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流体混合原理”试题1. 简述混合物料的种类及其特性混合物料的分类黏 性 流 体牛顿流体非 牛 顿 流 体纯 黏 性 非 牛 顿 流 体黏弹性流体宾汉塑性流体假塑性流体胀塑性流体触变性流体震凝性流体非依时性非牛顿流体依时性非牛顿流体⑴. 牛顿流体：当某种流体上承受的切应力正比于所产生的切应变速率时，该流体称为牛顿流体 其中τ 为剪切应力，Pa；μ 为粘度，Pa·s；γ 为剪切速率，1/s (2).非牛顿流体牛顿流体与非牛顿流体①非时变性非牛顿流体 这类流体的切应力仅与剪切变形速度有关，即粘度函数(式(2))仅与应变速率有关，而与时间无关 其中 为表观粘度或称粘度函数非时变性非牛顿流体主要包括以下3 种：1)宾汉流体(或称塑性流体) 它是只当剪切应力大于某一数值时才开始流动的流体，这时体系并非全部发生形变，而是产生滑动，中间未发生变化的部分仍按原来的结构形式一起向前运动当应力大于屈服值后，其流动性跟牛顿流体完全一样一些浓悬浮液如糊状物、软膏、面团、淤泥等，在适当条件下可表现出这种行为。

2) 剪切稀化流体(也称假塑性流体) 这种流体没有屈服值，表观粘度随剪切速率增加 而减小这种粘度随剪切速率增大而减小的现象称为剪切变稀现象大多数高分子溶液和乳状液具有明显的假塑性3) 剪切稠化流体(也称膨胀型流体) 与假塑性流体相反，膨胀流体的表观粘度随切变速率增加而增大，这种现象称为剪切增稠现象 一些浓稠悬浮体、蛋白质及某些高分子溶液可表现出切力增稠现象时变性非牛顿流体这类流体的粘度函数不仅与应变速率有关，而且与剪切持续时间有关②时变性非牛顿流体大致分为2 类：1)触变性与震凝型流体 在一定的剪切变形速率下，触变流体的粘度函数随时间减小，而震凝型流体则相反，表观粘度随时间而增大，震凝性体系很少，实际遇到的触变性体系较多，某些粘土悬浮液、陈胶、溶胶及高聚合物可表现出触变性2)粘弹性流体 这类流体兼具粘性和弹性，与粘性流体的主要区 别在于外力消除后产生部分应变回复粘弹性流体除粘度函数与剪切持续时间有关外，在剪切流动中还表现出法向应力差效应2. 实现流体混合的方式有哪些？并说明各自的混合机理？①掺和　用机械的方法混合两种或多种粉粒状固体物料所用的机器称为掺和机，这是一个与回转轴不对称的空筒，物料在筒中翻腾抛掷。

筒的转速和物料装填率(物料的堆积容积与筒的总容积之比)是影响掺和效果的重要操作参数，可由试验决定装填率一般约为30％～50％，适宜转速按ω2R/g＝0.25～0.8确定（式中ω为角速度,R为筒体的最大旋转半径,g为重力加速度）掺和常用于各种原料药与淀粉的混合，染料或颜料的调色，不同种类合成树脂的混合等②捏和　用机械方法混合糊状或高粘度物料所用的机器称为捏和机，机中通常有一对反向旋转的Z型或S型刮刀，将团块物料剪断、挤压、折转，使各种组分相互分散在捏和过程中，粘性摩擦或伴随发生的化学反应使机器发热，需通过间壁进行冷却捏和常用于药物剂型、食品原料及电极糊的调配等③混炼　专指在生橡胶中混入碳黑、硫磺等粉粒状配合剂的操作所用的机器是密封式的混炼机，又称密炼机机内装有一对柱形轧辊，辊上有两条或四条螺旋状突棱两辊以不同转速作反向旋转，对物料进行强烈剪切和分割机内设有冷却装置，以除去由物料摩擦所产生的热量④搅拌　将液体、气体或固体粉粒分散到液体中去的一种最常用方法　　⑤射流混合　利用工作流体本身的能量在其流动过程中进行的混合工作流体从圆形管口或渐缩喷嘴高速喷出，形成射流由于射流与周围流体交界处的湍流脉动，使两种流体发生混合。

射流混合在工业上主要用于大容器内低粘度液体互相混合，如大型汽油槽中添加少量四乙基铅，也用于防止槽内固体悬浮物的沉积，此时可将喷嘴对着槽底，扫动沉淀，并使它悬浮起来⑥管道混合　用一个三通管使两种流体汇合，然后流经一段直管，借湍流脉动达到相互混合在管内加装孔板或圆缺形折流挡板，可加强流体的湍流程度，提高混合效果此法主要用于低粘度液体或气体的混合静态混合器是一种管道混合设备在管内设置静止的分割元件，对流动流体作多次分割和汇合这种混合器不限于湍流操作，也适用于层流操作的高粘度液体的混合典型的静态混合器（见图）是在圆管中设置若干个扭转180°的螺旋片作为元件,左旋和右旋的两种螺旋片相间安装流体每流经一个螺旋片，就被分割成两股，流经n个元件,流体即经过2n次分割和汇合若管内设有20个元件,流体被分割的次数将高达100万次以上静态混合器常用于萃取和乳液制备等3.简述流体混合实验测试方法及原理①混合时间的测量(1) 电导法该法测量混合时间简单方便，有较好的重现性，但对水质要求较高搅拌介质为去离子水，测量时向搅拌槽中加入一定体积一定浓度的NaCl溶液，用电导仪显示槽中电解质浓度的变化从加入NaCl溶液至电导仪的读数不再因电解质浓度的波动而改变所经历的时间即为混合时间。

一般用于低粘度流体混合时间的测量，不适合高粘度流体混合时间的测量优点是操作简单方便，有较好的重现性缺点是对水质要求较高，水消耗量大，实验成本高2) 温差法顾名思义，就是借助温度差别判断混合是否结束实验方法为：向搅拌槽中加入一定量的热水，然后通过至于不同位置的温度传感器来检测温度的变化判断混合进行的程度优点是速度快，精度高，简单灵活，可用于低粘度流体混合时间的测量，又可用于中高粘度流体混合时间的测量3) 脱色法对于高粘流体的混合，可用碘和硫代硫酸钠的脱色反应来测定混合时间使用该法时，要求搅拌釜和流体必须透明先在釜内流体中加入一定量的碘溶液，通过搅拌使流体均匀着色，在稳定的搅拌转速下将适当过量的硫代硫酸钠溶液（例如，碘与硫代硫酸钠的当量比为1：1.4）快速加入釜中，用眼睛观察或用光电池监视其退色情况从投入硫代硫酸钠溶液起到颜色褪至某个规定程度所需的时间就是混合时间②停留时间分布的测量1.固体粒子停留时间分布的测量固体粒子停留时间的测量方法有间接法和直接法两种间接的测量是基于总的固体相速度和相分率；而直接法大多数借助示踪剂进行测量采用示踪剂测量时，除要求示踪剂具有与被测体系有相同的流动行为外，还要求具有可分辨的其他物理或化学性质，诸如荧光性、导电性、红外或介电性等。

最常用的示踪剂是颜色示踪剂、化学示踪剂、磁性示踪剂、放射性示踪剂2.液相停留时间分布的测量液相停留时间分布常用的测量方法有染料示踪剂测量法、电导示踪法、折射指数法、放射性法和热示踪剂法等在采用示踪剂测量方法时，一般要求示踪剂的流动性质，特别是浓度、黏度、界面张力和互溶性等必须尽可能接近于被测试介质同时为了保证相似性，对于水溶性体系建议用水溶性电解质作为示踪剂，对于有机体系则采用可溶于有机物的物质作示踪剂如果混合体系中含有多孔固体，或者容器内壁、或内部构件易于吸收示踪剂，那么一些示踪剂就会被吸附到这些材料上，从而增大测量难度此时要设法选择一种不易被吸附的材料做示踪剂③搅拌功率测量电机反扭矩测量法工作原理：当电机工作时，作用于电动机转子上的电磁矩和作用于电动机定子上的电磁矩总是大小相等，方向相反因此，只要测出作用于定子上的扭矩就等于测出了转子上的扭矩，作用于转子上的扭矩计算公式为： 为扭矩仪测得的扭矩Nm，为角速度④相分率测量每个相左占有的体积分率称为相分率，通常用符号加上适当的下标表示，显然 式中 ——固相分率； ——气相分率； ——液相分率；（1） 固体粒子相分率测量方法ⅰ 体积法：如果固体的体积已知，或者质量和密度已知，根据混合体系体积的测量，可以方便的计算固体的相分率ⅱ 局部分离法：局部取样，在分析相分率。

必须保证取样时不干扰体系内流动，所有相能够按照原来的比例被取出ⅲ 压力法：基于测量体系中两点压差较无固含率时的变化2） 气相或液相相分率的测量方法气相或液相相分率的测量方法有液位法、压差法、流动法、光电法等其中液位法通常只使用于间歇操作体系；光电法适用于局部测量，其优点是可获得分布信息，但要获得全部信息就要进行大量测量；压差法比较简单方便，但随着压力增高，精度下降；传统的流动法只适合用于低压系统⑤流体速度分布测量1）投影法：把固体、液体和气体栗子悬浮于搅拌液体中将搅拌容器放置在暗箱内，然后通过一条细缝射入一束狭窄的光线，根据栗子轨迹长度和曝光时间可得流速不适用于观测混合容器中的湍动，原因是波动速度比平均流速大2）皮托管皮托管可以用来测量混合容器中的流速，对于三维流的测定，必须先用皮托管探测流向，再换探头测量流速当湍动大时，测定的数据偏大，而且不易测量低速3）热膜风速计液体流率能影响电热细导线或薄膜的散热速率，根据这个原理可以测量流速和波动速度一种是恒温式，一种是恒流式使用热膜风速计时，应该用过滤水和蒸馏水，且探头必须经常校准探头上的感受器，必须调整到对准测量点的最大流向4）新的测量方法激光多普勒测速仪 Laser Doppler Anemometer简称LDA，是利用运动粒子散射光的多普勒效应理论测量粒子速度，即以测量流动中的粒子速度来近似当时当地的流体质点速度，最大的优点就是不干扰流场 。

粒子图像测速技术 Particle Image Velocimetry，简称PIV，是一种利用粒子对流体的跟随性来测定流场速度的流动测试方法是对全流场的测量，可以到的是瞬态流场数据4.说明搅拌放大基本方法及其准则1）相似法：搅拌设备中的相似条件很多，如几何相似、运动相似、动力相似和热相似等所谓几何相似就是指放大过程保持所有主要尺寸的比例相同；运动相似是指所有的速度保持相同的比例；动力相似是指所有的力保持相同的比例；热相似是指所有位置的温差保持相同的比例根据相似理论，要推广试验参数，就必须使两个系统具有相似性不同搅拌目的的放大准则要求重现的过程结果放大准则均一系混合速度（与等效）分散相混合速度对应的流速一定同一液滴直径（与等效）使液滴分散的最小转度相际传质速度固液悬浮或溶解速度2）非几何相似法：使用几何相似的条件是为了简化放大计算；通过使不同尺寸的罐的关键混合参数相似，进而达到过程结果的相似，才是放大的目的进行非几何相似放大时，必须通过实验尽力找出影响过程结果的关键混合参数以及这些参数允许的波动范围还须通过冷模实验弄清搅拌功率准数，排出流量等混合参数和几何参数（d/D、b/D等）之间的关系、以便用调节几何参数的方法使大罐的混合参数按所需方向变化。

3）数模放大：关键是模型的建立放大模型是该被放大过程、机理或现象的一种近似反映数学模型通常是过程的一种抽象，有多种形式，可以分为基础模型和经验模型，简单模型和复杂模型，稳态模型和动态模型，确定模型和统计模型等基础模型通常由一系列基础方程组成，包括质量平衡、动量平衡、能量平衡方程等经验模型通常由实验得到，只研究输出和输入的关系虽然数模放大方法目前还有许多问题需要解决，不过它是目前最先进的放大方法，也是今后发展的方向5.评价搅拌性能的指标都有哪些？混合时间，搅拌功率消耗，流体速度分布，非均相系统中泡、滴直径6.说明气-液、液-液和液-固体系搅。