4.12 Перемешивание

Перемешивание веществ одинакового или различных агрегатных состояний широко используется в химической технологии.

Например, перемешивание жидкостей либо жидкой и твердой фаз осуществляется с целью получения суспензий, эмульсий и растворов. При перемешивании достигается равномерное распределение фаз или смешиваемых компонентов во всем объеме и обеспечивается их тесное взаимодействие.

Перемешивание применяется для более эффективного протекания тепловых, массообменных и химических процессов.

Для характеристики способов и аппаратурного оформления процессов используют понятие об эффективности и интенсивности перемешивания.

Эффективность перемешивания характеризует качество проведения этого процесса и оценивается в зависимости от целей перемешивания. Так, при получении суспензии или эмульсии эффективность характеризуется равномерностью распределения дисперсной фазы, при протекании химических процессов – степенью превращения или расходом реагента, а при интенсификации тепловых или массообменных процессов - отношением величин коэффициентов тепло и массоотдачи при перемешивании и без него.

Интенсивность перемешивания может характеризоваться продолжительностью процесса, необходимого для обеспечения заданного технологического эффекта перемешивания, а также величиной расхода энергии, затрачиваемой на осуществление этого процесса.

Используют следующие основные способы перемешивания:

- механическое, достигаемое с помощью мешалок;

- барботажное (пневматическое), достигаемое пропусканием газа через перемешиваемые жидкости;.

- гидравлическое, которое достигается путем установки различных элементов в трубопроводах, вызывающих турбулизацию потока, либо с помощью насосов.

4.12.1 Механическое перемешивание

Механическое перемешивание, как правило, осуществляется в аппарате со сферическим либо эллиптическим днищем и рубашкой, в котором устанавливается мешалка. Мешалка приводится во вращательное движение с помощью электродвигателя. Общий вид аппарата с мешалкой приведен на рисунке 4.75.

К орпус аппарата обычно состоит из вертикальной цилиндриче­ской обечайки 5, крышки 2, на которой установлен привод мешалки 1, и днища 9. Аппараты, рабочее давление в которых отличается от атмосферного, имеют, как правило, эллиптические днища и крыш­ки, причем в аппаратах большого диаметра крышки и днища выполняют неразъемными (цельносваренными с корпусом), а для внутреннего осмотра и чистки таких аппаратов на крышке устанав­ливают люки достаточно большого диаметра. На крышках разме­щают также патрубки 4 и 11для подвода и отвода веществ, подачи сжатого газа, установки контрольно-измерительных приборов и т. п. Для подвода и отвода теплоты корпус аппарата снабжают рубашкой 7. Приводом перемешивающего устройства обычно слу­жит электродвигатель, соединенный с валом мешалки прямой или понижающей передачей. Для уменьшения частоты вращения вала мешалки по сравнению с валом электродвигателя применяют раз­личные по устройству редукторы.

1-двигатель с приводом; 2-крышка; 3-вал мешал­ки, 4- штуцер для подачи сжатого газа; 5-корпус; 6 и 11 штуцеры входа и выхода теплоносителя; 7-рубашка; 8- отражательная перегородка; 9-днище; 10- мешалка; 12-штуцер слива продукта; 13-труба передавливания

Рисунок 4.75 - Аппарат с мешалкой

При работе мешалки в аппарате возникает сложное трехмерное движение жидкости – тангенциальное, радиальное и осевое. Интенсивность этих видов движения зависит прежде всего от частоты вращения мешалки, а также от других факторов: диаметра и геометрической формы мешалки, диаметра и конструкции аппарата, высоты слоя жидкости в аппарате и др. Для геометрически подобных мешалок инварианты подобия (i) или симплексы геометрического подобия (Г) должны иметь одинаковые численные значения. При этом за определяющий геометрический размер принимается диаметр лопасти мешалки ( ), через который выражаются остальные геометрические размеры самой мешалки (высота лопасти, диаметр вала и др.) и аппарата (диаметр, высота, глубина установки мешалки и т.д.).

По конструктивному оформлению мешалки можно разделить на следующие основные группы

- лопастные и их конструктивные варианты (рамные, якорные);

- пропеллерные (или винтовые);

- турбинные.

Мешалки лопастного типа применяются для перемешивания жидкостей сравнительно невысокой вязкости. Наиболее простыми являются мешалки с прямой лопастью в виде плоской вертикальной пластины. На рисунке 4.76,а приведена схема потоков в аппарате диаметром D. При значительном объеме перемешиваемой жидкости на вертикальном валу устанавливается несколько лопастей как вертикально, так и наклонно под углом к горизонту от 45º до 60º.

Вертикальные лопасти сообщают жидкости в основном вращательное движение. При этом среднее значение окружной (тангенциальной) составляющей скорости ( ) существенно превышает средние значения как р адиальной ( ), так и аксиальной, или осевой ( ), составляющих. Наклонные лопасти способствуют перемещению жидкости в осевом направлении.

а - обычной; б - с отражательными перегородками

Рисунок 4.76 – Схема потоков в аппарате с мешалкой

При вращении лопастей на поверхности жидкости может образоваться воронка, снижающая эффективность перемешивания. Для устранения этого эффекта к внутренней стенке корпуса аппарата крепятся отражательные перегородки 8 (см. рисунок 4.76), ширина которых Н составляет примерно 0,1D. Число перегородок обычно равно четырем. Основное назначение перегородок – уменьшение окружной составляющей скорости при соответствующем увеличении осевой и радиальной составляющих. Схема потоков жидкости в аппарате с отражательными перегородками изображена на рисунке 4.76,б.

Рамная мешалка представляет собой плоскую решетчатую конструкцию, состоящую из ряда горизонтальных, вертикальных и наклонных лопастей (рисунок 4.77,б). Обеспечивают перемешивание во всем объеме корпуса мешалки при средней вязкости смеси.

Якорные мешалки имеют лопасти, повторяющие по своим очертаниям профиль корпуса аппарата (рисунок 4.77,а). При этом зазор между стенкой корпуса и перемешивающим устройством составляет примерно 0,05D корпуса. Это обстоятельство обусловливает большую турбулентность потока у самой стенки (отсутствие застойных зон), что способствует лучшей теплопередаче через стенку и препятствует отложению осадка на стенке и днище аппарата.

Д ля мешалок лопастного типа отношение составляет 0,7…0,8.

Нормальный ряд диаметров мешалок лопастного типа 0,4; 0,5; 0,55; 0,7; 0,8; 0,95; 1,0; 1,4 м.

Для обеспечения интенсивного перемешивания во всем объеме за счет внутренней рециркуляции жидкости применяют пропеллерные мешалки.

Рисунок 4.77 - Мешалки для перемешивания и сред средней вязкости:

а-якорная; б- рамная

Пропеллерные мешалки имеют двух-, трех- или четырехлопастной винт или пропеллер. По ширине лопасти винта сначала расширяются, а затем сужаются; угол наклона их является переменным (рисунок 4.78,а). Пропеллерная мешалка создает интенсивный поток, направленный вдоль оси вращения лопастей. Для упорядочения циркуляции жидкости в аппарате пропеллер 1 (рисунок 4.78,б) помещают в направляющую трубу (диффузор) 2: в диффузоре жидкость движется снизу вверх, в кольцевом зазоре между диффузором и корпусом – сверху вниз. Для снижения вязкости перемешиваемой среды диффузор может быть совмещен с теплообменной камерой.

Для мешалок пропеллерного типа отношение составляет 0,25…0,33.

Нормальный ряд диаметров мешалок пропеллерного типа 0,15; 0,2; 0,25 м и т.д.

1-пропеллер; 2-диффузор с теплообменной камерой; 3-рубашка; Т - теплоноситель; Ж - перемешиваемая жидкость

Рисунок 4.78 - Лопасти пропеллерной мешалки (а) и схема потоков в аппарате с пропеллерной мешалкой и диффузором (б)

У мешалок турбинного типа перемешивающим устройством является лопастное колесо (турбина), аналогичное рабочим колесам центробежных насосов, с прямыми либо изогнутыми лопастями, открытого (рисунок 4.79,а) или закрытого (рисунок 4.79,б) типа. Жидкость, всасываемая в центр быстро вращающегося колеса, под действием центробежной силы инерции отбрасывается с периферии турбинки к стенке аппарата, что вынуждает весь объем жидкости перемещаться внутри аппарата по циркуляционным контурам. Закрытые турбинки создают более упорядоченную циркуляцию жидкости в мешалке. При этом изменение направления потока с вертикального на радиально-горизонтальное сопровождается минимальными потерями кинетической энергии.

Д ля мешалок турбинного типа отношение составляет 0,25…0,3.

Нормальный ряд диаметров мешалок турбинного типа 0,3; 0,4; 0,5; 0,6 м.

Рисунок 4.79 - Открытая (а) и закрытая (б) турбинная мешалки

Кроме мешалок, рассмотренных выше, применяются мешалки и других видов (ленточные, скребковые, шнековые для перемешивания высоковязких сред), изображенные на рисунке 4.80.

По скорости вращения мешалки условно подразделяются на две группы

- тихоходные (лопастные, якорные, рамные и другие, у которых окружная скорость концов лопастей не превышает 5 м/с);

- быстроходные (пропеллерные, турбинные и другие, у которых окружная скорость может превышать 10 м/с).

а-ленточная; б-скребковая; в-шнековая с перемешивающей трубой; фрезерная, обеспечивающая высокую скорость вращения

Рисунок 4.80 – Мешалки для перемешивания высоковязких сред

При выборе перемешивающего устройства необходимо учитывать объем перемешиваемой жидкости, концентрацию твердой фазы (в случае приготовления суспензий), вязкость и другие факторы. Для выбора типа мешалки можно использовать рекомендации таблицы 4.10.

Таблица 4.10 - Ориентировочная таблица для выбора мешалки

Тип мешалки	Объем жидкости, м	Концентрация твердой фазы, %об.	Коэф. динамич. вязкости, Па*с	Окружная скорость, м/с	Частота вращения, об/с
Лопастные Рамные Якорные	До 1,5	До 5	0,1…50 До 10 До 2,5	1,7…5	0,3…1,35
Винтовые	До 4	До 10	До 4	4,5…17,0	8,5…20
Турбинные Открытые Закрытые	До 10 До 20	До 60 Более 60	До 10 До 50	1,8…13 2,1…8	0,7…10 1,7…6