高粘度液体真空搅拌脱泡理论分析与计算

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东南大学机械工程学院 作者:刘晓波

  真空搅拌脱泡是高粘度液体的一种有效脱泡方式。对于高粘度液体中的气泡, 单靠自身的浮力上升, 其速度是极其缓慢的, 搅拌槽内生成的气泡主要依靠搅拌被带到近液面而逸出。建立了搅拌流场中的气泡运动方程, 获得了气泡在流场中的相对运动速度。计算了气泡从液面逸出的总时间。真空搅拌脱泡过程主要发生在液面, 论文分析了搅拌槽内真空度大小、主流体循环到液面的次数和主流体在液面停留时间对脱泡的影响。为保证气泡在近液面有足够的停留时间挣脱液面张力, 必须要有一个合理搅拌转速。

  由于真空状态下能显示出许多常压状态下无法出现的工艺新特点, 真空脱泡技术在石油、化工、冶金、纺织与染料等众多工业领域被广泛应用。在高粘度液体脱泡过程中应用较多的是真空搅拌脱泡及真空薄膜脱泡等方法。对于真空搅拌脱泡, 目前很少有这方面的理论研究。从理论上对脱泡机理进行深入分析, 有助于对物料快速有效地进行脱泡处理, 具有十分重要的理论意义和工程应用价值。本文主要是从理论上分析真空搅拌脱泡过程。

  首先分析了高粘度液体中气泡形成的原因及高粘度液体的脱泡方法, 然后针对一高粘度液体组合脱泡设备的搅拌结构部分的主流场特性进行了分析, 建立了主流体中的气泡运动方程, 获得了气泡在主流场中的相对运动速度, 根据气泡相对运动速度计算了气泡从液面逸出的时间, 并对静止液面的真空脱泡与运动液面的真空脱泡进行了对比分析。

1、高粘度液体脱泡

  液体中气泡的产生是一个非常复杂的问题, 对于液体中气泡的形成机理, 较为普遍认同的观点是空化现象(cavitation) , 即: 由于气体具有一定的溶解度, 通常以气泡核的形式存在于液体中, 当液体在极短的时间内流过一个绝对压强很低的区域时, 气泡核会快速蒸发或游离出来的现象。液体中的气泡核尺寸很小, 通常其直径为10- 3~ 1 mm, 用肉眼无法看到。本文采用的液体物料主要用于生产纺丝纤维, 微气泡的存在严重影响了纺丝的质量, 所以本文将以直径为0.1 mm 的单一微小气泡进行研究。

  在高粘度流体中, 影响气泡产生、生长及逸出的主要因素除了压力外, 液体的粘性、表面张力及液体的密度等也是不容忽视的因素。对于脱泡问题, 一些文献对其进行了深入的理论分析、仿真计算和实验研究。Vincent F. Chevrier研究发现, 由于液体表面曳力的作用, 气泡到达液体界面时, 不是立即从液面分离, 而要在界面下停滞一定的时间。AAKendoush给出了在液体流动过程中气泡破裂的曳力系数的预测公式。要想能有效地对高粘度物料进行脱泡, 则必须从这些影响因素进行考虑, 对高粘度液体中气泡的运动特性进行分析, 以便采用相应的脱泡方法进行脱泡。

  气泡从液面下上升到近液面, 并从近液面逸出到另一种介质中通常可分为四个阶段 : 气泡在外力作用下运动到液面; 在界面处形成液膜; 薄膜破裂; 气泡从液面分离或气泡破裂。气泡在液体中的上升速度由多种因素决定, 假设气泡为球形, 则气泡上升的速度ut 可由Stokes 公式计算

5、结论

  本文对真空环境下双锥形螺带搅拌槽内的流体进行了分析。建立了主流场中的气泡运动方程, 获得了气泡在主流体中的运动速度计算公式。并根据气泡与主流体的相对运动速度计算了气泡从液面逸出的总时间。可得出如下结论:

  (1) 对于高粘度液体物料中的气泡, 单靠自身的浮力, 上升速度是极其缓慢的。真空搅拌脱泡过程主要发生在液面, 搅拌作用有利于物料中的气泡被带出。

  (2) 在相同的真空条件下, 静止液面下气泡临界破裂直径要比在运动液面时的大, 从而脱泡时间也要相应延长。让液面具有一定的流动速度, 有利于脱泡。

  (3) 在搅拌过程中, 气泡的运动速度稍滞后于主流体质点, 即两者之间存在相对速度滑移。而当主流体流动稳定后, 相对滑移速度几乎不再发生变化。

  (4) 对真空搅拌脱泡起决定作用的主要有三个因素: 搅拌槽内真空度大小, 主流体循环到液面的次数及主流体在液面的停留时间。为保证主流体在液面有较长的停留时间, 搅拌桨叶在结构形式要求有较强的轴向流动和循环能力。

  (5) 气泡到达近液面后, 其逸出时间为膨胀时间和停留时间之和。为保证气泡在近液面有足够的停留时间挣脱液面张力, 应有一个合理的搅拌转速。

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