高粘度液體真空攪拌脫泡理論分析與計(jì)算

　　真空攪拌脫泡是高粘度液體的一種有效脫泡方式。對(duì)于高粘度液體中的氣泡, 單靠自身的浮力上升, 其速度是極其緩慢的, 攪拌槽內(nèi)生成的氣泡主要依靠攪拌被帶到近液面而逸出。建立了攪拌流場(chǎng)中的氣泡運(yùn)動(dòng)方程, 獲得了氣泡在流場(chǎng)中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。計(jì)算了氣泡從液面逸出的總時(shí)間。真空攪拌脫泡過程主要發(fā)生在液面, 論文分析了攪拌槽內(nèi)真空度大小、主流體循環(huán)到液面的次數(shù)和主流體在液面停留時(shí)間對(duì)脫泡的影響。為保證氣泡在近液面有足夠的停留時(shí)間掙脫液面張力, 必須要有一個(gè)合理攪拌轉(zhuǎn)速。

　　由于真空狀態(tài)下能顯示出許多常壓狀態(tài)下無法出現(xiàn)的工藝新特點(diǎn), 真空脫泡技術(shù)在石油、化工、冶金、紡織與染料等眾多工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。在高粘度液體脫泡過程中應(yīng)用較多的是真空攪拌脫泡及真空薄膜脫泡等方法。對(duì)于真空攪拌脫泡, 目前很少有這方面的理論研究。從理論上對(duì)脫泡機(jī)理進(jìn)行深入分析, 有助于對(duì)物料快速有效地進(jìn)行脫泡處理, 具有十分重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。本文主要是從理論上分析真空攪拌脫泡過程。

　　首先分析了高粘度液體中氣泡形成的原因及高粘度液體的脫泡方法, 然后針對(duì)一高粘度液體組合脫泡設(shè)備的攪拌結(jié)構(gòu)部分的主流場(chǎng)特性進(jìn)行了分析, 建立了主流體中的氣泡運(yùn)動(dòng)方程, 獲得了氣泡在主流場(chǎng)中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度, 根據(jù)氣泡相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算了氣泡從液面逸出的時(shí)間, 并對(duì)靜止液面的真空脫泡與運(yùn)動(dòng)液面的真空脫泡進(jìn)行了對(duì)比分析。

1、高粘度液體脫泡

　　液體中氣泡的產(chǎn)生是一個(gè)非常復(fù)雜的問題, 對(duì)于液體中氣泡的形成機(jī)理, 較為普遍認(rèn)同的觀點(diǎn)是空化現(xiàn)象(cavitation) , 即: 由于氣體具有一定的溶解度, 通常以氣泡核的形式存在于液體中, 當(dāng)液體在極短的時(shí)間內(nèi)流過一個(gè)絕對(duì)壓強(qiáng)很低的區(qū)域時(shí), 氣泡核會(huì)快速蒸發(fā)或游離出來的現(xiàn)象。液體中的氣泡核尺寸很小, 通常其直徑為10^{- 3}~ 1 mm, 用肉眼無法看到。本文采用的液體物料主要用于生產(chǎn)紡絲纖維, 微氣泡的存在嚴(yán)重影響了紡絲的質(zhì)量, 所以本文將以直徑為0.1 mm 的單一微小氣泡進(jìn)行研究。

　　在高粘度流體中, 影響氣泡產(chǎn)生、生長(zhǎng)及逸出的主要因素除了壓力外, 液體的粘性、表面張力及液體的密度等也是不容忽視的因素。對(duì)于脫泡問題, 一些文獻(xiàn)對(duì)其進(jìn)行了深入的理論分析、仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究。Vincent F. Chevrier研究發(fā)現(xiàn), 由于液體表面曳力的作用, 氣泡到達(dá)液體界面時(shí), 不是立即從液面分離, 而要在界面下停滯一定的時(shí)間。AAKendoush給出了在液體流動(dòng)過程中氣泡破裂的曳力系數(shù)的預(yù)測(cè)公式。要想能有效地對(duì)高粘度物料進(jìn)行脫泡, 則必須從這些影響因素進(jìn)行考慮, 對(duì)高粘度液體中氣泡的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析, 以便采用相應(yīng)的脫泡方法進(jìn)行脫泡。

　　氣泡從液面下上升到近液面, 并從近液面逸出到另一種介質(zhì)中通�？煞譃樗膫�(gè)階段 : 氣泡在外力作用下運(yùn)動(dòng)到液面; 在界面處形成液膜; 薄膜破裂; 氣泡從液面分離或氣泡破裂。氣泡在液體中的上升速度由多種因素決定, 假設(shè)氣泡為球形, 則氣泡上升的速度ut 可由Stokes 公式計(jì)算

5、結(jié)論

　　本文對(duì)真空環(huán)境下雙錐形螺帶攪拌槽內(nèi)的流體進(jìn)行了分析。建立了主流場(chǎng)中的氣泡運(yùn)動(dòng)方程, 獲得了氣泡在主流體中的運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算公式。并根據(jù)氣泡與主流體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算了氣泡從液面逸出的總時(shí)間。可得出如下結(jié)論:

　　(1) 對(duì)于高粘度液體物料中的氣泡, 單靠自身的浮力, 上升速度是極其緩慢的。真空攪拌脫泡過程主要發(fā)生在液面, 攪拌作用有利于物料中的氣泡被帶出。

　　(2) 在相同的真空條件下, 靜止液面下氣泡臨界破裂直徑要比在運(yùn)動(dòng)液面時(shí)的大, 從而脫泡時(shí)間也要相應(yīng)延長(zhǎng)。讓液面具有一定的流動(dòng)速度, 有利于脫泡。

　　(3) 在攪拌過程中, 氣泡的運(yùn)動(dòng)速度稍滯后于主流體質(zhì)點(diǎn), 即兩者之間存在相對(duì)速度滑移。而當(dāng)主流體流動(dòng)穩(wěn)定后, 相對(duì)滑移速度幾乎不再發(fā)生變化。

　　(4) 對(duì)真空攪拌脫泡起決定作用的主要有三個(gè)因素: 攪拌槽內(nèi)真空度大小, 主流體循環(huán)到液面的次數(shù)及主流體在液面的停留時(shí)間。為保證主流體在液面有較長(zhǎng)的停留時(shí)間, 攪拌槳葉在結(jié)構(gòu)形式要求有較強(qiáng)的軸向流動(dòng)和循環(huán)能力。

　　(5) 氣泡到達(dá)近液面后, 其逸出時(shí)間為膨脹時(shí)間和停留時(shí)間之和。為保證氣泡在近液面有足夠的停留時(shí)間掙脫液面張力, 應(yīng)有一個(gè)合理的攪拌轉(zhuǎn)速。