Смесительное оборудование химических производств

1. Общие сведения

Под процессом смешивания (или сме­шения) понимают такой механический процесс, в результате которого первоначально находящиеся раздельно компоненты после равномер­ного распределения каждого из них в смешиваемом объеме образуют однородную смесь.

Обратным процессу смешивания является процесс сегрегации, при­водящий к разделению смеси на отдельные компоненты.

Перемешивание ускоряет все операции, связанные с передачей теплоты или массы (нагревание или охлаждение, суспензирование, растворение, кристаллизация, адсорбция и другие гетерофазные процессы). Оно приводит к повышению темпера-турных и концен­трационных градиентов у поверхности раздела взаимодействую­щих фаз из-за снижения их в объеме аппарата и уменьшения тол­щины пограничного слоя.

При производстве и переработке материалов в химических технологиях применяют раз­личные смесительные машины и аппа­раты.

По технологическому назначе­нию смесители разделяются на маши­ны для перемешивания жидких сис­тем, твердых сыпучих материалов, вязких и пластических масс.

По организации технологического процесса делятся на смесители непре-рывного и периодического действия.

Смесители непрерывного действия превосходят по производительности смеси-тели периодического действия, позволяют полностью автоматизировать процесс смешения, имеют небольшие энергозатраты на единицу продукции и металлоемкость. Непрерывно действующие смесители позволяют также выполнять несколько процес-сов одновременно, например: смешивание и грану­лирование; смешивание, гранули-рование и сушку; смешивание, гра­нулирование и классификацию; смешивание и из-мельчение и т.п. Од­нако при всех своих преимуществах по сравнению со смесителя-ми пе­риодического действия здесь возникают сложности по дозированию материа-лов в строго заданных количествах. Поэтому для приготовления многокомпонентных смесей и смесей высокой однородности используются смесители периодического действия.

Для перемешивания материалов используют пневмати­ческий, гидравлический, гравитационный механичес­кий, а также комбинированный способы.

Пневматический способ перемешивания заключается в про­пускании струи воздуха или другого газа через слой перемешиваемой системы (барботиро­вание). Гидравлический способ перемешива­ния осуществляется циркуляцией жид­кости при помощи на­соса, который откачивает жидкость из одной части объема аппа-рата и по­дает ее под давлением в другую часть, а также перемешиванием в тру­бопроводах при турбулентном течении жидкости или инжектированием, при котором жидкость прокачивается че­рез сопло инжектора (при этом соз­дается пониженное давление, подса­сывается второй жидкий компонент и происходит перемешивание). Механи­ческий способ перемешивания заключается в создании сложного интенсивного движения перемешиваемых материалов при помощи различных устройств, обес­печивающих перемещение среды в различных направлениях. Переме­шивающие устройства выполняют в виде лопастных, рамных, якорных, пропел-лерных, турбинных, планетар­ных, шнековых, вибрационных и других мешалок.

Гравитационное пере­мешивание осуществляется различны­ми механическими приспособлениями, при помощи которых материал поднимается на опреде­ленную высоту и опускается под дей­ствием сил тяжести, описывая более или менее сложные траектории. Процесс перемешивания часто характеризуют степенью смешения, интенсив-ностью и эффективностыо перемешивания. Степень (однородность) смешения характеризует распределение концентрации смешиваемого вещества в разных частях аппарата.

В любом микрообъеме идеально однородной смеси с феноменоло­гической точ-ки зрения должны находиться частицы всех компонентов в количествах, опреде-ляемых заданным их соотношением. Однако та­кое идеальное расположение частиц в объеме смеси в действительности не наблюдается. В произвольно выбранных микро-объемах смеси возможно большое число сочетаний относительных долей различных компонентов, т.е. их распределение в смеси случайно. Поэтому большинство мето­дов оценки однородности (или качества) смеси основаны на методах статистического анализа.

Для упрощения расчетов все смеси условно считаются двухкомпо­нентными, состоящими из так называемого ключевого компонента и условного, включающего все остальные компоненты смесей. Подоб­ный прием позволяет оценивать одно-родность смеси параметрами распределения одной случайной величины – содер-жанием ключевого компонента в пробах смеси. В качестве ключевого компонента обыч­но выбирают такой компонент, который легко подвергается количест­венному анализу, либо его распределение в смеси строго регламенти­ровано техническими требованиями на готовую смесь.

Оценку однородности смеси производят по анализу проб, отбираемых в опре-деленный момент перемешивания из различных частей объема аппарата. В роли количественного показателя однородности смешения наиболее часто используется степень смешения I или коэффициент вариации k_c, которые выражают в долях от единицы или процентах.

Степень смешения I рассчитывают по фор­муле [1]:

I=(x₁+x₂+ ... +x_n)/n. (1) Здесь n - число проб; x₁, … , x_n – относительные (объемные или массовые) концентрации вещества в пробах, определяемые по формулам: x_i = ( при ) и ( при ), где с_i - концентрация ключевого компонента в i – ой пробе смеси, %; - среднее арифметическое значение концентрации ключевого компонента во всех пробах смеси, %;

Чем ближе величина степени смешения к единице ( ), тем больше однородность распределения концентрации ключевого компонента в смеси.

Коэффициент вариации k_c, применительно к процессу смешивания дисперсных материалов, называют коэффициентом неоднородности. Он выражается соотношениями [2]

или . (1а)

С уве­личением коэффициентом неоднородности смеси ее концентрационная неоднородность возрастает. Для одной и той же смеси значение коэффициента неоднородности зависит от массы проб и их числа. Чем меньше масса отбираемых проб, тем больше зна­чение k_c. Если, например, объем пробы взять равным объему аппарата, то в любой момент времени средняя концентрация ключевого компонента в пробе равна средней его концентрации в аппарате. Если объемы проб сопоставимы с размерами молекул, то вследствие молекулярных флуктуаций идеальная однородность распределения в объеме аппарата вообще недостижима. Число проб n, отбираемых из смеси и подвергаемых затем количественному анализу на содержание в них ключевого компонен­та, определяет надежность оценки качества смеси.

Если исследуемый показатель содержания ключевого компонента в смеси подчиняется нормальному закону распределения, что обычно бывает на практике, то можно оценить доверительную вероятность того, что значение отличается от истинного значения c_иc на величи­ну, меньшую чем с:

.

Обычно ограничиваются доверительной вероятностью 0,9 или 0,95; точность оценки определяется формулой

,

где - статистическое среднеквадратическое отклонение; t_c = _с/с – коэффициент Стьюдента, который зависит от объема выборки n и заданной доверительной вероятности (табл. 1).

Таблица 1

Значения коэффициента Стьюдента

n	Значения tc при				n	Значения tc при
	0,90	0,95	0,98	0,99		0,90	0,95	0,98	0,99
2 3 4 5 6 7 8	6,31 2.92 2.35 2.13 2.01 1.94 1.90	12,71 4,30 3,18 2,78 2,57 2,45 2,36	31,82 6,96 4,54 3,75 3,65 3,14 2,97	63,66 9,92 5,84 4,60 4,03 3,71 3,56	9 10 15 20 30 40	1,86 1,84 1,76 1,73 1,70 1,67 1,65	2.31 2,26 2,14 2,09 2,04 2,00 1,96	2.90 2,76 2,60 2,53 2,46 2,39 2,33	3.36 3,25 2,98 2,86 2,76 2,66 2,58

В целом ряде случаев при экспериментальных исследованиях необ­ходимо определить минимальный объем выборки n (число опытов), ко­торый с заданной точностью с и доверительной вероятностью поз­волит определить искомую величину. При распределении случайной величины по нормальному закону, что часто встречается на практике, и, при известном среднеквадратиче­ском отклонении _с или коэффициенте вариации k_c , объем выборки вычисляется из соотношения

,

где = - относительная точность измерения;

Если _с или k_c неизвестны, то их определяют по результатам пред­варительных исследований.

Для сыпучего материала минимально допустимая масса пробы G_m, выраженная в граммах, определяется из формулы [3]:

G_m=1,2 10⁴ ,

где d_э - эквивалентный диаметр частицы, см; _ч - плотность материала частицы, г/см³; с₀ - концентрация ключевого компонента в смеси, %.

Для порошкообразных материалов масса проб обычно составляет 1-5 г.

Для смесей высокой однородности коэффициент неоднородности - k_c < 2%, хо-рошего качества - 2% < k_c < 5%, низкого качества - 5% < k_c < 8%. В промышленных смесителях не удается получать смесь со зна­чениями k_c < 1,5% (при массе пробы 1 г).

При периодическом процессе смешивания экспериментальные зави­симости k_c от времени смешивания t, полученные для различных кон­струкций смесителей и режимов их работы, называются кинетически­ми кривыми смешения. Эти кривые имеют три характерных участка (рис.1), каждый из которых соответствует определенному по вре­мени периоду смешивания [4].

В периоде I преобладает процесс смешивания по сравнению с про­цессом сегрегации. За счет уменьшения агрегатов из одинаковых час­тиц и конвективного пере­носа их по внутреннему объему смесителя происхо­дит резкое снижение коэф­фициента неоднородности.

В периоде II скорость процесса смешивания ста­новится соизмеримой со скоростью сегрегации, поэ­тому значения k_c от момен­та t_k со временем изменяют­ся незначительно. Процесс смешивания реализуется в основном за счет переме­щения и

Рис.1. Кинетическая кривая процесса смешивания материалов в смесителе периодического действия.

перераспределе­ния отдельных час-тиц одна относительно другой и по­лу-чил название диффузи­онного смеши-вания. В периоде III элементарные про-цессы смешивания (конвективное и диффузионное смешива­ние) по скорос-ти равны процессу сегрегации, поэтому в некоторый момент времени tсм, назы-ваемым оптимальным временем смеши-ва­ния, коэффициент неоднородности kc становится постоянным. Предельно достижимое значение коэффициента неоднородности kc кон-кретной смеси определяется экспери-ментально и зависит от многих фак-торов: физико-механических свойств смеси, конструкции смесителя и режима его работы.

Кинетику процесса периодического смешивания чаще всего опи­cывaют урав-нением типа :

k_c(t)=a k_co при ,

где k_c(t) - коэффициент неоднородности смеси к моменту времени t; а – коэффициент пропорциональности; k_co - коэффициент неодно­родности смеси в начальный момент смешивания (определяется соот­ношением компонентов смеси); Ф_t - функция (или параметр), завися­щая от физико-механических свойств смеси, геометрических разме­ров и технологических параметров работы смесителя и имеющая раз­мерность, обратную времени.

Время смешения (гомогенизации) - это период времени, необходимый для достижения технологически необходимой степени однородно­сти системы. Знание его необходимо при ведении обменных реакций и процессов кристаллизации, пригото-влении растворов, сус­пензий, а также сухих смесей. Оно особо важно при проведении непрерывных процес­сов. Кроме того, время смешения может служить критерием для сравнения интенсивности работы различных аппаратов.

Если параметры периодического процесса смешения не меняются, то прологарифмировав уравнение (1), после преобразований получим выражение для времени смешения :

,

где k_см - максимальное значение коэффициента неоднородности, определенное техническими условиями на готовую смесь.

При непрерывном процессе смешивания поступление компонентов на смеше-ние и выдача готовой смеси осуществляются непрерывно. Качество приготовленной смеси в таких смесителях зависит не только от процесса смешивания, но и от харак-теристик питающих по­токов и их дозирования. Практически ни один питатель или дозатор не может обеспечить непрерывное поступление материала в строго за­данном количестве в каждый момент времени. Следовательно, на ос­новную задачу смесите-ля (качественное смешивание поступающих компонентов) накладывается дополнительное условие, по сглаживанию флуктуаций питающих потоков.

Время пребывания элементарного объема реакционной массы в реакторе (каскаде реакторов) непрерывного действия является характеристикой вероятностной.

При достаточно интенсивном перемешивании практически во всем объеме ре-актора достигается устойчивый турбулентный режим. Движение отдельного элемента объема жидкости (твердой частицы) имеет чрезвычайно сложный характер. В этих условиях любой элемент объема за сравнительно короткое время может оказаться в любой точке реактора, причем невозможно заранее предсказать траекторию его дви-жения. Любая из находящихся в реакторе частиц или молекул с равной вероятностью может оказаться в любой точ­ке реактора, в том числе и на выходе из него. Наряду с этим в реакторе имеются частицы, которым за очень продолжительное время не уда-лось попасть к выходу из реактора. Таким образом, время пребывания частицы в реакторе есть случайная величина, которая может принимать значения от 0 до беско-нечности. Здесь процесс смешения характеризуют среднестатистической величиной времени пребывания массы в реакторе, определяемой с некоторой доверительной вероятностью.

Интенсивность перемешивания оценивают скоростью изменения во времени степени смешения или коэффициента неоднородности dk_c/dt. Эффективность перемешивания определяется количеством энергии, затра-чиваемой на него для достижения заданного техно­логического эффекта. Из двух аппаратов более эф­фективно будет работать тот, в котором достигается требуемый технологический эффект при меньших затратах энергии и/или времени.

Существуют различные подходы теоретического анализа работы непрерывно действующих смесителей от практических рекомендаций, базирующихся на инженерном опыте осуществления процессов сме­шивания на смесителях различной конструкции, до детерминированного математического описания.

При недостаточной информации о физической сущности происхо­дящих явле-ний или при не возможности составить их детерминированную модель в виде функ-циональных зави­симостей, отображающих физическую природу явлений, используют экспериментально-статистические методы. В результате математиче­ское описание процесса смешивания осуществляется на уровне эмпи­рических соотношений, связы-вающих основные характеристики процесса смешивания. В рамках рассматриваемого подхода нередко про­водят чисто формальную обработку опытных данных, используя соот­ношения (типа регрессионных моделей и др.) вне физических пред­ставлений о механизме протекания процесса смешивания и тем самым заведомо ограничивая возмож-ность использования расчетного урав­нения узкими рамками проведенного эксперимента.