НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА»

Інститут екології, природоохоронної діяльності та туризму ім. В.Чорновола

Кафедра прикладної екології та збалансованого природокористування

Практичне заняття

Розрахування ефективності

перемішування середовища

з курсу:

«УСТАТКУВАННЯ ЕКОЛОГІЧНО-БЕЗПЕЧНИХ ТЕХНОЛОГІЙ»

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

Розрахування ефективності перемішування середовища. Методичні вказівки до практичних робіт з курсу до практичних робіт з курсу "Устаткування екологічно безпечних виробництв" для студентів базового напрямку 6.070801 “Екологія” / Укл. Гуглич С.І., Вронська Н.Ю., Ятчишин Ю.Й. – Львів: Видавництво Національного університету "Львівська політехніка", 2008. – 20 с.

Укладачі: Гуглич С.І. , к.т.н., старший викладач,

Вронська Н.Ю. , інженер,

Ятчишин Ю.Й., к.т.н., доцент

Відповідальний за випуск Мальований М.С., д-р технічних наук, професор

Рецензент: Гумницький Я.М., д-р технічних наук, професор

Мета|сутність| процесу та основні методи перемішування

Процес перемішування застосовують для отримання|здобуття| однорідних або гетерогенних сумішей: розчинів, емульсій, суспензій. За умови перемішування досягається рівномірний розподіл фаз у всьому об'ємі|обсязі| та їх тісна взаємодія. В результаті|унаслідок| перемішування отримують|одержують| суміш, яку використовують як кінцевий|скінченного| продукт або реагент для інших стадій технологічного процесу. Підчас перемішування можуть протікати інші процеси: теплообмінні|теплообмін|, масообмінні|, хімічні, які інтенсифікуються за умови здійснення цього процесу.

Залежно від цільового призначення процесу перемішування його ефективність визначається по різному. Так, якщо перемішування використовують для проведення хімічної реакції, то оцінюють вплив перемішування на вихід і вибірковість процесу, що проводиться. При приготуванні емульсій має значення однорідність, що досягається, і стабільність емульсії. У теплообмінних процесах має значення підвищення коефіцієнту теплопередачі і т. п.

Для проведення процесу перемішування використовують наступні основні способи: 1) механічний, при якому перемішування здійснюють різними пристроями, що обертаються; 2) барботажний, що здійснюється пропусканням газу через шар рідини; 3) гідравлічний, що здійснюється змішуванням потоків за умови їх сумісного руху в каналі або підчас перекачування перемішування середовищ насосом.

Використовувані для процесу перемішування апарати називають змішувачами.

Перемішування середовища в апараті здійснюється:

• у гетерофазних процесах, насамперед тих, які відбуваються в дифузійній області, з метою:

– створення необхідної поверхні контакту фаз;

– прискорення процесів тепло- та масообміну;

• у гомогенних процесах з метою:

– вирівнювання концентрацій компонентів середовища і температури в об’ємі;

– інтенсифікації передачі теплоти за рахунок збільшення швидкості руху рідини поблизу поверхні теплопередачі;

– створення розвиненої поверхні контакту фаз під час перебігу швидких реакцій у дифузійній області;

– забезпечення необхідного гідродинамічного режиму в апараті.

Недоліки використання перемішування зумовлені:

• громіздкістю апаратів з мішалками (насамперед, безперервної дії);

• значною витратою електроенергії на перемішування;

• негативними гідродинамічними явищами, а саме:

– нерівномірним розподілом швидкості руху потоку в осьовому напрямку;

– випадковим відхиленням швидкостей, зумовленим тепловим рухом;

– турбулентними завихреннями;

– порушенням розподілу швидкостей внаслідок молекулярної дифузії під час ламінарного руху.

В залежності від в’язкості середовища та інтенсивності теплообміну використовують такі пристрої для перемішування:

• мішалки – для механічного перемішування середовища;

• пневматичні пристрої – барботери – для перемішування за допомогою стисненого інертного газу або газу-реагенту (рис. 1,а);

Рис.1.а) барботажне перемішування

• шнекові пристрої – для перемішування середовищ з високою в’язкістю;

• різного типу тарілки та насадки – для створення плівки або піни (рис. 1,б);

Рис.1.б) діафрагмне перемішування

• сопла, змішувачі, інжектори – для змішування сировини на вході в реактор (рис. 1,в);

Рис.1.в)інжекторне перемішування

• відцентрові насоси – для перемішування середовища в потоці за межами реактора(рис. 1,г).

Рис.1.г)циркуляційне перемішування (1 – відцентровий насос; 2 - ємність)

Найбільш широко застосовується механічне перемішування за допомогою мішалок різних типів (рис.2), яким надається обертовий рух безпосередньо від електродвигуна, або через редуктор чи клиноремінну передачу.

Рис. 2. Конструктивна схема мішалки

D – діаметр ємності, м; – діаметр робочого органа, м; H– висота ємності, м; H_P – висота рідини в ємності, м; h – висота між лопаттю та днищем, м;

За типом створюваного мішалкою потоку рідини розрізняють рух середовища:

• тангенціальний (якірні, рамні мішалки) – рідина рухається концентричними колами, паралельними до площини обертання мішалки;

• радіальний (турбінні) – рух середовища спрямований від осі обертання мішалки до стінки апарату;

• осьовий (пропелерні) – середовище рухається паралельно до осі обертання мішалки;

• змішаний (комбінований).

Для інтенсифікації перемішування, як правило, збільшують кількість обертів та діаметр мішалки. Під час роботи високошвидкісних пропелерних та турбінних мішалок в апараті може утворюватися центральний вир, тому для підвищення ефективності перемішування й усунення цього явища на стінках апарата встановлюють відбійні перегородки (рис. 3).

Рис. 3. Схема потоків рідини в апараті з мішалкою

(а – без відбійної перегородки; б - з перегородками)

Для ущільнення валу мішалки використовують гідрозатвори, сальникові та торцеві ущільнення. Для економії витрати електроенергії на перемішування до двофазних рідких середовищ додають поверхнево-активні речовини.

Так як більшість процесів хімічної технології відбувається в основному в апаратах з механічними перемішуючими пристроями, тому важливе значення в роботі цих машин має тип та конструкція перемішуючого пристрою, робота якого направлена на перетворення впорядкованої механічної енергії в невпорядковану теплову енергію за рахунок сил опору з боку корпусу апарату.

В результаті перемішуючий пристрій розсіює в об’ємі апарату енергію, величина якої залежить від конструкції робочого органу, характеристики приводу та конструкції мішалки. Все це визначається потужністю, що затрачується на перемішування, яка залежить від режиму руху рідини в апараті.

Потужність електродвигуна для приводу перемішуючого пристрою мішалки визначається за формулою:

, (1)

де - коефіцієнт, що враховує заповнення ємності перемішувальною рідиною;

– висота рідини в ємності, м;

– діаметр ємності, м.

– коефіцієнт, що враховує збільшення потужності при пуску, або підвищенні опору середовища в процесі перемішування, здебільшого приймається ;

– потужність, що затрачується на перемішування, Вт;

– потужність, що втрачається в сальниках, Вт;

– К.К.Д. приводу.

При перемішуванні рідин з в’язкістю або при зміні опору середовища в процесі перемішування приймаються наступні значення :

• для однолопатевих перемішу вальних пристроїв ;

• для багато лопатевих, якірних, рамних і турбінних мішалок ;

• для пропелерних мішалок .

Рівняння, що описує затрату потужності безпосередньо на перемішування компонентів у рідкому середовищі, має вигляд:

, (2)

де – критерій потужності;

– потужність, що затрачується на перемішування, Вт;

– в’язкість перемішувального середовища, ;

– частота обертання робочого органа, ;

– діаметр кола, яке описує робочий орган, м.

– відцентровий критерій Рейнольда; – густина середовища, кг/м³;

– відцентровий критерій Фруда – враховується в ємностях без перегородок у швидкісних мішалках при утворенні воронки;

– прискорення вільного падіння , м/с²;

– симплекс геометричної подібності;

– діаметр ємності, м;

– кількість лопатей в мішалці;

– кількість перегородок в ємності;

коефіцієнти, що визначаються дослідним шляхом.

Таблиця 1