Перемешивание в жидких средах

Перемешивание в жидких средах широко применяется в химической промышленности для приготовления эмульсий, суспензий и для интенсификации химических и тепловых процессов.

Способы перемешивания и выбор аппаратуры для его проведения определяются целью перемешивания и агрегатным состоянием перемешиваемых материалов.

Независимо от того, какая среда смешивается, различают два основных способа перемешивания: механический (с помощью мешалок различных конструкций) и пневматический (сжатым воздухом или инертным газом). Кроме того, применяют перемешивание в трубопроводах и перемешивание с помощью сопел и насосов.

Эффективность перемешивающего устройства характеризует качество проведения процесса перемешивания и может быть выражена по – разному в зависимости от цели перемешивания (для суспензий это равномерность распределения твердой фазы в объеме аппарата; при интенсификации тепловых процессов – отношение коэффициентов тепло- или массоотдачи при перемешивании и без него).

Интенсивность перемешивания определяется временем достижения заданного технологического результата или числом оборотов мешалки при фиксированной продолжительности процесса (для механических мешалок).

Механическое перемешивание – это перемешивание с введением в перемешиваемую среду механической энергии из внешнего источника. Механическое перемешивание осуществляется с помощью мешалок, которым сообщается вращательное движение либо непосредственно от электродвигателя, либо через редуктор или клиноременную передачу.

При медленном движении в вязкой среде тела любой формы в тонком слое жидкости, примыкающем к его поверхности, образуется ламинарный пограничный слой, форма и толщина которого зависит от формы и размеров тела. При увеличением скорости движения происходит обрыв пограничного слоя от поверхности тела в точках, где скорость жидкости наибольшая и образование турбулентного кормового следа за движущемся телом. При этом резко возрастает сопротивление среды движению тела. Окружная скорость имеет, наибольшее значение на периферии мешалки, в данной области образуется зона пониженного давления, куда устремляется жидкость, находящаяся в аппарате. Процесс перемешивания описывается критериальным уравнением.

где Г₁ , Г₂ – симплексы геометрического подобия.

В дальнейшем будем использовать модифицированные критерии Эйлера (Eu_м), Рейнольдса (Re_м) и Фруда (Fr_м). Вместо линейной скорости, в модифицированные критерии подставляется величина nd, пропорциональная окружной скорости мешалки ω_окр.

где d –диаметр мешалки.

В критерий Эйлера входит разность давлений Δp между передней (со стороны набегания потока) и задней плоскостями лопасти мешалки. Этот перепад давлений, преодолеваемый усилием Р, приложенным к валу мешалки, выражают через полезную мощность N, сообщаемую жидкости.

N ~ P(nd)

~ – пропорциональна.

Тогда перепад давления можно заменить пропорциональной величиной.

Критерий Eu_м , выраженный в таком виде, называют критерием мощности. Соответственно обобщенное уравнение гидродинамики для процессов перемешивания принимает вид:

Влияние силы тяжести сказывается на образовании воронки и волн на свободной поверхности перемешиваемой жидкости. При наличии в аппарате отражательных перегородок влиянием силы тяжести можно пренебречь. В этом случае:

При перемешивании механическими мешалками различают два режима перемешивания: ламинарный (Re_м<30) соответствует интенсивному перемешиванию, при котором жидкость плавно обтекает кромки лопасти мешалки, захватывается лопастями и вращается вместе с ними.

С увеличением числа оборотов мешалки возрастает сопротивление среды вращению мешалки, вызванное турбулизацией пограничного слоя и образованием турбулентного кормового следа в пространстве за движущимися лопастями. При Re_м > 10² возникает турбулентный режим перемешивания. В области развитой турбулентности (Re_м >10⁵) критерий К_N практически не зависит от Re_м

1 – лопастная;

2 – лопастная с перегородками;

3 – турбинная;

4 – пропеллерная.

Механические перемешивающие устройства состоят из трех основных частей: собственно мешалки, вала и провода.

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 течения.

При тангенциальном течении жидкость в аппарате движется преимущественно по концентрическим окружностям, параллельным плоскости вращения мешалки. Перемешивание происходит за счет вихрей возникающих на кромках мешалки. Качество перемешивания будет наихудшим, когда скорость вращения жидкости равна скорости вращения мешалки. Радиальное течение характеризуется направленным движением жидкости от мешалки к стенкам аппарата перпендикулярно оси вращения мешалки. Осевое течение жидкости направлено параллельно оси вращения мешалки.

Мешалки лопастного типа. Лопастными мешалками называются устройства, состоящие из двух или большего числа лопастей прямоугольного сечения, закрепленных на вращающемся вертикальном или наклонном валу. К лопастным мешалкам относятся также и некоторые мешалки специального назначения: рамные и листовые.

Основные достоинства лопастных мешалок – простота устройства и невысокая стоимость изготовления. К недостаткам, следует отнести слабый осевой поток, не обеспечивающий достаточно полного перемешивания по всему объему аппарата.

Некоторое увеличение осевого потока жидкости достигается при наклоне лопастей под углом 30 – 45⁰ к оси вала. При перемешивании лопастными мешалками в аппаратах с большим отношением высоты к диаметру используются многорядные двухлопастные мешалки с установкой на валу нескольких рядов мешалок, повернутых друг относительно друга на 90⁰. Расстояние между отдельными рядами выбирают в пределах (0,3 – 0,8d),

d – диаметр мешалки.

Листовая мешалка. Она применяется для перемешивания маловязких жидкостей, интенсификации процессов теплообмена, при проведении химических реакций в объеме и растворении. Они создают тангенциальное течение перемешиваемой среды.

Обычно для лопастных мешалок принимают следующие соотношения:

d = (0,66 – 0,9) D, ширина лопасти b =(0,1 – 0,2)D, высота уровня жидкости в сосуде H = (0,8 – 1,3)D.

Пропеллерные мешалки. Рабочей частью пропеллерной мешалки является пропеллер – устройство с несколькими фасонными лопастями, изогнутыми по профилю гребного винта. Наибольшее распространение получили трехлопастные пропеллеры. На одном валу может быть несколько пропеллеров. Вследствие более обтекаемой формы пропеллерные мешалки потребляют меньшую мощность, чем мешалки прочих типов. К достоинству их можно отнести высокую скорость вращения и возможность непосредственного присоединения мешалки к электродвигателю (уменьшение механических потерь).

Пропеллерные мешалки создают преимущественно осевые потоки перемешиваемой среды. Недостатком пропеллерных мешалок является сложность конструкции и высокая стоимость изготовления. Для пропеллерных мешалок принимают следующие соотношения основных размеров. Диаметр мешалки: d = (0,2 – 0,5) D, расстояние от мешалки до дна сосуда h=(0,5 – 1,0) d, высота уровня жидкости в сосуде H = (0,8 – 1,2)D, число оборотов пропеллерных мешалок достигает 40 в секунду.

Турбинные мешалки. Эти мешалки имеют форму колес водяных турбин с плоскими, наклонными лопатками, укрепленными, как правило, на вертикальном валу. В аппаратах с турбинными мешалками создаются преимущественно радиальные потоки жидкости. При работе турбинных мешалок с большим числом оборотов наряду с радиальным потоком возможно возникновение тангенциального течения содержимого аппарата и образование воронки. При больших значениях отношение высоты к диаметру аппарата применяют многорядные турбинные мешалки. В зависимости от области применения турбинные мешалки обычно имеют диаметр d = (0,15 – 0,65) D, при отношении высоты уровня жидкости к диаметру аппарата не более двух, число оборотов мешалки колеблется в пределах 2-5 в сек.

Турбинная мешалка, открытая с прямыми лопатками. Закрытая мешалка имеет два диска с отверстиями в центре для прохода жидкости; диски сверху и снизу привариваются к плоским лопастям. Жидкость поступает в мешалку параллельно оси вала, выбрасывается мешалкой в радиальном направлении и достигает наиболее удаленных точек аппарата.

Специальные мешалки: барабанные применяются для проведения химических реакций и получения эмульсий. Они состоят из двух цилиндрических колец соединенных между собой вертикальными лопастями прямоугольного сечения.

Дисковые – представляют собой диск (гладкий или зубчатый) вращающийся с большой скоростью на вертикальном валу.

Вибрационные – состоят из вала с закрепленным на него одним или несколькими перфорированными дисками. Диски совершают возвратно – поступательное движение.

Пневматическое перемешивание – сжатым инертным газом или воздухом используют в тех случаях, когда перемешиваемая жидкость отличается большой химической активностью и быстро разрушает механические мешалки.

Перемешивание сжатым газом является малоинтенсивным процессом. Расход энергии больше, чем при механическом перемешивании.

Перемешивание сжатым газом проводят в аппаратах, снабженных специальными устройствами – барботером или центральной циркуляционной трубой. Барботер представляет собой расположенные по дну аппарата трубы с отверстиями, с помощью которых осуществляется барботаж газа через слой обрабатываемой жидкости. При циркуляционном (эрлифтном) перемешивании газ подают в циркуляционную трубу. Пузырьки газа увлекают за собой вверх по трубе жидкость, находящуюся в сосуде, которая за тем опускается вниз в кольцевом пространстве между трубой и стенками аппарата, обеспечивая циркуляционное перемешивание жидкости.

Перемешивание в трубопроводах является простейшим способом перемешивания жидкостей, применяемым при транспортировании их по трубопроводам. Перемешивание в трубопроводе происходит под действием турбулентных пульсаций. Часто для улучшения перемешивания жидкостей в трубопровод помещают специальные вставки и винтовые насадки.

Перемешивание с помощью сопел и насосов

Сопла в аппаратах применяют для перемешивания газообразных и капельных жидкостей – чаще всего циркуляционным способом.

Струя жидкости, вытекающая из сопла, передают за счет внутреннего трения часть своей кинетической энергии принимающим слоям жидкости, приводя их в движение. В пространстве, которое занимает эти слои, возникают разряжение. Снижение давления, заставляет жидкость подсасываться в эту часть пространства. Такая последовательность взаимодействия струи и находящейся в аппарате жидкости происходит непрерывно и многократно, обеспечивая перемешивание содержимого аппарата.

Сопла для капельных жидкостей, применяют обычно совместно с циркуляционным насосом, который сообщает жидкости, подаваемой в сопло, необходимую кинетическую энергию.