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搅拌槽具有相间接触面积大、传热传质效率高、操作灵活等优点,广泛应用于食品、制药、冶金、高分子等工业过程中。搅拌桨是搅拌槽的核心部件,搅拌桨的构型优化是改善搅拌效果最理想、最经济的方法。近年来,研究人员开发出了多种适合不同操作环境的新型搅拌桨,包括穿流桨、分形叶轮、柔性桨和本课题组发明的向心桨和Z型穿流桨。初步研究结果表明,向心桨和Z型穿流桨具有良好的性能,然而这两种新型桨用于非牛顿流体体系时的微观混合性能还不清楚。基于此,本文采用羟乙基纤维素为非牛顿黏性添加剂,选择磷酸盐-碘化物-碘酸盐的平行竞争反应体系,在直径0.282 m的椭圆底搅拌槽内研究了向心桨和Z型穿流桨的微观混合特性。首先,实验考察了加料时间对微观混合的影响,比较了向心桨(CT)、Rushton桨(DT)、45°下压三斜叶桨(PBTD)三种桨及10种不同双层桨组合的功率准数和微观混合效率。研究发现,DT、CT和PBTD的功率准数随雷诺数的增加保持不变,DT桨的功率准数约为CT桨的两倍、PBTD桨的四倍。随着单位体积功耗的增加,三种桨的离集指数逐渐减小,且DT<CT<PBTD。双层桨的搅拌功耗主要受功率准数大的搅拌桨影响,与两桨的安装位置上下无关。在液面加料时双层桨微观混合效果主要受上层桨影响。强剪切的DT桨与高循环的PBTD桨组合的微观混合效果最好;双层CT桨时,下层桨反向安装会增强微观混合;大多数情况下,由于流型互补,单位体积功耗相同时双层桨的混合效果比单层桨好。其次,采用相同的微观混合模型反应,对Z型穿流桨(ZPI)的功率准数和微观混合特性进行了系统研究,考察了进料位置、叶片孔径、Z型叶片单节长度、Z型角度等结构参数对微观混合性能的影响,并开展了桨型结构优化的相关实验。Z型穿流桨的开孔可以降低功耗,且能通过产生撞击流,干扰流体的规则圆周运动,提高混合效率。在孔径较小的情况下,单节长度对叶片的离集指数影响较大。低功耗下大角度、长单节、较大孔径的ZPI有着良好的微观混合性能,而较高功耗下大角度、短单节、小孔径ZPI的搅拌性能最佳。桨叶端加料时DT桨效果最好,液面加料时ZPI微观混合性能最佳。在需要控制产品质量的均一性,或者考虑安全和施工复杂性因素需要表面加料时,可以选择ZPI桨。