Конструктивное оформление процесса перемешивания
Перемешивание
Механическое перемешивание осуществляется с помощью мешалок, которым сообщается вращательное движение либо непосредственно от электродвигателя, либо через понижающую передачу.
Традиционный вид оборудования для механического перемешивания – вертикальный цилиндрический аппарат с мешалкой, ось вращения которой совпадает с осью. Основными элементами таких аппаратов являются корпус, привод, уплотнение вала и мешалка.
Приводом перемешивающего устройства практически всегда служит электродвигатель, соединенный с валом мешалки прямой или понижающей передачей. Прямая передача встречается сравнительно редко, основными областями ее применения являются аппараты малого объема (менее 1 м3), переносные мешалки и аппараты с экранированными электродвигателями, используемые в качестве привода аппаратов, предназначенных для перемешивания токсичных, взрыво- и пожароопасных веществ при повышенных давлениях.
рис. 1. Сальниковое уплотнение:
1 – корпус; 2 – нажимная крышка; 3 – втулка; 4 – натяжные шпильки; 5 – сальниковая набивка
Уплотнение вала осуществляется различными способами, зависящими в основном от давления среды в аппарате, требуемой степени герметизации и других специфических условий, предъявляемых к тому или иному аппарату.
Аппараты, предназначенные для перемешивания нетоксичных и невзрывоопасных жидкостей при невысоких давлениях (до 0,6 МПа) снабжают сальниковыми уплотнениями.
Торцовые уплотнения более совершенны, поэтому ими снабжаются аппараты, предназначенные для перемешивания токсичных и взрывоопасных сред.
рис. 2. Одинарное торцовое уплотнение:
1 – корпус; 2 – сильфон; 3 – неподвижное графитовое кольцо; 4 – подвижное кольцо; 5 – втулка; 6 – пружина
рис. 3. Гидравлическое уплотнение:
1 – вал; 2 – втулка; 3 – кольцевая канавка; 4 – трубка; 5 – дроссельный вентиль; 6 – крышка аппарата; 7 – стакан; 8 – неподвижный стакан
Для аппаратов, работающих при высоких давлениях (10 МПа и более), применяется втулочное гидравлическое уплотнение.
рис. 4. Реактор с экранированным электродвигателем:
1 – ротор электродвигателя; 2 – вал; 3 – подшипники; 4 – экранирующая гильза; 5 – статор; 6 – горловина; 7 – крышка реактора; 8 – кожух; 9 – змеевик
Все вышеописанные способы не гарантируют полной герметизации аппаратов. Утечки перерабатываемой среды в атмосферу можно полностью устранить, применив в качестве привода асинхронный электродвигатель с экранирующей гильзой или магнитную муфту.
рис. 5. Манжетное уплотнение:
1 – фланец; 2 – манжета; 3 – диск; 4 – стальная пружина
В оборудовании, работающем при атмосферном давлении широко используются манжетные уплотнения (рис. 5).
Мешалки
ГОСТом 20680–80 регламентируется 12 типов мешалок: трехлопастная с углом наклона лопасти a = 24°; винтовая (пропеллерная); турбинная открытая; турбинная закрытая; шестилопастная, с углом наклона лопасти a = 45°; клетьевая; лопастная; шнековая; якорная; рамная; ленточная; зубчатая.
Все применяемые мешалки могут быть разделены на быстроходные и тихоходные. Под быстроходными понимаются мешалки, используемые для перемешивания жидких сред при турбулентном и переходном режимах движения жидкости; под тихоходными – при ламинарном движении жидкости. Быстроходные мешалки обычно применяются в аппаратах при значениях Г ³ 1,5 ( 
, где Dап – внутренний диаметр аппарата, dм – диаметр мешалки), тихоходные – при значениях Г = (1,05¸1,25).
При работе любых вращающихся мешалок возникает сложное трехмерное течение жидкости: тангенциальное, радиальное и осевое. 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 за счет центробежной силы, возникающей при вращении мешалки. Дойдя до стенки сосуда, поток жидкости делится на два: один движется вниз, другой вверх (рис. 6). Осевое течение жидкости направленно параллельно оси вращения мешалки. При осевом течении создается циркуляция жидкости (насосный эффект), являющийся важной характеристикой мешалки: чем больше насосный эффект, тем лучше идет процесс перемешивания.
рис. 6. Профиль жидкости при тангенциальном (а), радиальном (б) и осевом (в) течении
Быстроходные мешалки.К быстроходным относят лопастные, пропеллерные, турбинные, клетьевые и зубчатые мешалки.
Лопастные мешалки. Лопастными мешалками называются устройства, состоящие из двух или большего числа лопастей прямоугольного сечения, закрепленных на вращающемся вертикальном или наклонном валу.
Наиболее часто применяют двухлопастные (иногда называемые лопастными), трехлопастные и шестилопастные мешалки.
рис. 7. Лопастные мешалки:
а – двухлопастная; б – трехлопастная; в – шестилопастная; 1 – втулка; 2 – лопасть; 3 – укрепляющие ребра
Турбинные мешалкиработают по принципу центробежного насоса. В отличие от лопастных, рамных и якорных мешалок, сообщающих жидкости в основном вращательное движение, они обеспечивают и значительное радиальное течение.
рис. 8. Турбинная мешалка
Турбинные мешалки снабжены лопатками и имеют четко очерченный ротор (рис. 8). Наиболее простой и одновременно высокоэффективной является мешалка с прямыми лопастями, расположенными радиально. Лопатки могут быть приварены к диску или прикреплены с помощью болтов. Плоские лопатки могут также быть наклонены под определенным углом относительно плоскости вращения мешалки (чаще всего a = 45°).
Винтовые мешалки представляют собой сварную трехлопастную конструкцию. Каждая из трех лопастей выполняется из листа и является частью правильной винтовой поверхности, имеющей постоянный шаг, равный диаметру пропеллера dм (рис. 9).
рис. 9. Винтовая мешалка
Быстроходные мешалки чаще всего работают в аппаратах с отражательными перегородками. Целью установки отражательных перегородок служит изменение структуры поля скоростей – уменьшение окружной составляющей скорости при соответствующем увеличении осевой и радиальной составляющих. Преимущественно окружной характер движения перемешиваемой среды в аппаратах без внутренних устройств в ряде случаев ограничивает возможности интенсификации перемешивания вследствие завихрения жидкости и образования воронки.
В аппаратах с неметаллическими покрытиями (эмалированные, гуммированные) роль отражательных перегородок выполняют отражатели, закрепляемые на крышке (рис. 10). Для повышения жесткости при действии гидродинамических нагрузок отражатели изготавливают из труб.
рис. 10. Схемы отражателей:
а, б – с прямыми лопастями; в – с изогнутыми лопастями; г – веслообразный отражатель
К тихоходным мешалкам относятся рамные, якорные, шнековые и ленточные мешалки.
Рамные и якорные мешалки (рис. 11) отличаются исключительно низким числом оборотов. Их окружная скорость не превышает 0,5–1,5 м/с, а число оборотов 0,33–1 об/с. Диаметр мешалок приближается к диаметру сосуда, и зазор между лопастью и стенкой сосуда обычно принимается в пределах (0,005¸0,1)D. Таким образом, в случае применения этих мешалок можно избежать местного перегрева жидкости (при нагреве с помощью рубашки) или осадка на дне сосуда. Якорные и рамные мешалки применяются для перемешивания жидкостей высокой вязкости. Якорные мешалки пригодны для перемешивания жидкостей вязкостью 50 Па×с, а рамные – для перемешивания жидкостей вязкостью 100 Па×с.
рис. 11. Тихоходные мешалки:
а – якорная; б – рамная для аппаратов с эллиптическими днищами; в – рамная для аппаратов с коническими днищами