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高剪切均質(zhì)機(jī)的均質(zhì)機(jī)理:

物料(液體物料)分散系中分散相顆粒或液滴破碎的直接原因是受到剪切力的作用。引起剪切力作用的的剪切力在不同的高剪切均質(zhì)設(shè)備中有差別,能引起剪切力作用的具體流體力學(xué)效應(yīng)主要有層流效應(yīng)、湍流效應(yīng)和空穴效應(yīng)。層流效應(yīng)會引起分散相顆料或液滴受到剪切和拉長;氣穴效應(yīng)是形成的小氣泡受到的破碎產(chǎn)生沖擊波,引起劇烈攪動。

高剪切式均質(zhì)機(jī)的工作原理:

高剪切式均質(zhì)機(jī)的主要工作原理是通過機(jī)械作用迫使混合料液以很大的速度通過十分窄的間隙,在流體力學(xué)效應(yīng)的作用下,產(chǎn)生很大的剪切作用,而使分散相顆粒或液滴破碎,達(dá)到均質(zhì)乳化目的。最常用的高剪切均質(zhì)乳化設(shè)備是定轉(zhuǎn)子均質(zhì)機(jī),它主要用于定子S和同心高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子R組成,定子和轉(zhuǎn)子之間的間隙非常小(一般有0.1,0.2或0.4mm),轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速可達(dá)到300r/min~6000r/min。

高剪切均質(zhì)機(jī)的均質(zhì)機(jī)理

如圖1所示,定-轉(zhuǎn)子高剪切式均質(zhì)機(jī)均質(zhì)原理圖。物料從均質(zhì)機(jī)內(nèi)部空腔(a)處流進(jìn)高剪切區(qū)(b),此時(shí)將會使物料受到剪切、拉長。一旦在高剪切區(qū)(b)處的流體近于單一型剪切,與此同時(shí),在(c)區(qū)流體將會繼續(xù)受到剪切、拉長。很明顯,剪切和拉長的同時(shí)發(fā)生的區(qū)域可以運(yùn)用流體相似性來研究定-轉(zhuǎn)子間流體運(yùn)動情況。定子S、轉(zhuǎn)子R,定-轉(zhuǎn)子間間隙為h,轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為v,剪切速率Y(即速度梯度或剪切速率),假設(shè)物料在層流情況下流動,反映層流效應(yīng),根據(jù)牛頓粘性定律可得:

定-轉(zhuǎn)子間流體運(yùn)動情況公式

從式(3)中可知:流體受到剪切應(yīng)力隨著混合物粘度粘度 的增加和轉(zhuǎn)子速度V的增加及定-轉(zhuǎn)子間間隙的減小而增大。對于非牛頓型流體,由于流動的復(fù)雜多變性,使得混合物所受的剪應(yīng)力l與由剪切力產(chǎn)生的剪切速率Y之間關(guān)系比較復(fù)雜,一般使用表觀粘度粘度 :

表觀粘度

指數(shù)n取(0小于n小于1),表示流體偏離牛頓流體形態(tài)的程度,其值的大小主要由流體特性決定。對于非均質(zhì)流體,可用愛因斯坦方程式表示非均質(zhì)流體的表觀粘度 與固相體積分率的關(guān)系:

非均質(zhì)流體的表觀粘度 與固相體積分率的關(guān)系

相應(yīng)可得非均質(zhì)液體受到的剪切應(yīng)力l:

非均質(zhì)液體受到的剪切應(yīng)力l

F-微粒形狀因子,F(xiàn)一般取0.4~1,對于微細(xì)纖維F=0.4;球狀微粒F=1.0;其它微粒可根據(jù)微粒的長徑比在0.4小于等于F小于等于1.0范圍內(nèi)進(jìn)行估算。

當(dāng)然實(shí)際高剪切均質(zhì)機(jī)的工作情況遠(yuǎn)比上述公式復(fù)雜,隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)運(yùn),上述定-轉(zhuǎn)子之間位置關(guān)系將會發(fā)生變化,從圖1的位置變化到轉(zhuǎn)子葉片和定子的其他位置,定子開孔(如圖1),不同形狀的孔(如下述定子結(jié)構(gòu))和其它一些設(shè)計(jì)都會影響剪切作用。我們可以把這類定-轉(zhuǎn)子均質(zhì)機(jī)安裝于混合罐中,間歇式生產(chǎn)使用(間歇式均質(zhì)機(jī)),也可以作為強(qiáng)力泵安裝在管線上,連續(xù)工(管線式均質(zhì)乳化機(jī))生產(chǎn)使用。實(shí)際運(yùn)用過程中,由于轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn),會很快使定-轉(zhuǎn)子間縫際增大,剪切效率將會下降,而且對定子和攪拌軸之間使用的機(jī)械密封要求非常高。

 

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