Пневматическое перемешивание

Пневматическое перемешивание (барботирование) применяется в тех случаях, когда воздух (или какой-либо другой газ) является одним из веществ, вступающих в реакцию, или нужен для интенсификации хими­ческого или биологического процесса (например, для аэрации при изго­товлении пенициллина). Этот способ перемешивания очень эффективен, но, очевидно, применим лишь в тех случаях, когда с жидкостями или веществами, в них растворенными или взвешенными, не происходит не­желательных побочных явлений (окисление, осмоление, улетучивание ценных веществ и др.). Воздушная мешалка представляет собой перфо­рированную кольцевую трубку или решетку, установленную в горизон­тальном положении. Трубку или решетку обычно помещают у дна и покрывают ею или всю поверхность дна, или только часть его соответ­ственно цели перемешивания. Для глубоких сосудов барботер пред­ставляет вертикальную трубку с подачей воздуха через отверстия в ее стенках или через коническую перфорированную насадку на нижнем конусе трубки. Воздух (или газ) для барботирования подается под давлением, достаточным для создания необходимого скоростного напо­ра и преодоления гидростатического сопротивления столба перемеши­ваемой жидкости.

МЕХАНИЧЕСКОЕ ПЕРЕМЕШИВАНИЕ

Основной деталью любой мешалки является одна или несколько раз­личающихся по форме лопастей, закрепленных на вращающемся валу. Вал приводится в движение при помощи обычной зубчатой передачи, чаще всего непосредственно от электродвигателя. В зависимости от формы и устройства лопастей различают мешалки: лопастные, пропел­лерные, турбинные. По числу оборотов мешалки делятся на тихоходные и быстроходные. У тихоходных мешалок скорость вращения не превы­шает 1 об/с.

В зависимости от того, какой поток образуют мешалки в сосуде, раз­личают мешалки, создающие радиальное, аксиальное (осевое), танген­циальное и смешанное течение. На практике в большинстве случаев име­ет место смешанное течение жидкости, которое является сложением 2—3 основных видов движения. Мешалки могут быть стационарными и переносными. В первом случае они смонтированы в емкости, составляя с ней неразрывное целое.

Лопастные мешалки ,

Лопастные мешалки являются наиболее старым типом перемешиваю­щих механизмов. По своему устройству они наиболее простые, вслед­ствие чего широко распространены.

Мешалки с вертикальными лопатками.Конструкция такой мешалки показана на рис. 38. Лопатки у мешалки прямоугольного сечения и рас­положены перпендикулярно к оси вала. Оказывая своей плоской частью давление на жидкость, лопатки заставляют ее вращаться в на­правлении вращения мешалки (тангенциальный поток). При этом за лопаткой возникает разрежение, вызывающее подсасывание жидкости из окружающей среды. В результате подсасывания и обтекания частей жидкости через кромки лопаток создаются необходимые турбулентные

,.

вихри по контуру лопаток. Однако перемешива­ние в вертикальном направлении ничтожно; его можно улучшить, если мешалки будут иметь 2— 3 пары лопаток. В этом случае перемешивание жидкостей происходит в 2—3 горизонтальных плоскостях. Этого же можно достигнуть, если тангенциальное течение в сосуде изменить на радиальное, при котором жидкость будет течь от мешалки перпендикулярно к оси ее вращения. Это преобразование осуществляется путем уве­личения числа оборотов мешалки.

С целью уменьшения образования вокруг вала воронки и предупреждения выброса жид­кости через край аппарата скорость вращения ограничивается 80 об/с.

Рис. 38. Мешалка с вер­тикальными лопатками.

Мешалки с наклонными лопатками.Такие ме­шалки позволяют перемешивание в горизонталь­ных плоскостях совместить с перемешиванием в вертикальном направлении. Направление верти­кальных токов жидкости зависит от того, под

каким углом установлены лопатки. Если они поставлены под острым уг­лом (<90°), т. е. верхний край лопатки будет идти вперед, то жидкость отбрасывается вниз. В том случае, если лопатки будут поставлены под тупым углом (>90°), т. е. вперед идет нижний край, жидкость отбрасы­вается вверх. Наконец, путем установки лопаток под разными углами можно создать перекрестные токи и тем самым обеспечить хорошее пе­ремешивание жидкости во всех направлениях.

Рамные мешалки(рис. 39). Имеют то же назначение: обеспечить перемешивание жидкости во всех ее слоях.

Якорные мешалки.Устанавливаются в тех случаях, когда дно котла является сферическим. Такие мешалки (рис. 40) придаются выпари­тельным чашам. Скорость вращения до 80 об/мин.

Планетарные мешалки.Производят перемешивание как в горизон­тальном, так и в вертикальном направлениях (рис. 41) Состоят из центральной мешалки и боковых мешалок, связанных с главной мешал­кой системой зубчатых передач. Боковые мешалки имеют двойное вра­щение: общее с центральной мешалкой и частное вокруг своей оси. Ло­патки боковых мешалок находятся в других плоскостях, чем у главной мешалки. Планетарная мешалка вращается медленно, тем не менее она весьма эффективна благодаря большому объему жидкости, захва­тываемой мешалками. Планетарные мешалки пригодны для перемеши­вания мазей и суспензий, а также для изготовления эмульсий, которые легко образуются из их компонентов.

Пропеллерные мешалки ; /

У пропеллерных мешалок лопатки имеют постепенно меняющийся на­клон по длине радиуса, причем этот наклон изменяется почти от 0° у вала до 90° на конце лопатки. В связи с этим различные участки -лопатки будут отражать частицы жидкости под разными углами. В ре­зультате возникают встречные токи, способствующие лучшему переме­шиванию. Перемешивание пропеллерными мешалками происходит под действием движения жидкости, возникающего в результате сложения двух потоков: 1) аксиального, обусловленного напором пропеллера (ос­новного) и 2) спирального вихревого потока всего содержимого, вы-\ званного разными скоростями слоев жидкости на различном расстоянии от мешалки.

6—163

L

Рис. 39. Рамная мешалка.

Рис. 40. Якорная мешалка.

1!111!!1|ШНШ!111!1П1!!!ПШ	М1Ш1П11ШШ111111Ш1М	ш
|
i	i
i	I	1.........
	i

Рис. 41. Планетарная мешалка.

Одним из преимуществ пропеллерных мешалок является большая скорость их вращения (в подвижных жидкостях 400—1750 об/мин, в вязких или содержащих взвеси 150—500 об/мин). Они работают без передаточных механизмов, на полных оборотах электродвигателя, что обеспечивает значительное сокращение потерь механической энергии. При больших скоростях вращения постепенно начинает преобладать круговое движение всего содержимого аппарата над аксиальным движе­нием и вокруг вала возникает воронка. Поэтому в аппаратах часто устанавливают отражательные перегородки, которые препятствуют воз­никновению воронки, но способствуют появлению местных вихрей, уве­личивающих общую турбулентность. Воронку можно устранить также, если вал мешалки установить немного эксцентрично или наклонно (10— 20° к оси сосуда). Если столб жидкости значительной высоты, то реко­мендуется устанавливать мешалки с двумя пропеллерами с лопатками

разного направления. Создающиеся в этом случае встречные потоки обеспечивают хорошее смешивание жидкости.

Типы пропеллерных мешалок весьма разнообразны. К тому же они очень компактны и недороги. Среди них широкое применение нашли переносные мешалки. Интенсивность действия пропеллерных мешалок резко изменяется в зависимости от формы сосуда. Их следует исполь­зовать в сосудах с выпуклым дном; в прямоугольных баках или емко­стях с плоским (а тем более вогнутым) дном они не применяются.

Турбинные мешалки I /

Турбинные мешалки состоят из одного или нескольких центробеж­ных колес (турбинок), укрепленных на вертикальном валу и снабжен­ных большим числом лопаток — от 6 до 16 и более. Лопатки турбинок могут быть плоскими (прямые или наклонные) или изогнутыми по кри­вой, как в пропеллерных мешалках. Выбор турбинки зависит от харак­тера перемешиваемой жидкости. Так, при перемешивании подвижных жидкостей применяют турбинки с прямыми лопатками (рис. 42, а), а при более вязких жидкостях и содержащих взвесь твердых частичек более целесообразны турбинки с наклонными (рис. 42, б) или криволи­нейными (рис. 42, в) лопатками. Скорость турбинных мешалок нахо­дится обычно в пределах 120—180 об/мин. Турбинные мешалки пригод­ны для интенсивного перемешивания и диспергирования жидкостей, перемешивания суспензий с большими размерами твердых частиц и взмучивания осадков.

Основными факторами, характеризующими работу всех типов мешалок, являются потребная мощность и эффективность перемеши­вания.

Эффективность перемешивания для всех типов мешалок характери­зуется степенью однородности перемешиваемого объема жидкости во всех его частях.

Практически эффективность перемешивания проверяется путем одно­временного отбора проб в точках, расположенных на различных высо­тах и радиусах, и определения средней концентрации распределенного вещества как средней из всех взятых проб (в случае растворения или диспергирования твердого или жидкого вещества в жидкой среде).

Акустическое перемешивание/

Для получения акустических колебаний используются электромагнит­ные излучатели, а также гидродинамические устройства, действующие по принципу жидкостных сирен.

Необходимо отметить, что, кроме простого транспортирования жидко­стей в емкости, ультразвук значительно ускоряет растворение трудно­растворимых веществ как за счет образования быстрых омывающих по-

$

H

б

Рис. 42. Виды турбинных мешалок. Объяснение в тексте.

токов вокруг частиц, так и дробящего действия. Из-за явления кавита­ции акустическое перемешивание непригодно для химически нестойких лекарственных веществ.

ГЛАВА в