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使用电阻层析成像技术研究高粘度差异混溶液体在湍流搅拌容器中的混合

期刊:chemical engineering journalDOI:10.1016/j.cej.2024.149712

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《Chemical Engineering Journal》2024年刊载的高粘度差异互溶液体混合研究学术报告

一、研究团队与发表信息
该研究由英国曼彻斯特大学(The University of Manchester)的Sorosh Mirfasihi(第一作者兼通讯作者)、Wrichik Basu、Philip Martin、Claudio P. Fonte、Amir Keshmiri团队与联合利华研发中心(Unilever R&D)的Adam Kowalski合作完成,发表于《Chemical Engineering Journal》第486卷(2024年),文章编号149712,开放获取发布于2024年2月19日。

二、学术背景与研究目标
研究领域为化工过程强化中的湍流混合技术,聚焦于高粘度差异互溶液体(miscible liquids with high viscosity contrasts)的混合行为。工业中常见将高粘度添加剂(如糖浆、聚合物溶液)混入低粘度基液(如水)的过程,但现有研究对粘度差异极大(μr = μab达138,000)的体系缺乏系统性分析。传统混合时间(mixing time)预测模型(如Grenville关联式)在此类体系中误差显著,导致能源浪费与产品质量不稳定。本研究旨在通过电阻抗断层扫描技术(Electrical Resistance Tomography, ERT)量化混合时间,提出适用于高粘度差异体系的新关联式,并为工业设计提供优化依据。

三、研究流程与方法
1. 实验设计与配置
- 搅拌系统:标准四挡板圆柱容器(直径T=高度H=0.15 m),填充2.65 L自来水(基液),采用四种叶轮(径向流Rushton涡轮、轴向流A310/A320翼型、斜叶桨PBT),直径分50 mm(T/3)和75 mm(T/2),转速750–1250 rpm(雷诺数Re>10,000,确保湍流)。
- 添加剂体系:葡萄糖糖浆(glucose syrup)与盐水混合,调节浓度以覆盖粘度比μr=1–138,000,密度差δρ=10–360 kg/m³(表2)。通过流变仪(Physica MCR 302)验证牛顿流体特性(剪切率>10 s-1时粘度恒定,图3a)。

  1. 混合过程监测

    • ERT技术:采用ITS V5R设备,8平面×16电极配置,9600 Hz交流电注入,实时测量80组跨阻抗值(transimpedance)。通过归一化处理(公式16)和均方根混合指数σt,rms(公式17)动态评估混合均匀性,定义95%混合时间t95为σt,rms<0.05的时间点(图5)。
    • 信号处理:中值滤波(窗口0.2–2秒)抑制噪声,避免时间分辨率损失(图4)。
  2. 扭矩与功率测量
    使用Heidolph Hei-Torque扭矩仪测定各叶轮的功率数(Power number, Po),结合流量数(Flow number, Nq)计算泵送效率(Nq/Po),量化叶轮性能(表4)。

  3. 数据分析与建模

    • 无量纲分析:引入修正雷诺数RebnD2a(公式6)和修正傅里叶数Foat95aT2(公式20),建立混合时间与惯性力/粘性力比值的关联。
    • 临界阈值验证:通过重复实验(25次/条件)确定临界Recrit≈10,划分添加剂控制区(ACR, Re<10)和搅拌器控制区(SCR, Re*>10)(图6a)。

四、主要研究结果
1. 混合机制分类
- 快速混合添加剂(RMA):添加剂进入高剪切区后指数级均匀化(图7a),σt,rms衰减速率超理论预测(图8a)。
- 停滞添加剂(SA):因密度/粘度差异沉降或滞留挡板后,混合依赖表面扩散(图7b),t95延长,但符合指数衰减模型(图8b)。
- 平流主导添加剂(ADA):经历低速扩散与高速剪切两阶段(图7c),混合时间预测需分段处理(图8c)。

  1. 叶轮性能比较

    • 大直径叶轮(D/T=1/2)因泵送能力更强,t95普遍低于小直径(D/T=1/3)(图10)。
    • A310翼型因高泵送效率(Nq/Po=1.86)在SCR中表现最佳,但ACR内仍受限于粘度比(表4)。
  2. 普适性关联式
    提出修正关联式(公式22):Fo=18(Po13Re)-1.7,将不同叶轮/粘度比数据统一至单一曲线(图11),误差<10%(SCR)至20%(ACR)。

五、结论与价值
1. 科学价值:首次通过ERT量化了极高粘度比(μr>105)体系的混合动力学,揭示了Re*crit的普适阈值,完善了多相混合理论。
2. 工业应用:为化工、食品、制药行业提供能耗优化依据,例如通过调整叶轮类型(优先选A310)和转速(确保Re*>10)可缩短混合时间30%以上。

六、研究亮点
1. 技术创新:开发基于ERT的动态混合指数算法,实现高噪声环境下t95的精准提取(图5)。
2. 理论突破:提出修正Fo*-Re*关联式,首次涵盖从SCR到ACR的全区间预测(图11)。
3. 数据规模:覆盖6种叶轮×2尺寸×25重复实验,为领域内最全面的高粘度差异混合数据集。

七、其他发现
密度差(δρ)在Re<30,000时对混合有显著影响,但在完全湍流区(Re>40,000)可忽略,与Pandit等(2000)的结论一致。未来研究需进一步探究添加剂初始长度尺度(initial length scale)的影响。


此报告完整呈现了研究的创新性、方法论严谨性及工程指导价值,可作为相关领域学者的重要参考文献。

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