混合操作是极其普遍而又重要的化学工艺过程，广泛存在于化工、石油、食品、造纸、制药、环保等领域的混合、中和、乳化、萃取、反应、气体吸收、传热等单元操作中^[1-3]，如工业生产中有毒气体的收集以及污水的治理再利用均与混合操作密切相关。目前由于混合设备的效率低造成每年高达几十亿美元的经济损失^[4]。因此研究开发新型的高效率、少耗能的混合设备具有重要的意义。

随动式动态混合器是近年来研发的一种新型管路混合装置，其特点是安装方便、混合效率高、具有自清洁功能。研究随动式动态混合器混合性能的常用方法一般是利用高速摄像机对混合过程进行拍摄，然后分析所拍摄视频，通过观察两相流体从开始交汇、混合以及混合充分后的整个过程的运行情况来评价其混合性能^[5-6]。这种方法可以直观地观察到混合全过程，但只能进行定性分析，评价方法单一，也无法与其他相同功能的混合设备进行横向比较。文献[7-8]在研究起旋器对水平液固循环硫化床颗粒分布情况的影响时，利用电荷耦合元件(charge-coupled device, CCD)图像与数据处理系统对其颗粒分布特性进行了研究，结果表明起旋器能有效改善管路内固相颗粒分布不均匀度。为了更加全面地评价随动式动态混合器，本文在随动式动态混合器固液混合性能的实验研究中引入CCD图像传感系统，得出该区域的固体颗粒分布情况；然后将光信号转化为数字信号进行定量分析，通过全面评价随动式动态混合器的混合性能，为随动式动态混合器的推广应用奠定基础。

组合式转子及其辅助部件包括挂件、转轴以及限位件等统称为随动式动态混合器^[5]，其结构示意图如图 1所示。

图 1(Fig. 1)

图 1 随动式动态混合器的结构示意图 Fig.1 Structural representation of the dynamic mixer

本文中所用的实验装置为自行设计并搭建，其示意图如图 2所示。在实验段管内装入随动式动态实验混合器，选用低流阻转子，内置转子的管路为有机玻璃，可以方便数据的采集以及实验过程的分析。实验中管路的内径为25 mm，转子外径为22 mm，转子导程100 mm；分散相入口设计成漏斗形状^[5]以方便物料流入，同时防止在实验过程中连续相流体溢出，下段入口内径为15 mm。

图 2(Fig. 2)

图 2 动态混合器混合实验台 Fig.2 The experimental station of dynamic mixer mixing

实验中水为连续相，固体颗粒为分散相，固体颗粒有3种，直径为1~2 mm，形状为圆形，具体参数见表 1。

表 1(Table 1

表 1 3种固体颗粒物性参数 Table 1 Physical parameters of three kinds of solid particles 混合相 密度比 颜色 类型 粒径/mm 硬度 水 1 无色 — — — 粒子a 0.48 黑色 硬质泡沫 1~2 硬 粒子b 1.28 墨绿色 塑料颗粒 1~2 硬 粒子c 2.8 黑色 玻璃珠 1~2 较硬

下载CSV 表 1 3种固体颗粒物性参数 Table 1 Physical parameters of three kinds of solid particles

按照实验设计，通过调节阀门的开度大小调节连续相流体的流量，利用改装拼接的长度为180 mm、内径为14.3 mm的针筒将固体颗粒注入实验管路, 为方便物料流入将针筒底部变径口切除。每组实验将物料填装满整个针筒，以保证在相同时间内流入相同体积的颗粒。实验时，用薄纸片将针筒内固体颗粒封装以防止漏出，然后用针筒将固体颗粒从图 2所示的分散相入口匀速缓慢注入。为使固体颗粒与转子充分接触，在实验段管路内放置两组转子，每组6个，待流动稳定后，利用CCD图像传感器在转子尾部Ⅰ处(图 2)对随动式动态混合器的混合效果进行分析。

管内两相流的流动特性参数通过CCD图像采集及处理系统在线处理。CCD图像传感器处理系统通过模数转换器芯片将光信号转换成数字信号进行分析^[9-10]。其波形图(图 3)横轴坐标代表传感器的128个像素点，也即传感器在主方向的位置点；纵轴坐标表示灰度，即固体在管路内的颗粒分布密度，其值越高表示透光率越高，即该区域粒子分布密度越低；其值越低则透光率越低，说明该区域粒子分布密度越高。

图 3(Fig. 3)

图 3 CCD波形图 Fig.3 The CCD waveform

测量实验段管路的方案如图 4(a)，在管路一侧进行补光，在相对的一侧放置CCD传感器。由于颗粒在水平管内流动时分布不均匀，故将测试段垂直横截面分成5个区域^[7](图 4(b))，通过CCD图像处理系统得出每个区域的颗粒分布密度(灰度值)，并采用颗粒分布密度来表征管中固体颗粒分布的不均匀程度。

图 4(Fig. 4)

图 4 实验方案 Fig.4 Experimental scheme

在实验段管路中通入连续相液体水，暂时不汇入固体颗粒，对CCD图像传感器处理系统进行初始化，图 5为实验段管路转子尾部Ⅰ处横截面分区在CCD图像处理界面所对应的位置。

图 5(Fig. 5)

图 5 CCD图像传感器初始化 Fig.5 CCD image sensor initialization

保持连续相水的流速恒为1 m/s，从分散相入口加入3种固体颗粒，其CCD波形如图 6所示；将3种粒子CCD波形图进行转化，得到不同区域的3种粒子颗粒分布密度情况如图 7所示。图 7中纵坐标表示固体颗粒分布密度，其值为100%表示无颗粒通过，其值越小则表示该区域的固体颗粒含有率越高。

图 6(Fig. 6)

图 6 不加入转子的CCD波形图 Fig.6 The CCD waveform graph in the pipe without a rotor

图 7(Fig. 7)

图 7 不加入混合器的颗粒分布情况 Fig.7 Particle distribution in the pipe without a rotor

由图 6、7可以看出，粒子a主要上浮在管路的第一区域，第二区域有少量粒子；粒子b主要下沉在管路的第四、五区域，第三区域也存在少量粒子；粒子c主要下沉在管路的第五区域。在混合管路中，固体颗粒主要受到自身重力和液相流体剪切力作用，因此液相流体在混合管路内的流场成为影响固体颗粒分布的主要因素。不加入动态混合器时，在重力以及与液相流体之间的剪切力作用下，进入管路内的固相颗粒的分布呈现聚集情况：密度较小的颗粒集中在一区即管路的顶部区域，密度较大的颗粒都在五区即管内的底部区域，密度适中的颗粒聚集在三、四、五区域即管路的中下部位。由此可知，未加入动态混合器时混合管路内的流场未发生改变，固相颗粒与液相流体混合情况较差。

在实验段管路中分两组，每组6个加入低流组转子进行实验，水流速度为1 m/s；3种不同密度的固体颗粒分别从分散相入口均匀流入，用CCD图像处理系统得到如图 8所示的波形图，不同区域的3种粒子颗粒分布密度如图 9所示。

图 8(Fig. 8)

图 8 加入转子的CCD波形图 Fig.8 The CCD waveform graph in the pipe with rotors

图 9(Fig. 9)

图 9 加入混合器的颗粒分布情况 Fig.9 Particle distribution in the pipe with rotors

从图 8中可以看出，粒子b的颗粒分布密度曲线最为平稳，颗粒分布情况最好，也说明在粒子b在1 m/s的流速下管路内分布情况最好。由图 9可以看出加入组合转子后，粒子a和粒子b的分布情况有了明显的改善，粒子c因为比重太大，转子能起到的作用有限，使其分布改善不明显。这表明在动态混合器固液混合中，粒子密度对混合的影响较大，所以密度接近于水的颗粒b分布情况最好。

为了探究不同流速下动态混合器对于同一种固体粒子混合作用的影响，选择2.1节中的粒子b，分别在0.6、0.8、1.0和1.2 m/s的水流速度下利用低流阻转子进行实验，得出4种不同流速下CCD图像如图 10所示，3种粒子颗粒分布密度图如图 11所示。

图 10(Fig. 10)

图 10 不同流速下的CCD波形图 Fig.10 The different velocities of CCD waveform graphs

图 11(Fig. 11)

图 11 不同流速下固体颗粒在管路中的分布情况 Fig.11 The different velocities of distribution of solid particles

从图 10、11中可以看出，当管内流体流速达到1 m/s时，管内颗粒分布较为均匀，一区到五区的颗粒分布密度值相差不大，曲线的斜率最小，说明各个区域的固体含有率较为均匀，混合的效果最好；管路内流速为0.6 m/s时，一区灰度值小于二区域，从二区到五区依次递减；管内流体速度达到0.8 m/s时，一区的颗粒分布密度值较大，二区到四区依次递减，五区略高于四区，说明颗粒在底部区域沉积较多，混合效果不好，这是因为叶片转子转速较低时，固体颗粒接触叶片转子后被叶片转子剥离开时的切向速度较小，加上自身的重力，固体颗粒被扰乱的动力会减小，所以固体颗粒离开叶片时间较短动能减少就会继续往下沉。管内流体速度达到1.2 m/s时，一区和五区的颗粒分布密度相近且较低，但是二、三、四区分布密度较大，说明该流速下固体颗粒基本都在管内上下两个区域，中间分布较少，因此混合效果也较差。原因是叶片转子转速较大时，固体颗粒接触叶片转子后被叶片转子剥离开时的切向速度较大，使固体颗粒向管的底部与顶部运动，这样虽然增强了无序性，但是无法与管路中央的流体混合，仍然达不到混合要求。

(1) 在主流体流速1 m/s时加入螺旋转子，对于密度与水接近的固体颗粒，由于转子的旋转运动，混合管路内流场发生改变，固体颗粒受到管路内流体的剪切作用后使聚集在一起的固体颗粒被打散，固体颗粒在流体的剪切力作用下由原来的有序流动变为无序流动，增加了与液相流体的混合时间与几率，说明加入转子能提高管路的混合效果。

(2) 在管内主流体速度为1 m/s时，密度为1.28的固体颗粒混合效果相对最好。实验结果表明适中的液相流体速度会使管内固液混合更加充分，达到混合要求。