搅拌桨是用于在液体、气体或固体之间实现均匀混合的关键设备,广泛应用于化工、制药、食品加工、生物技术等多个行业。它的主要作用包括但不限于促进均匀混合、加速溶解过程、控制温度分布、促进化学反应、改善产品质量、优化工艺流程、防止结块和堵塞等。
为满足不同场景需求,搅拌桨设计需多方面考量,本文由科百特技术团队带来相关研究分享,希望能为您在工艺设计及选型时提供参考。
01 影响传质的因素
1.搅拌桨的种类
· 轴流式桨叶(Axial Flow Impeller)
特点:桨叶与轴向方向存在一定角度,旋转主要产生轴向流动,并伴随少部分的径向流,液体沿轴心上下循环;
· 径流式桨叶(Radial Flow Impeller)
特点:桨叶与轴线平行,流线主要以径向流为主,液体沿半径方向流出。
· 螺旋式桨叶(Helical Ribbon Impeller)
特点:桨叶呈螺旋形,旋转时同时产生径向流与轴向流。
· Rushton 桨叶(Rushton Turbine)
特点:单个桨叶面积较小但具有多个平板桨叶,产生强烈的径向流动和剪切力。
2. 传质效应
搅拌桨通过加强液体的对流混合来提高传质效率,尤其在生物反应器中需要维持均匀的营养物质、气体(如氧气)、产物和代谢物的分布。影响传质的因素包括:
· 转速: 搅拌桨的转速越高,液体的混合速率越快,传质效应越强。但过高的转速可能带来高剪切力。
· 桨的设计: 不同设计的搅拌桨会形成不同的流体流型,影响液体中的湍流、气泡分散和传质界面。
· 气液传质(O2传质): 氧气作为发酵和细胞培养中重要的反应物,通过搅拌桨引起的气泡分散和破碎促进氧气从气相到液相的传递。
3. 剪切力效应
剪切力是流体流动过程中产生的摩擦力,在生物反应器中起着双刃剑的作用:
· 正面影响: 剪切力可以帮助破碎大气泡,增大气液接触面积,增强传质效果;还能避免沉积现象发生。
· 负面影响: 过高的剪切力可能对敏感的生物系统(如细胞培养)造成损害,导致细胞膜破裂或细胞死亡。
4. 湍流与层流
· 湍流:搅拌桨的转动可以在反应器内产生湍流,湍流促进了物质的快速混合和传递,特别是在大型生物反应器中,这对于维持均匀的环境至关重要。
· 层流:在较低的转速或温和的搅拌下,层流条件下的传质较慢,适合对剪切力敏感的系统。
02 有限元仿真
有限元分析(Finite Element Analysis, FEA)可以用来模拟桨叶在工作中受力的情况,包括剪切力。剪切力是由不同方向的应力引起的,通常发生在材料的横向面上,在桨叶的运动过程中,剪切力可能由水流的冲击或流体动力的变化产生。以下是进行有限元分析的一般步骤:
1. 建立几何模型
首先,创建桨叶的三维几何模型,确保模型尽可能准确地反映实际结构。几何模型可以通过CAD软件(如SolidWorks、AutoCAD等)创建。保持罐体直径与桨叶直径比例不变,桨叶高度不变,仅改变桨叶形状,建立以下模型:(从左到右分别为轴向桨叶、径向桨叶、螺旋式桨叶、Rushton 桨叶)
2. 材料属性
桨叶固体为聚乙烯材料属性。流域为25℃液态水
3. 网格划分
将几何模型离散化为有限元网格。网格的密度决定了分析的精度和计算时间,复杂区域(如应力集中区域)需要更细密的网格整体网格质量保持最小正交质量大于0.1或最大倾斜度小于0.95。
4. 定义边界条件和载荷
· 载荷:桨叶在工作时承受的主要载荷包括流体力学载荷、离心力、以及可能的重力载荷。特别地,可以模拟水流在桨叶表面产生的压力和流体动力,进而计算其引起的剪切力。
5. 求解
选择适当的求解器(通常是结构求解器)来计算桨叶在工作条件下的应力分布,重点分析剪切应力的分布情况。
6.结果分析
①径向流桨叶:搅拌桨在液体中产生径向流动,从而实现液体内部的均匀混合。具体来说,径向流搅拌桨通过搅拌转子的旋转运行,产生的离心力将液体沿着搅拌器的方向推向外部,并形成较大剪切力。在这一过程汇总,液体的分子被迫进行相对运行,从而实现液体的混匀和传质;
②轴向流桨叶:液体被桨叶推向与旋转轴平行的方向,即沿搅拌器的轴线方向(上下方向);液体从桨叶处被推向搅拌器轴线方向,遇到容器底部或其他障碍物后,会向四周扩散并沿容器壁回流,形成循环流动。循环流动的液流最终返回到桨叶区域,重复上述过程。
③螺旋式桨叶:螺旋形的桨叶推动液体在径向和轴向上移动,形成缓慢而均匀的液流;液体沿搅拌桨的螺旋方向上升或下降,通常形成由下向上的流动路径,将下层物料逐步带到上层并与其混合,从而实现上下层均匀混合。
④Rushton桨叶: 桨叶围绕搅拌轴旋转,将液体水平地推向径向外侧;液体在桨叶的推动下径向向外流动,撞击到容器壁或挡板后,产生强烈的湍流,使液体沿容器壁向上下方向循环流动;当用于气-液体系时,Rushton桨更容易将气体切割成小气泡,同时液体湍流增强了气液界面的接触,从而提高气体传质效率。
03 结果分析
在混合与传质性能上,轴向流桨叶、径向流桨叶、螺旋式桨叶和Rushton桨叶各有不同的特点与应用领域。它们的主要差异体现在混合流动模式、剪切力、传质效果以及适用的物料粘度等方面。
1. 轴向流桨叶
特点:
·剪切力较低,流体流动较平稳,适合低至中等粘度的液体。
混合与传质性能:
· 传质:适用于液-液或固-液传质,且由于剪切力小,适合需要保持物料结构的场合,如生物发酵、酶反应等。
2. 径向流桨叶
特点:
混合与传质性能:
3. 螺旋式桨叶
特点:
混合与传质性能:
4. Rushton桨叶
特点:
混合与传质性能:
· 传质:在气-液体系中具有优良的传质效果,适合快速混合和高效传质的工艺需求。