5.8 Образование неоднородных систем

Наряду с уже рассмотренными гидромеханическими процессами в химической технологии большое значение имеют еще два гидромеханических процесса: перемешивание в жидкой среде и псевдоожижение твердого зернистого и пылевидного материала.

5.8.1 Перемешивание

Перемешивание – это процесс многократного относительного перемещения макроскопических объемов среды.

Цели перемешивания определяются назначением процесса.

В случае гомогенизации, приготовления суспензий, нагревания или охлаждения гомогенной среды перемешивание используют в основном для выравнивания температурного и концентрационного полей, благодаря чему повышается скорость химической реакции.

В случае гетерогенных процессов, реакция в которых складывается из нескольких последовательных стадий и если химическая реакция является определяющей, то перемешивание используется для выравнивания концентрационного поля. В связи с этим необходимо обеспечить интенсивную циркуляцию потока.

Перемешивание увеличивает степень турбулентности системы, что приводит к уменьшению толщины диффузионного пограничного слоя, а это, в свою очередь, обеспечивает увеличение и непрерывность обновления поверхности межфазного контакта, что вызывает существенное ускорение тепло- и массообменных процессов.

Перемешивание применяют в процессах абсорбции, выпаривания, экстрагирования и других процессах химической, нефтяной, пищевой промышленности.

Процесс перемешивания характеризуется интенсивностью и эффективностью, а также расходом энергии на его проведение.

Интенсивность перемешивания – это количество энергии, вводимое в единицу времени в единицу объема перемешивания среды. Чем выше интенсивность перемешивания, тем больше энергетические затраты.

Интенсивность перемешивания обусловливает характер движения жидкости в аппарате.

Эффективность перемешивания – это параметр, характеризующий качество проведения процесса.

Существуют следующие виды перемешивания: механическое перемешивание с помощью мешалки, пневматическое (барботажное) перемешивание, циркуляционное перемешивание с помощью насоса, статическое перемешивание – перемешивание в потоке.

Механическое перемешивание получило наибольшее распространение в химической промышленности. Перемешивание осуществляется с помощью мешалок, которые представляют собой вращающийся вал с закрепленными на нем лопастями различной формы.

Вращение мешалок вызывает движение жидкости, структура потока в которой зависит от типа аппарата и типа мешалки. Так, для пропеллерной мешалки структура потока показана на рисунке 5.22.

При вращении мешалок образуется воронка, которая снижает эффективность перемешивания. Для уменьшения негативного влияния воронки в аппарате устанавливаются отражательные перегородки.

П

Рисунок 5.22 – Схема

вращения потока

в аппарате с мешалкой

ри этом мощность, потребляемая мешалкой, увеличивается на 30 %.

Работу механической мешалки можно описать с помощью уравнений гидродинамики.

, (5.50)

где – модифицирванный критерий Рейнольдса.

Здесь d_м – диаметр мешалки, м;

n – частота вращения мешалки, с^-1.

– критерий Эйлера.

Здесь – перепад давления, Па;

N – энергия, потребляемая мешалкой, Вт;

V_сек – расход жидкости, создаваемый мешалкой, м³/с.

Решив совместно эти уравнения, после преобразований получим так называемый критерий мощности мешалки :

. (5.51)

Установлено, что расход мощности на перемешивание зависит также от вязкости жидкости μ, размеров аппарата – диаметра D, высоты слоя жидкости Н, расстояния мешалки от дна h_м, следовательно, общая функция для определения расхода мощности будет выражаться следующим образом:

. (5.52)

Порядок расчета мешалок:

1) выбирают тип мешалки;

2) выбирают диаметр мешалки и число оборотов;

3) определяют критерий Рейнольдса;

4) определяют критерий мощности по зависимости числа Рейнольдса;

5) определяют энергию, потребляемую мешалкой, по уравнению .

Достоинства мешалок:

– высокая эффективность;

– достаточно низкая потребляемая энергия.

Недостатки мешалок:

– сложность использования в сильно агрессивных средах;

– сложность изготовления уплотнительных устройств.

Пневматическое перемешивание осуществляется пропусканием газа через жидкость, для чего устанавливают газораспределительную решетку или используют барботер, который представляет собой расположенные по дну аппарата трубы с отверстиями, с помощью которых осуществляется барботаж газа через слой обрабатываемой жидкости (рисунок 5.23).

Подобное перемешивание является малоинтенсивным процессом. Расход энергии при этом выше, чем при механическом перемешивании.

Пневматическое перемешивание применяется в следующих случаях: когда допустим контакт газа и жидкости; при наличии маловязких жидкостей; при работе с агрессивными средами.

Пневматическое перемешивание не применяется для обработки летучих жидкостей в связи со значительными потерями перемешиваемого продукта.

Рисунок 5.23 – Схема барботажного смесителя

Циркуляционное перемешивание – это многократное перемещение жидкости через схему: аппарат – циркуляционный насос – аппарат, то есть перемешивание жидкости происходит по замкнутому контуру. Недостатком такого вида перемешивания является низкая эффективность.

Статическое перемешивание. Для смешения потоков жидкости различного состава в последнее время начали применять статические смесители – устройства, не содержащие подвижных частей и устанавливаемые непосредственно на трубопроводах.

Действие таких устройств основано на использовании энергии потока для создания высоких локальных напряжений сдвига. С этой целью в смесительной секции устанавливают различные турбулизирующие вставки (рисунок 5.24).

а  вставка из полуперегородок; б  диафрагмовая вставка;

в  винтовая вставка; г  струйные смесители;

1, 2 – входы компонентов смеси; 3 – выход смеси

Рисунок 5.24 – Схема устройств для перемешивания в потоке