2. Перемешивание в жидких средах. Устройство и принцип действия механических мешалок.

Процессы перемешивания жидкостных, газовых и других одно- и многофазных сред весьма широко применяются в химической и родственных технологиях. Перемешиваниесостоит в многократном относительном перемещении частиц среды и макрообъёмов относительно друг друга под действием импульса (количества движения), передаваемого ей побудителем – струёй жидкости или газа, мешалкой, насосом и т.д.

Существуют три основные цели использования процесса перемешивания:

1) получение однородных гомогенных и гетерогенных систем (растворов, суспензий, эмульсий, твёрдых и других смесей) с одинаковыми составами в разных точках рабочей зоны аппарата;

2) интенсификация тепло- и массообменных процессов в гомо- и гетерогенных системах;

3) интенсификация химических превращений.

Конструкции механических мешалок

Все механические перемешивающие устройства можно разделить на две группы: тихоходные и быстроходные. Лопастные, (рис.6.5-1 и 6.5-2), рамные (рис.6.5-3) и якорные (рис. 6.5-4) мешалки относятся к тихоходным: частота их вращения составляет от 0,5 до 1,5 с^-1. Достоинствами лопастных мешалок являются простота устройства и не высокая стоимость. К недостаткам относится слабый осевой поток жидкости. Это не обеспечивает полного перемешивания во всем объёме смесителя. Усиление осевого потока достигается при наклоне лопастей под углом 30 ⁰к оси вала.

Якорные мешалки имеют форму днища аппарата. Они применяются для перемешивания высоковязких жидких сред. Эти мешалки при перемешивании очищают стенки и дно смесителя от налипающих загрязнений.

Рис.6.5. Основные типы тихоходных механических мешалок

1-однолопастная; 2-многолопастная; 3-рамная; 4-якорная

К быстроходнымотносятся пропеллерные и турбинные мешалки: частота их вращения составляет 2 до 50 с^-1.

Пропеллерные мешалки (рис. 6.6-1) изготавливают с двумя или с тремя лопастями. Они обладают насосным эффектом и используются для создания интенсивной циркуляции жидкости. Применяются для перемешивания жидкостей вязкостью до 2 Па·с.

Турбинные мешалки (рис. 6.6-2) изготавливаются в форме колес-турбин с плоскими, наклонными и криволинейными лопатками. Они бывают открытого и закрытого типа. Закрытые мешалки имеют два диска с отверстиями в центре для прохода жидкости. Турбинные мешалки обеспечивают интенсивное перемешивание во всем рабочем объёме аппарата. Турбинные мешалки применяются для перемешивания жидкостей вязкостью до 500 Па·с, а так же грубых суспензий.

Рис.6.6. Основные типы быстроходных механических мешалок

1-Пропелларная; 2-Турбинная

Механические мешалки различают по их конструктивным признакам.

Лопастные мешалки – состоят из ряда вертикальных лопастей прямоугольной формы, прикреплённых к валу.

Рис.6.7. Лопастная мешалка

Основные размеры:

- диаметр аппарата; - длина лопасти.

Если аппарат имеет большую высоту, то на валу устанавливают несколько лопастей, повёрнутых относительно друг друга на , расстояние между ними . Здесь преобладает радиальное перемещение жидкости, свободная поверхность уровня приобретает форму параболоида вращения. Во избежание большой глубины воронки, окружная скорость на концах вращающихся лопастей обычно не превышает 1 м/с. Чтобы ликвидировать воронку по окружности аппарата устанавливают 2 – 4 плоских отражательных ребра шириной и высотой . Однако установка ребер вызывает рост расхода энергии в 1,5 раза. Лопастные мешалки обладают низкой интенсивностью перемешивания, поэтому они применяются для перемешивания жидкостей с вязкостью .

Листовые мешалки – это разновидность лопастной мешалки с большой высотой лопасти.

Рис.6.8. Листовая мешалка

Основные размеры:

Эти мешалки сообщают вращательные движения большим объёма жидкости, поэтому используются в аппаратах всегда снабжённых отражательными рёбрами. Интенсивность перемешивания возрастает, если просверлить в лопасти мешалки отверстия. Такие мешалки также применяются для маловязких жидкостей, т.е. .

Якорные мешалки – используют для перемешивания более вязких жидкостей, т.е. . Они используются при необходимости интенсифицировать движения слоя жидкости вблизи стенки аппарата.

Рис.6.9. Якорная мешалка

Пропеллерные мешалки – быстроходные, используются для перемешивания жидкостей вязкостью до , их окружная скорость достигает 10 м/с.

Рис.6.10.Пропеллерная мешалка

Рабочим органом являются лопасти (от 2 до 6), с изменяющимся наклоном. По внешнему виду мешалка похожа на пропеллер самолёта.

Турбинные мешалки – имеют форму колёс водяных турбин с лопатками, укреплёнными на вертикальном валу. Эти мешалки обеспечивают интенсивное перемешивание во всём объёме аппарата и применяются для образования суспензий, растворения твёрдых материалов, проведения химических реакций.

Рис.6.11. Турбинные мешалки:

а – открытая с прямыми лопатками; б – открытая с криволинейными лопатками; в – открытая с наклонными лопатками; г – закрытая с направляющим аппаратом;

1 – турбинная мешалка; 2 – направляющий аппарат.

Для перемешивания высоковязких жидкостей используются шнековые и ленточные мешалки.

Шнековые мешалки – используются для жидкостей вязкостью до.

Основные размеры:

Ленточные мешалки – используются для жидкостей вязкостью до.

Основные размеры:

,

где - шаг винтовой линии.

Мощность, потребляемая мешалкой может быть найдена из уравнения

,

где - коэффициент мощности.

- коэффициент лобового сопротивления лопасти, зависящей от её формы и режима движения, а также от физических свойств жидкости; - ширина лопасти, м; - диаметр лопасти, м; - частота вращения мешалки, с^-1; - плотность жидкости, кг/м³.