8.1.4. Расчет мешалок

Как уже отмечалось, цели перемешивания могут быть различными: приготовление эмульсий и суспензий, увеличение интенсивности тепло – и массообменных процессов. Эффективность перемешивания оценивается, как правило, критерием Рейнольдса мешалки Re_м (8.6), его иногда называют центробежным критерием Рейнольдса и обозначают Re_ц. Эффективность перемешивания, необходимая для осуществления определенного процесса, находится из критериальных уравнений. Определяемым критерием при этом является, как правило, Re_м. Например, для достижения равномерного распределения твердых частиц в жидкости (приготовление суспензии) существуют эмпирические уравнения для различных типов мешалок, связывающие Re_м с критерием Архимеда и геометрическими симплексами:

. (8.15)

Таким образом, первым этапом расчета является выбор нормализованной мешалки с учетом объема перемешиваемой среды и определение для нее из уравнений типа (8.15) критерия Рейнольдса. По величине Re_м можно найти из (8.6) число оборотов мешалки n. Затем рассчитываются критерий Фруда (8.7) и критерий мощности мешалки K_N (8.14). Далее определяют мощность, расходуемую на перемешивание в стационарном режиме N из (8.13). Если требуется найти установочную мощность электродвигателя, то ее увеличивают в 2 – 3 раза, учитывая необходимый запас для запуска мешалки (в момент запуска сопротивление лопастям мешалки оказывается значительно выше, вследствие большей скорости движения лопасти относительно покоящейся жидкости), а также потери энергии в самом электродвигателе (к.п.д. меньше единицы).

Для мешалок периодического действия требуется определить продолжительность процесса перемешивания . C этой целью вводится критерий времени перемешивания K_t:

. (8.16)

Минимальная величина данного критерия находится из эмпирических соотношений типа

. (8.17)

Поскольку процесс перемешивания может осуществляться с помощью мешалок различных типов, правомерна постановка задачи оптимизации, заключающаяся в выборе типа мешалки, обеспечивающей необходимую эффективность процесса при минимуме затрат.

8.2. Пневматическое перемешивание

Пневматическое перемешивание сжатым инертным газом или воздухом является малоэффективным процессом. Расход энергии при пневматическом перемешивании больше, чем при механическом. Перемешивание жидкости сжатым газом осуществляется двумя способами: свободным барботированием и циркуляционным методом.

При свободном барботировании на дне аппарата устанавливают барботер, представляющий собой трубу с отверстиями (рис. 8.10). В барботер подается сжатый газ, который выходит из отверстий барботера в жидкость в виде пузырьков. При подъеме пузырек выталкивает жидкость перед собой и в стороны. Кроме того, при подъеме пузырьков жидкость, находящаяся в непосредственной близости к их поверхности, под действием касательного напряжения приводится в движение и увлекается пузырьками. При массовом барботаже происходит как коалесценция, так и разрушение пузырьков. Все эти явления и ведут к перемешиванию жидкости.

При циркуляционном пневматическом перемешивании газ подается в циркуляционную трубу (рис. 8.11). Пузырьки газа увлекают за собой вверх по трубе жидкость, находящуюся в сосуде, которая по выходе из трубы затем опускается вниз по кольцевому пространству между трубой и стенками аппарата, обеспечивая циркуляционное перемешивание жидкости.

Рис. 8.10. Смеситель со Рис. 8.11. Барботажный смеситель свободным барботированием с циркуляционной трубой

Давление газа на входе в барботер p определяется по формуле

, (8.18)

где р₀ – давление над слоем жидкости в аппарате, H/м²; H – высота слоя жидкости над барботером, м; _ж, _г – плотности жидкости и газа, кг/м³; – суммарный коэффициент сопротивления барботера;– скорость газа на выходе из отверстий барботера, м/с.