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机械搅拌器中非依时性非牛顿流体

非依时性非牛顿流体是机械搅拌器中的常见流体，属于非牛顿流体中的一种。

符合上面公式的流体称之为纯黏性非牛顿流体，或广义牛顿流体，即流体在任何处的切应变速率都是切应力的函数。根据函数f(r)形式的不同，这种流体习惯上又可细分成三种类型：宾汉塑性流体、假塑性流体和胀塑性流体。

(1)宾汉塑性流体，在宾汉塑性流体的流动曲线上存在一个屈服应力，在屈服之前，它呈现固体行为。一般认为宾汉塑的现象产生于材料的一种三维刚性，这种刚性结构具有内在应力。当材料承受的应力小于屈服应力时，这种三维结构不足以被破坏，故不产生流动。但是当外部施加的应力大于屈服应力时，这种三维刚性就被破坏，呈现牛顿流动行为。

机械搅拌器中呈现宾汉塑的常见流体有污水泥浆、油脂、油漆、牙膏、淤泥、蛋黄酱、含有固体颗粒的白垩等；许多浓悬浮液也有屈服值，如将大量二氧化钛、碳酸钙、氧化铁等微粉混合入水中也可得宾汉塑性流体。

(2)假塑性流体，假塑性流体没有屈服应力，其流变行为的主要特征是黏度随切应力的增加而下降。这类流体通常可以用密律方程描述（此时，又可称为密律流体）。

在搅拌与混合技术中，研究得多的非牛顿流体是假塑性流体，立式搅拌器用心服务，具有这种流变行为的流体广泛存在于机械搅拌器中，有聚合物、聚合物溶液、悬浮液、高分子溶液以及羧纤维素的水溶液等。

(3)胀塑性流体，胀塑性流体的行为类似于假塑性流体，也没有屈服应力。但是胀塑性流体的黏度随切应变速率的增加而增加。许多高浓度的固体悬浮液具有这种流动行为。当这种悬浮液处于静止时，固体间的孔隙，液体的量由这些小孔隙的空间决定；在低切应变速率下，这些液体起着润滑剂的作用，因此呈现的应力也小；随着切应变速率的增加，液体不足以润滑结构之间的相互作用，应力急剧增加，所以呈现的黏度随切应变速率的增加而增加。

我们先来看看刮壁式搅拌釜结构。

说到刮壁式搅拌釜结构，我想起来今年年初的一个化工搅拌器的设计，搅拌釜为日本生产顺丁橡胶的C&R式反应器，采用螺带-导流筒式搅拌器，设有三重刮壁机构，即在导流筒内壁面、导流筒外壁面和搅拌器的内壁面都装有刮壁机构，使流体在导流筒内部产生很强的循环。当然，那种设计并不是，也可将化工搅拌器由螺带式搅拌器换成螺杆式搅拌器，以强制流体在导流筒内、外进行循环。

对于刮壁式搅拌釜来说，刮板的形状与搅拌功率和传热效率之间有直接关系。当搅拌釜需要通过夹套撤除聚合热时，理想的刮壁作用是刮板将其刀口前面贴近传热壁面的冷流体刮起，并与搅拌釜中部的热流体均匀混合。我们曾设计并研究了多种形状刮板的传热效果如下图所示。研究结果表明，B结构的传热效率好。

高黏度液体混合操作通常都处于层流状态，其对应的黏度范围为1～1000Pa.s。高黏度液体在层流下操作，没有明显湍动，流体离开搅拌器后，其能量很快耗散，因此不能通过流体的翻腾来造成容积循环，往往采用直接大面积推动流体使之达到混合，常用的搅拌器有锚式、框式、螺带式、螺杆式等。锚式搅拌器结构简单应用，应用广泛，由于缺乏轴向循环流动，混合效率较低。当搅拌雷诺数大于50时，产生的两次循环流可改善混合特性。由于锚式搅拌器的形状与搅拌釜匹配，因此它的叶片扫过釜壁时，可促进物料与釜壁的热交换，并可减薄粘壁物，改善混合性能。

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