ПЕРЕМЕШИВАНИЕ Сергей Чекрыжов

Цели перемешивания В химической промышленности перемешивание в жидких средах применяется: для приготовления растворов, эмульсий, суспензий, с целью сохранения гетерогенной системы и предотвращения расслоения или выпадения осадка; для интенсификации химических, тепловых и диффузионных процессов.

Перемешивание Суть перемешивание состоит в многократном относительном перемещении макрочастиц объема среды под действием импульса - количества движения, передаваемого ей например струей жидкости или газа, насосом, мешалкой и т.д.

Количественные характеристики процесса перемешивания интенсивность перемешивания, степень перемешивания, ключевой компонент.

Перемешивание Различают два основных способа перемешивания в жидких средах: механический (с помощью мешалок различных конструкций) и пневматический (сжатым воздухом или инертным газом). Кроме того, применяют перемешивание в трубопроводах (за счет турбулентного режима течения компонентов), циркуляционное (многократное прокачивание жидкости через систему аппарат- циркуляционный насос) и перемешивание в соплах.

Способы перемешивания

Механическое перемешивание Наибольшее распространение в практике получил механический способ. Большинство аппаратов с механическими мешалками представляют собой вертикальную цилиндрическую емкость, на корпус которой установлено перемешивающее устройство, включающее вертикально расположенный вал, на котором размещены одна или несколько (до 4-х) мешалок, уплотнение вала, привод и муфту, соединяющую вал привода с валом мешалки (рис. 3.2).

Способы перемешивания

Интенсивность перемешивания определяется затратами энергии на единицу расхода перемещаемой жидкости. Мерой интенсивности перемешивания может служить отношение затрат мощности к объему или массе перемешиваемой жидкости, а для механической мешалки - число оборотов при фиксированной продолжительности процесса.

Эффективность перемешивающего устройства является характеристикой качества проведения процесса. Способ ее оценки определяется целью перемешивания, например при суспензировании эффективность определяется степенью равномерности распределения твердой фазы в объеме аппарата, при интенсификации тепловых и диффузионных процессов - отношением коэффициентов тепло- и массоотдачи с перемешиванием и без него. В каждом конкретном случае эффективность должна соотноситься с расходом энергии и времени на проведение процесса.

Движение жидкости при перемешивании

Условия применения мешалок 1) установка на вал нескольких мешалок допускается при невозможности обеспечить требуемый режим перемешивания одной мешалкой и если отношение высоты заполнения аппарата к его диаметру >1.3; 2) при размещении на валу нескольких мешалок их конструкция и размеры должны быть одинаковыми, расстояние между соседними мешалками не должно быть меньше их диаметра d ; 3) высота установки нижней мешалки над днищем аппарата при должна быть в пределах, но не выше H / 2; при - в пределах, но не выше D/4.

Конструкции механических мешалок

Лопастные мешалки Лопастные мешалки (рис. 3.4) создают в аппаратах тангенциальные и радиальные потоки, применяются для перемешивания взаимнорастворимых маловязких жидкостей ( < 0.5 Па*с), суспензирования легких осадков, медленного растворения кристаллических веществ. Основные параметры: d = мм, h/d= 0.1, критерий гидродинамического подобия D/d = , частота вращения n = /мин, коэффициент гидравлического сопротивления = К их достоинствам можно отнести простоту и низкую стоимость, надежность в работе, к недостаткам - малую интенсивность перемешивания густых и вязких жидкостей, непригодность для перемешивания легко расслаивающихся веществ.

Конструкции механических мешалок

К этой же группе можно отнести рамные и якорные мешалки (рис 3.5), применяемые для перемешивания вязких и тяжелых жидкостей (0.25 <

Конструкции механических мешалок

Пропеллерные (трехлопастные) мешалки создают в аппарате преимущественно осевые потоки и применяются для интенсивного перемешивания маловязких жидкостей, взмучивания осадков (до 10% твердой фазы, размеры частиц до 0.15 мм), для приготовления суспензий и эмульсий. Основные параметры: d = мм, = 3-6, n= /мин, = Для улучшения циркуляции жидкости мешалку иногда устанавливают внутри диффузора. Достоинства пропеллерных мешалок: высокая интенсивность перемешивания при умеренном расходе энергии, невысокая стоимость. Недостатки: малая эффективность перемешивания вязких жидкостей ( >0.6 Па*с), ограниченный объем интенсивно перемешиваемой жидкости, непригодность для смешивания жидкостей с твердыми веществами большой плотности.

Конструкции механических мешалок

Турбинные мешалки (рис. 3.7) могут быть открытые и закрытые. Они создают в аппарате преимущественно радиальные потоки применяются для интенсивного перемешивания вязких жидкостей ( < 1 Па*с для открытых и < 5 Па*с для закрытых), тонкого диспергирования и быстрого растворения, получения суспензий, содержащих до 60% твердой фазы с размерами частиц до 1.5 мм для открытых и до 2.5 мм для закрытых мешалок. Закрытые мешалки иногда устанавливают внутри неподвижного направляющего аппарата с изогнутыми лопатками. Основные параметры:d = мм, = 3- 6,n = /мин, = 8.4. Турбинные мешалки отличает высокая интенсивность, эффективность перемешивания вязких жидкостей, пригодность для организации непрерывных процессов. Недостатки: сложность изготовления и высокая стоимость.

Специальные мешалки

Вибрационные мешалки, валы которых движутся возвратно-поступательно, применяются для осуществления перемешивания в аппаратах объемом до 3 м.куб. преимущественно при повышенном давлении. Замена традиционных мешалок на вибрационные обычно приводит к снижению затрат энергии на перемешивание и сокращению времени, необходимого для растворения, эмульгирования, суспензирования.

Специальные мешалки Дисковые мешалки применяются для перемешивания жидкостей в объеме до 4 м3 и допускают скорости вращения до /мин, диаметр диска. Иногда их края делают зубчатыми (фрезерная, пила). Барабанные (клетьевые) мешалки создают значительный осевой поток и применяются для проведения газожидкостных реакций, получения эмульсий, взмучивания осадков при отношении высоты столба жидкости в аппарате к диаметру мешалки не менее 10.. Валы всасывающих (импеллерных) мешалок помещают внутри неподвижной газоподводящей трубы, на конце которой установлен статор с лопастями. Их применяют для обеспечения хорошего контакта газа с жидкостью при интенсивном перемешивании. Для перемешивания неньютоновских жидкостей применяют ленточные и шнековые мешалки

Расчет механических перемешивающих устройств

Рекомендуемый метод расчета пригоден для турбулентного режима перемешивания, когда значения центробежного критерия Рейнольдса превосходят Здесь n - частота вращения мешалки в 1/с, - кинематическая вязкость перемешиваемой среды в м.кв/с. Целью расчета является проверка применимости аппарата выбранной конструкции для реализации указанного технологического процесса.

Условные обозначения - число мешалок на валу перемешивающего устройства - коэффициент мощности перемешивания;

Условные обозначения - параметр высоты заполнения аппарата ( l = 4 для аппарата с отражательными перегородками и l = 8 - без перегородок, p= 2 для полностью заполненного и p= 1 для аппарата со свободной поверхностью жидкости),

Условные обозначения относительная осредненная окружная скорость жидкости в аппарате; - число внутренних устройств в аппарате, - коэффициент сопротивления i-го внутреннего устройства; - площадь проекции i -го внутреннего устройства на плоскость, перпендикулярную направлению вращения мешалки; - радиус установки i -го внутреннего устройства; - относительная окружная скорость жидкости на расстоянии от оси вращения.

Условные обозначения относительная осредненная окружная скорость жидкости в аппарате; - число внутренних устройств в аппарате, - коэффициент сопротивления i-го внутреннего устройства; - площадь проекции i -го внутреннего устройства на плоскость, перпендикулярную направлению вращения мешалки; - радиус установки i -го внутреннего устройства; - относительная окружная скорость жидкости на расстоянии от оси вращения.