流体混合原理

“流体混合原理”试题

1. 简述混合物料的种类及其特性

混合物料的分类

黏 性 流 体 牛顿流体 宾汉塑性流体 非 牛 顿 流 体 纯 黏 性 非 牛 顿 流 体 假塑性流体 胀塑性流体 触变性流体 震凝性流体 黏弹性流体 非依时性非牛顿流体 依时性非牛顿流体 ⑴. 牛顿流体：当某种流体上承受的切应力正比于所产生的切应变速率时，

该流体称为牛顿流体。

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其中τ 为剪切应力，Pa；μ 为粘度，Pa·s；γ 为剪切速率，1/s。 (2).非牛顿流体

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牛顿流体与非牛顿流体

①非时变性非牛顿流体

这类流体的切应力仅与剪切变形速度有关，即粘度函数(式(2))仅与应变速率有关，而与时间无关。

?????a? 其中 ? 为表观粘度或称粘度函数。

a非时变性非牛顿流体主要包括以下3 种： 1)宾汉流体(或称塑性流体)。

它是只当剪切应力大于某一数值时才开始流动的流体，这时体系并非全部发生形变，而是产生滑动，中间未发生变化的部分仍按原来的结构形式一起向前运动。当应力大于屈服值后，其流动性跟牛顿流体完全一样 一些浓悬浮液如糊状物、软膏、面团、淤泥等，在适当条件下可表现出这种行为。

2) 剪切稀化流体(也称假塑性流体)。

这种流体没有屈服值，表观粘度随剪切速率增加 而减小。这种粘度随剪切速率增大而减小的现象称为剪切变稀现象。大多数高分子溶液和乳状液具有明显的假塑性。

3) 剪切稠化流体(也称膨胀型流体)。

与假塑性流体相反，膨胀流体的表观粘度随切变速率增加而增大，这种现象称为剪切增稠现象。

一些浓稠悬浮体、蛋白质及某些高分子溶液可表现出切力增稠现象 时变性非牛顿流体

这类流体的粘度函数不仅与应变速率有关，而且与剪切持续时间有关。 ②时变性非牛顿流体大致分为2 类： 1)触变性与震凝型流体。

在一定的剪切变形速率下，触变流体的粘度函数随时间减小，而震凝型流体则相反，表观粘度随时间而增大，震凝性体系很少，实际遇到的触变性体系较多，某些粘土悬浮液、陈胶、溶胶及高聚合物可表现出触变性。 2)粘弹性流体。

这类流体兼具粘性和弹性，与粘性流体的主要区 别在于外力消除后产生部分应变回复。粘弹性流体除粘度函数与剪切持续时间有关外，在剪切流动中还表现出法向应力差效应。

2. 实现流体混合的方式有哪些？并说明各自的混合机理？

①掺和 用机械的方法混合两种或多种粉粒状固体物料。所用的机器称为掺和机，这是一个与回转轴不对称的空筒，物料在筒中翻腾抛掷。筒的转速和物料装填率(物料的堆积容积与筒的总容积之比)是影响掺和效果的重要操作参数，可由试验决定。装填率一般约为30％～50％，适宜转速按ω2R/g＝0.25～0.8确定（式中ω为角速度,R为筒体的最大旋转半径,g为重力加速度）。掺和常用于各种原料药与淀粉的混合，染料或颜料的调色，不同种类合成树脂的混合等。

②捏和 用机械方法混合糊状或高粘度物料。所用的机器称为捏和机，机中通常有一对反向旋转的Z型或S型刮刀，将团块物料剪断、挤压、折转，使各种组分相互分散。在捏和过程中，粘性摩擦或伴随发生的化学反应使机器发热，需通过间壁进行冷却。捏和常用于药物剂型、食品原料及电极糊的调配等。

③混炼 专指在生橡胶中混入碳黑、硫磺等粉粒状配合剂的操作。所用的机器是密封式的混炼机，又称密炼机。机内装有一对柱形轧辊，辊上有两条或四条螺旋状突棱。两辊以不同转速作反向旋转，对物料进行强烈剪切和分割。机内设有冷却装置，以除去由物料摩擦所产生的热量。

④搅拌 将液体、气体或固体粉粒分散到液体中去的一种最常用方法。

⑤射流混合 利用工作流体本身的能量在其流动过程中进行的混合。工作流体从圆形管口或渐缩喷嘴高速喷出，形成射流。由于射流与周围流体交界处的湍流脉动，使两种流体发生混合。射流混合在工业上主要用于大容器内低粘度液体互相混合，如大型汽油槽中添加少量四乙基铅，也用于防止槽内固体悬浮物的沉积，此时可将喷嘴对着槽底，扫动沉淀，并使它悬浮起来。

⑥管道混合 用一个三通管使两种流体汇合，然后流经一段直管，借湍流脉动达到相互混合。在管内加装孔板或圆缺形折流挡板，可加强流体的湍流程度，提高混合效果。此法主要用于低粘度液体或气体

的混合。静态混合器是一种管道混合设备。在管内设置静止的分割元件，对流动流体作多次分割和汇合。这种混合器不限于湍流操作，也适用于层流操作的高粘度液体的混合。典型的静态混合器（见图）是在圆管中设置若干个扭转180°的螺旋片作为元件,左旋和右旋的两种螺旋片相间安装。流体每流经一个螺旋片，就被分割成两股，流经n个元件,流体即经过2n次分割和汇合。若管内设有20个元件,流体被分割的次数将高达100万次以上。静态混合器常用于萃取和乳液制备等。

3.简述流体混合实验测试方法及原理

①混合时间的测量

(1) 电导法

该法测量混合时间简单方便，有较好的重现性，但对水质要求较高。搅拌介质为去离子水，测量时向搅拌槽中加入一定体积一定浓度的NaCl溶液，用电导仪显示槽中电解质浓度的变化。从加入NaCl溶液至电导仪的读数不再因电解质浓度的波动而改变所经历的时间即为混合时间。一般用于低粘度流体混合时间的测量，不适合高粘度流体混合时间的测量。优点是操作简单方便，有较好的重现性。缺点是对水质要求较高，水消耗量大，实验成本高。

(2) 温差法

顾名思义，就是借助温度差别判断混合是否结束。实验方法为：向搅拌槽中加入一定量的热水，然后通过至于不同位置的温度传感器来检测温度的变化判断混合进行的程度。优点是速度快，精度高，简单灵活，可用于低粘度流体混合时间的测量，又可用于中高粘度流体混合时间的测量。

(3) 脱色法

对于高粘流体的混合，可用碘和硫代硫酸钠的脱色反应来测定混合时间。使用该法时，要求搅拌釜和流体必须透明。先在釜内流体中加入一定量的碘溶液，通过搅拌使流体均匀着色，在稳定的搅拌转速下将适当过量的硫代硫酸钠溶液（例如，碘与硫代硫酸钠的当量比为1：1.4）快速加入釜中，

用眼睛观察或用光电池监视其退色情况。从投入硫代硫酸钠溶液起到颜色褪至某个规定程度所需的时间就是混合时间。 ②停留时间分布的测量

1.固体粒子停留时间分布的测量

固体粒子停留时间的测量方法有间接法和直接法两种。间接的测量是基于总的固体相速度和相分率；而直接法大多数借助示踪剂进行测量。

采用示踪剂测量时，除要求示踪剂具有与被测体系有相同的流动行为外，还要求具有可分辨的其他物理或化学性质，诸如荧光性、导电性、红外或介电性等。最常用的示踪剂是颜色示踪剂、化学示踪剂、磁性示踪剂、放射性示踪剂。

2.液相停留时间分布的测量

液相停留时间分布常用的测量方法有染料示踪剂测量法、电导示踪法、折射指数法、放射性法和热示踪剂法等。

在采用示踪剂测量方法时，一般要求示踪剂的流动性质，特别是浓度、黏度、界面张力和互溶性等必须尽可能接近于被测试介质。同时为了保证相似性，对于水溶性体系建议用水溶性电解质作为示踪剂，对于有机体系则采用可溶于有机物的物质作示踪剂。

如果混合体系中含有多孔固体，或者容器内壁、或内部构件易于吸收示踪剂，那么一些示踪剂就会被吸附到这些材料上，从而增大测量难度。此时要设法选择一种不易被吸附的材料做示踪剂。 ③搅拌功率测量

电机反扭矩测量法

工作原理：当电机工作时，作用于电动机转子上的电磁矩和作用于电动机定子上的电磁矩总是大小相等，方向相反。因此，只要测出作用于定子上的扭矩就等于测出了转子上的扭矩，作用于转子上的扭矩计算公式为：

MP?M?为扭矩仪测得的扭矩Nm，?为角速度

④相分率测量

每个相左占有的体积分率称为相分率，通常用符号?加上适当的下标表示，

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