Механические перемешивающие устройства

Механические перемешивающие устройства состоят из трех основных частей: собственно из мешалки, вала и привода. Мешалка является рабочим элементом устройства, закрепляемым на вертикальном, горизонтальном или на наклонном валу. Привод может быть осуществлен либо непосредственно от электродвигателя (для быстроходных мешалок), либо через редуктор или клиноременную передачу.

По устройству лопастей различают мешалки лопастные, пропеллерные, турбинные и специальные.

По типу создаваемого мешалкой потока жидкости в аппарате различают мешалки, обеспечивающие тангенциальное, радиальное, осевое и смешанное течение.

При тангенциальном течении жидкость в аппарате движется преимущественно по концентрическим окружностям, параллельным плоскости вращения мешалки. Качество перемешивания будет наихудшим, когда скорость вращения жидкости будет равна скорости вращения мешалки. Радиальное течение характеризуется направленным течением жидкости от мешалки к стенкам аппарата перпендикулярно оси вращения мешалки. Осевое течение жидкости направлено параллельно оси вращения мешалки.

В промышленных аппаратах с мешалками возможны различные сочетания этих типов течения. Тип создаваемого потока, а также конструктивные особенности мешалок определяют их области применения.

При высоких скоростях вращения мешалок перемешиваемая жидкость вовлекается в круговое движения и вокруг вала образуется воронка, глубина которой увеличивается с возрастанием числа оборотов и уменьшением плотности и вязкости среды. Для предотвращения образования воронки в аппарате помещают отражательные перегородки, которые, кроме того, способствует возникновению вихрей и увеличению турбулентностью системы. Образование воронки можно предотвратить и при полном заполнении аппарата, т.е. при отсутствии воздушной прослойки между перемешиваемой жидкостью и крышкой аппарата, а также при установке вала мешалки эксцентрично к оси аппарата или применении аппарата прямоугольного сечения.

Помимо этого, отражательные перегородки устанавливают во всех случаях при перемешивании в системах газ – жидкость. Применение отражательных перегородок, а также эксцентричное или наклонное расположение вала мешалки приводит к увеличению потребляемой ею мощности.

Мешалки подразделяют на:

Лопастные мешалки применяют для перемешивания жидкостей с небольшой вязкостью (до 0,1 Па с), растворения и суспензирования твердых веществ с малым удельным весом, а также для грубого смешения жидкостей вязкостью меньше 20 Па ^. с). Лопастные мешалки отличаются простотой конструкции и низкой стоимостью изготовления. Наиболее просты по устройству мешалки с плоскими лопастями из полосовой или угловой стали, установленные перпендикулярно или наклонно к направлению их движения. Частота вращения таких мешалок колеблется от 18 до 80 об/мин, при увеличении частоты вращения выше указанной, эффективность перемешивания резко снижается. Диаметр лопастей составляет 0,7 диаметра сосуда, в котором работает мешалка.

К недостаткам лопастных мешалок относятся - малая интенсивность перемешивания густых и вязких жидкостей, а также полная непригодность для перемешивания легко расслаивающихся веществ, для быстрого растворения, тонкого диспергирования и получения суспензий, содержащих твердую фазу с большим удельным весом.

Пропеллерные мешалки. Плоские лопасти мешалок, поверхность которых перпендикулярна направлению движения перемешиваемой жидкости, не могут обеспечить хорошего перемешивания во всех слоях жидкости, так как создают в ней главным образом только горизонтальные токи. При использовании пропеллерных мешалок (рисунок 1), вследствие изменении угла наклона Q по всей плоскости лопасти, частицы жидкости при перемешивании отталкиваются в любом направлении, в результате возникают встречные токи, способствующие интенсификации перемешивания.

1- корпус аппарата; 2- вал; 3- пропеллер; 4- диффузор

Рисунок 1 -Пропеллерная мешалка: а) без диффузора; б) с диффузором

а) б) в) а) якорная; б) рамная; в) листовая Рисунок 3 -Тихоходные мешалки.

Для улучшения циркуляции перемешиваемой жидкости пропеллерную мешалку часто устанавливают в диффузоре, последняя представляет собой стакан, имеющий форму цилиндра или слегка усеченного конуса. Пропеллерные мешалки применяют для интенсивного перемешиваемого маловязких жидкостей, взмучивания осадков, содержащих до 10% твердой фазы с размерами до 0,15 мм, а также для приготовлении суспензий и эмульсий. Пропеллерные мешалки не пригодны для совершенного смешивания жидкостей значительной вязкости (более 0,6 Па ^. с) или жидкостей, включающих твердую фазу большого удельного веса.

Турбинные мешалки применяют для интенсивного перемешивания и смешения жидкостей с вязкостью до 10 Па с для мешалок открытого типа и до 50 Па с для мешалок закрытого типа, для тонкого диспергирования, быстрого растворения или выделения осадков в больших объемах (5 - 6 и более). Эти мешалки используют для взмучивания осадков в жидкостях, содержащих до 60% твердой фазы (мешалки открытого типа) и более (мешалки закрытого типа), причем максимальные размеры твердых частиц до 1,5 мм для мешалок открытого типа и до 2,5 мм для мешалок закрытого типа.

Мешалка состоит из одного или нескольких центробежных колес (турбинок), укрепленных на вертикальном валу.

Турбинные мешалки могут быть двух типов: открытого (рисунок 2а, б, в) и закрытого (рисунок 2г) типов. Закрытые мешалки устанавливают внутри направляющего аппарата, представляющего собой неподвижное кольцо с лопатками, последние изогнуты под углом, изменяющимся от 45° до 90° . При частоте вращения 100 – 350 об/мин турбинные мешалки обеспечивают интенсивное перемешивание жидкости. Недостатки мешалок этого типа – относительная сложность конструкции и высокая стоимость изготовления.

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 Рисунок 2 - Турбинные мешалки.

Нормализованные турбинные мешалки имеют диаметр турбин 400, 500, 600 и 800 мм.

Для перемешивания жидкостей вязкостью не более 10 Па ^. с, а также для перемешивания в аппаратах, обогреваемых с помощью рубашки или внутренних змеевиков, в тех случаях, когда возможно выпадение осадка или загрязнение теплопередающей поверхности, применяют якорные (рисунок 3а) или рамные (рисунок 3б) мешалки. Они имеют форму, соответствующую форме аппарата и диаметр, близкий к внутреннему диаметру аппарата или змеевика. При вращении эти мешалки очищают стенки и дно аппарата от налипающих загрязнений.

Листовые мешалки (рисунок 3 в) имеют лопасти большей ширины, чем у лопастных мешалок, и относятся к мешалкам, обеспечивающим тангенциальное течение перемешиваемой среды. Кроме чисто тангенциального потока, который является преобладающим, верхние и нижние кромки мешалки создают вихревые токи, подобные тем, которые возникают при обтекании жидкостью плоской пластины с острыми краями. При больших скоростях вращения листовой мешалки на тангенциальный поток накладывается радиальное течение, вызванное центробежными силами.

Листовые мешалки применяют для перемешивания маловязких жидкостей (вязкостью менее 0,05 Па ^. с), интенсификации процессов теплообмена, при проведении химической реакции в объеме и растворении.

Барабанные мешалки (рисунок 4) состоят из двух цилиндрических колец, соединенных между собой вертикальными лопастями прямоугольного сечения. Высота мешалки составляет 1,5 -1,6 ее диаметра. Мешалки этой конструкции создают значительный осевой поток и применяются (при отношении высоты столба жидкости в аппарате к диаметру барабана не менее 10) для проведения газо - жидкостных реакций, получения эмульсий и взмучивания осадков.

Дисковые мешалки (рисунок 5) представляют собой один или несколько гладких дисков, вращающихся с большой скоростью на вертикальном валу. Течение жидкости в аппарате происходит в тангенциальном направлении за счет трения жидкости о диск, причем сужающиеся диски создают также осевой поток. Иногда края диски делают зубчатыми. Диаметр диска составляет 0,1 - 0,15 диаметра аппарата. Окружная скорость равна 5 - 35 м/с, что при небольших размерах диска соответствует очень высоким числам оборотов. Потребление энергии колеблется от 0,5 кВт для маловязких сред, до 20 кВт для вязких смесей. Дисковые мешалки применяют для перемешивания жидкостей в объемах до 4 .

Рисунок 4 - Барабанная мешалка	Рисунок 5 - Дисковая мешалка

Вибрационные мешалки имеют вал с закрепленными на нем одним или несколькими перфорированными дисками (рисунок 6). Диски совершают возвратно-поступательное движение, при котором достигается интенсивное перемешивание содержимого аппарата. Энергия, потребляемая мешалками этого типа, невелика. Они используются для перемешивания жидких смесей и суспензий преимущественно в аппаратах, работающих под давлением. Время, необходимое для растворения, гомогенизации, диспергирования при использовании вибрационных мешалок, значительно сокращается. Поверхность жидкости при перемешивании этими мешалками остается спокойной, воронки не образуется. Вибрационные мешалки изготовляются диаметром до 0,3 м и применяются в аппаратах емкостью не более 3 .

Рисунок 6 - Устройство дисков вибрационных мешалок

Выбор того или иного типа мешалок определяется целевыми назначением перемешивающих устройств и конкретными условиями протекания процесса. Какие-либо четкие рекомендации по этому вопросу не могут быть сформулированы. Поэтому при выборе того или иного типа перемешивающего устройства можно использовать ориентировочные характеристики условий целесообразного применения различных типов мешалок (табл.1.1).

Таблица 1.1 - Рекомендации по использовании основных типов мешалок

Тип мешалок	Объем жид- кости, пере- мешиваемой одной мешалкой,	Содержание твердой фазы при суспензи- ровании, %	Динами- ческая вяз- кость пере- мешивае- мой жидко- сти, Па? с	Окружная скорость мешалки,	Частота вращения мешалки,
Лопастные Пропеллер- ные Турбинные: открытые закрытые Специаль- ные	до 1,5 до 4,0 до 10,0 до 20,0   до 20,0	до 5 до 10 до 60 до 60 и более   до 75	до 0,01 0,5- 3 до 0,06 0,1- 4 до 10 10- 40   до 5,00 до 10	до 1,7-5,0 1,5-3,2 до 4,5-17,0 3,8-10 до 1,8-13,0 2,6-7 до 2,1-8,0 до 6,0-30,0 0,5- 4	0,3-1,35 8,5-20,0 0,7-10,0 1,7-6,0   1,7-25,0

В различных отраслях промышленности изредка применяют мешалки специфических конструкций. В качестве примера можно привести всасывающие (импеллерные) мешалки, которые применяют для обеспечения хорошего контакта газа с жидкостью при одновременном интенсивном перемешивании (рисунок 7.). Вал мешалки помещен внутри трубы 1, по которой подается воздух под небольшим избыточным давлением (в некоторых конструкциях воздух всасывается при вращении мешалки). На мешалке имеется ряд лопастей, а на конце трубы установлен статор с лопастями. Наличие двух рядов лопастей, подвижного и неподвижного обеспечивает хорошее перемешивание жидкости и газа.

1 - центральная труба ; 2 - лопасти статора ; 3 - лопасти мешалки (ротора) Рисунок 7 - Импеллерная мешалка.

Мешалки для высоковязких и неньютоновских сред.

Ленточная мешалка представляет собой конструкцию, состоящую из вертикального вала, на котором на равном расстоянии одна от другой установлены цилиндрические втулки 2 (рисунок 8). К каждой втулке приварены две цилиндрические траверсы 1, на периферийную часть которых опираются две плоские ленты 4 и 5 шириной B = 0,1d_m c относительным шагом P = t / d_m = 1/

Высота ленточной мешалки принимается конструктивно в зависимости от высоты корпуса аппарата и уровня жидкости в нем.

Ленточные мешалки используются в аппаратах, имеющих следующие геометрические характеристики: 1<= (Н/D) <= 3 .

Шнековая мешалка состоит из цилиндрической втулки или вала, к наружной поверхности которых приварена по винтовой линии плоская лента, имеющая шаг t (рисунок 9). Шнековые мешалки, как правило, устанавливают в циркуляционной трубе.

В случае установки шнековой мешалки в циркуляционной трубе должны соблюдаться следующие конструкционные соотношения между отдельными размерами элементами аппарата:

, (1.5)

, (1.6)

, (1.7)

Ленточные мешалки со скребками используются для интенсификации процесса теплоотдачи (рисунок 10). Высота мешалки принимается конструктивно в зависимости от высоты корпуса аппарата и уровня жидкости в нем. Эта высота должна быть кратной 0,166t. Все размеры ленточной мешалки со скребками идентичны размерам ленточной мешалки, однако применять эту мешалку наиболее рационально в аппаратах, имеющих относительную высоту корпуса Н’/D=2,3 … 3.

1- траверса ; 2- втулка ; 3- вал ; 4,5- плоские ленты. А-А : а) для вала < 90 мм ; б) для вала > 90 мм Рисунок 8 - Ленточная мешалка.

Рисунок 9 - Шнековая мешалка

1- скребок; 2- спиральная лента; 3- вертикальная траверса; 4- вал.

Рисунок 10 - Ленточная мешалка со скребками.