Процесс перемешивания

9.Процесс перемешивания – процесс приведения в тесно соприкосновение двух и более подвижных фаз с неподвижной средой с целью получения равномерного распределения одной фазы в объеме другой, интентификации процессов тепло- и массопереноса, проведения химической реакции.

Цели достигаются за счет введения энергии извне – движущей силой процесса. Тратится на возникновение вихрей в перемешивающем объекте.

Применяется как самостоятельный процесс для получения однородной смеси или как средство для интенсификации тепловых, массообменных и химических процессов.

Перемешивающее оборудование разделяют на четыре основные группы:

1. для газов,

2. для ньютоновских жидкостей,

3. для неньютоновских жидкостей,

4. для твердых сыпучих материалов.

1. Перемешивание газов.

Различают перемешивание:

а/ нескольких газов /У-образное соединение труб, сопло, вентилятор/,

б/ газы и пары /то же/,

в/ газы и жидкости /диспергирование – сопло, центробежные разбрызгиватели и др./,

г/ газы и твердые вещества /пневмотранспорт, взвешенный слой/.

Перемешивание в газовой среде редко применяется как самостоятельный процесс и обычно рассматривается совместно с другими процессами /абсорбция, сушка и др./.

Несколько способов ведения процесса:

-- барбатажное – с помощью сжатого воздуха

-- с помощью насосов

*циркуляционное (по кругу-снизу вверх)

*поточное (направление компонентов в общий участок, где происходит смешивание.этоот участок – статический смеситель)

-- механическое – с помощью мех. Перемешивания- мешалки.

Барбатажное перемешивание в пищевой промышленности имеет ограниченное применение, что объясняется необходимостью очистки подаваемого в аппарат воздуха от содержащейся в нем микрофлоры с целью снижения обсемененности продукта бактериями.

Наиболее распространен мех. Способ перемешивания.

Процесс перемешивания характеризуется специальными показателями:

--эффективностью перемешивания

--интенсивностью

Эффективность – количество перемешивания. Интенсивность – скорость достижения требуемого технологического результата – время, затраченное на распределение дисперсной фазы в объеме сплошной фазы с требуемой степенью равномерности.

10. Мех. Перемешивание – перемешивание в аппаратах с мешалками. Мешалки предназначены для генерирования в объеме перемешиваемой среды вихрей. Эти вихри возникают за счет энергии, вносимой извне. Вихри захватывают честицы распределенной фазы и перемешивают их в объеме сплошной среды. Так достигается более равномерное распределение дисперсной фазы в объеме сплошной среды.

Типы перемешивающих устройств

Все мех.мешалки делятся на 2 группы:

-- быстроходные

-- тихоходные

В основу положены продукты, которые могут быть обработаны этими мешалками.

Быстроходные используют для перемешивания маловязких продуктов с вязкостью =0,001..1,2 Па*с.

Тихоходные – для продуктов с высокой вязкостью =0,2..2000 Па*с.

Быстроходные: лопастные, винтовые (пропеллерные), турбинные (открытого и закрытого типов).

Тихоходные, рамные, якорные, шнековые.

Лопастные мешалки отличаются числом лопастей(2,3,4,6,8). Включают в себя лопасти и тубус.

Лопастная мешалка (радиальный поток)

   Перемешивание взаиморастворяющихся жидкостей (гомогенизация); приготовление суспензий, эмульсий; медленное растворение твердых веществ; интенсификация теплообмена; перемешивание при кристаллизации.

Винтовые мешалки- лопасти имеют переменное сечение и расположены под углом, изменяющимся от периферии к основанию. Отличаются друг от друга количеством лопастей.. Применяют 3,4 , 6-лопастные мешалки.

Пропеллерная мешалка (осевой поток)

Интенсивное перемешивание маловязких жидкостей; приготовление суспензий, эмульсий; растворение кристаллических веществ; интенсификация теплообмена.

Турбинные мешалки: открытые, закрытые. Закрытые полностью повторяют колесо центробежного насоса. Турбинная мешалка (радиальный поток)

Исследование быстроходных мешалок позволяет выявить стандартные значения мешалки: для быстроходных мешалок Д/d-2,8..3,3…обычно принимают =3.

Тихоходные перемешивающие устройства (для соусов, икры, концентратов и т.п.)

Якорные мешалки-лопасть располагается в непосредственной близи от стенок аппарата, повторяя форму днища. Д/ d=1,05..1,1. Может быть снабжена дополнительной лопаткой=рамная мешалка. Якорная мешалка (радиальный поток)

Перемешивание вязких и «тяжелых» жидкостей; предотвращение выпадения осадков на стенках и днище; перемешивание твердых частиц в вязких средах; интенсификация теплообмена.

рамные мешалки

Перемешивание вязких и «тяжелых» жидкостей; предотвращение выпадения осадков на стенках и днище; диспергирование твердых частиц в вязких средах; интенсификация теплообмена.

Число лопастей в рамной мешалке2..4.

При работе якорь и лопатка мешают продукт, перемещая в радиальном и тангенциальном направлениях. Для генерирования в продукте осевых токов дополнительные лопасти могут быть повернуты под углом к оси вращения на 0..45⁰.

Шнековая мешалка: для интенсификации процесса быстроходных мешалок путем увеличения их насосного эффекта (интенсификация перемешивания жидкости в ос) мешалки винтовые и турбинные могут быть установлены в направляющем аппарате. Схема: при установке данного устройства в аппарате вращения мешалки вызывают перемещение в осевом направлении, потоки начинают перемещаться в промежутке между корпусом и аппаратом, поднимаясь вверх и затем перетекая вновь в аппарат. Устройство работает как осевой насос.

Мощность, затрачиваемая на ведение процесса

Составляющие:

-- мощность в период пуска – жидкость начинает вовлекаться во вращение мешалкой

-- мощность на ведение процесса перемешивания.

Наиболее часто расчеты мощности являются основными.

11.Движение потока перемешиваемой жидкости, вызываемое мешалкой, очевидно, можно описать дифференциальным уравнением Навье-Стокса, которое после преобразования примет вид:

Раскрывая критерии подобия, получим функциональную зависимость между величинами:

Однако при перемешивании в жидкой среде мы имеем сложную эпюру распределения скоростей и давлений в аппарате с мешалкой.

Схема аппарата с перегородками и мешалкой.

Мощность на ведение процесса: в соответствии с теорией размерности

N=f(ρ, μ, n, d, D, g)

N=Вт=

μ=Па·с=

ρ= , d=м, D=м, g=

m=7, n=3, m-n=4

π₁=f(π₂, π₃, π₄)

N=Aρ^x·μ^y·n^z·d^e·D^f·g^k

=А·кг^x+y·м^-3x-y+e+f+k·c^-y-z-2k

кг: x+y=1

м: 2=3x-y+e+g+k

c: -3=-y-z-2k

x=1-y z=3-y-2k e=5-2y-f-k

=A(((

K_N= критерий мощности

Re_м= –отношение сил вязкости трения к перемешиваемой среде

Fr= (критерий Фруда) – соотношение сил инерции и сил тяжести в перемешиваемой среде.

– геометрический симплекс

E_им=Are^-yFr^-kr^t – критерий для расчета мощности

При расчете быстроходных мешалок: на поверхности среды образуется воронка. Затраты мощности ведутся по уравнению E_им=ARe^-yFr^-k, но такое проведение процесса считается не эффективным т.к. воронка на поверхности жидкости свидетельствует о вращении жидкости с рабочим органом. Это негативно сказывается на эффективности проведения процесса, поэтому в аппаратах с быстроходными мешалками на внутренней поверхности аппарата устанавливают отражательные перегородки. Набегающие вихри и токи жидкости, ударяясь об перегородки, дробятся и меняют направление движения. Отстают от вращения перемешивающего органа=>на поверхности гасится воронка. Отсутствие воронки позволяет исключить из рассмотрения критерий Фруда и тогда критериальное уравнение имеет вид E_им=ARe^-y. По этой зависимости могут быть рассмотрены все перемешивающие органы. Применение зависимости для различных типов мешалок корректирует значение А и показатель степени y.

Мощность, затрачиваемая в период пуска

Эту величину определяют для случая перемешивания лопастной мешалкой. Мощность мешалки в период пуска определяется по зависимости для расчета мощности, потребляемой насосной установкой.

dN=ρ·g·H·dV_c

H – напор развиваемый установкой; удельная энергия, вносимая в единицу жидкости.

V_c—производительность мешалки.

Удельную энергию, вносимую мешалкой в перемешиваемый продукт, определяют с применением основного уравнения гидростатики:

Δp=ρ·g·H, H=Δp/( ρ·g)

И закона сопротивления Дарси:

Δp=ζ·ρ·υ²/2

ζ – коэффициент сопротивления, υ – скорость движения.

dN=ζdV_c

V_c – секундный расход, определяемый из уравнения неразрывности, в соответствии с которым он равен произведению скорости на площадь сечения dV_c=S·υ=hd_x·2πnx

dN=ζρ4π³n³x³hdx

12.Интенсивность и эффективность перемешивания

Если τ – время для достижения определенного технологического результата, то произведение

τ · n

может служить показателем интенсивности мешалки. Самой интенсивной признается турбинная мешалка.

Произведение

N · τ

может служить показателем эффективности мешалки. Самой эффективной признается пропеллерная мешалка.

Пути интенсификации перемешивания.

Основные трудности при моделировании механического перемешива­ния в турбулентном режиме возникают из-за изменения масштаба турбулентности /размер вихря и путь его смешения/. В малом объеме аппарата соответственно невелик масштаб турбулентности и перемеши­вание осуществляется более интенсивно, чем в большом объеме аппарата.

В соответствии с этим можно отметить следующие пути интенсифи­кации процесса перемешивания.

1. Уменьшение диаметра или объема аппарата.

2. Увеличение диаметра мешалки, .

3. Секционирование и размещение нескольких мешалок в одном аппарате.

4. Применение комбинированного перемешивания, например, барботаж + ультразвук + механическое перемешивание.