨].转速增大对混合有明显的促进作用可从加入物质的受力解释.当少量异物性物质加入搅拌槽内后，加入相受到向上的浮力及桨叶运动产生的向下的力.对一定体积的加入相，其所受浮力不变，随桨叶旋转速度增大，桨叶产生的向下的力逐渐增大，当转速增大至一定值时，两种力大小相等，本实验条件下，体积比2.8%和3.7%对应的转速分别为41和47r/min.结合实验结果，可认为，当操作转速约大于2倍转速时，奖叶向下的惯性力作用明显，可大幅度缩短混合时间.后续均为30~90r/min转速范围内的值.
2.3体积比的影响
体积比(fVFb)0.2%~3.7%范围内，Mm随VJVb增大先降低后迅速增大，在1%处达最低值(图6).可能是由于当加入相体积很小时，浮力对混合过程的影响较小，可忽略.体积小的加入相将随主体作整体对流循环，受到的剪切较小，导致浪合时间延长；较大体积加入相易受剪切造成体积比增大，混合时间有所缩短；加入相体积增至1%,浮力作用愈明显，使两种流体混勻所需时间变长；另一方面，加入相体积增大，其保持原有性质的能力也增强[9]导致混合时间延长.
2.4密度差的影响
在粘度比4500及密度差160~353kg/m3条件下，考察了加入相与主体相液体密度之差与主体相液体密度之比Aph对的影响，其中，实验结果如图7所示.当由0.12增至0.2时，N、由386上升至414，增大约6.8%,A/V/%对iViW影响较小;VA>0.2,况“随么/：仏几乎呈线性增大，即加入相与主体相液体密度差大，对^&影响显著.密度差增大强化了界面阻尼作用[16).因此，在保持粘度比相同的条件下，密度差增大会延长混合时间.Ntm与魄的关系不同于湍流流动下的关系，Gogate等⑻在小直径桨叶搅拌槽内完全湍流流动条件下得到Mmcc(A/yA)a5W)7.造成对密度差依赖程度不同的原因首先是考察的流动状态不同.本研究为层流流动状态’浮力对搅拌槽内混合影响更显著，因而对密度差依赖程度较大；其次’螺带型搅拌桨液体循环能力较强,但剪切能力较弱，混合对密度差的依赖程度也较强p].
2.5粘度比的影响
密度差166kg/m3条件下，考察粘度比对混合时间的影响，结果如图8所示.粘度比增大而降低，当粘度比增大到一定值时，N、与粘度比无关.这与湍流操作下，小直径桨叶搅拌槽内少量高粘物质加入到大量低粘液体中的情况不同，高粘加入相在低粘主体流体中不易产生变形，因此，在加入液体控制操作区内，混合时间随加入相粘度增大而延长[4AU】4结论通过研究螺带型搅拌槽内层流条件下少量低粘低密度物质加入大量高粘高密度主体液体内的异物性混合，考察体积比、密度差及粘度比对无量纲混合时间八1的影响，得到如下结论：(1)与相同物性物系混合相比,异物性液体混合时间延长约2?5倍.(2)体积比Pa/Fb对无量纲混合时间Mm的影响出现极小值，0.2%<jyrb<l%时，体积比增大而降低；l%<VJVb<3.7%H,Mm随体积比呈线性增大.(3)密度差超过一定值对Mm影响显著，A>/v>0.2时’1_/^几乎呈线性增大.粘度比/V/4增大而降低，且当粘度比增大到一定值，Mm与粘度比无关.(5)体积比0.5%?1%范围内，搅拌槽内的流体流动处于桨叶控制区；2%~3.7%范围内，搅拌槽内流体混合处于重力控制区。
作者：黄娟 鲍杰 戴干策 单位：华东理工大学化学工程联合国家重点实验室 华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室