Перемешивание в жидкой среде и псевдоожижение твердого зернистого материала

Наряду с рассмотренными ранее гидромеханическими процессами в химической технике, в частности в нефтехимических производствах, большое значение имеют еще два гидромеханических процесса: перемешивание в жидкой среде и псевдоожижение твердого зернистого и пылевидного материала.

Технологическое назначение перемешивания в жидкой среде разнообразно. Этот процесс применяют в химической технологии для получения эмульсий и суспензий, а также для интенсификации тепловых, диффузионных и химических процессов. Перемешивание в жидкой среде осуществляется тремя основными способами: механическим, пневматическим и циркуляционным. Преимущественное значение в химических и нефтехимических производствах имеет механическое перемешивание.

Основными вопросами, рассматриваемыми при изучении процесса перемешивания в жидкой среде, являются интенсивность и эффективность перемешивания, а также расход энергии .на проведение процесса.

Интенсивность перемешивания определяется количеством энергии, вводимой в единицу объема перемешиваемой среды за единицу времени. Интенсивность перемешивания обусловливает характер движения данной жидкости в аппарате. Как было показано ранее, этот характер определяется числом Re. Следовательно, при перемешивании в данной жидкости число Re является мерой интенсивности перемешивания. Следует иметь в виду, что с увеличением интенсивности перемешивания пропорционально возрастают и энергетические затраты, в то время как технологический эффект от увеличения интенсивности перемешивания ограничивается строго определенными пределами. Поэтому интенсивность перемешивания должна назначаться исходя из условий достижения максимального технологического эффекта перемешивания при минимальных энергетических затратах.

Технологический эффект процесса перемешивания, или эффективность перемешивания, является характеристикой качества процесса. В настоящее время эту качественную характеристику выражают по-разному в зависимости от технологического назначения перемешивания.

При применении перемешивания для интенсификации тепловых, диффузионных и химических процессов эффективность перемешивания можно характеризовать отношением коэффициентов скорости процессов при перемешивании и без перемешивания (отношение коэффициентов теплопередачи, массопередачи и отношение скоростей реакции химического превращения).

При применении перемешивания в процессах получения суспензий или эмульсий эффективность перемешивания можно характеризовать равномерностью распределения фаз в суспензии или эмульсии. Пусть в аппарате находятся жидкость и мелкие твердые частицы. При неработающей мешалке твердые частицы располагаются на дне аппарата в виде слоя определенной толщины. Обозначим через V_ж и V_т объемы соответственно жидкости и твердых частиц в аппарате в м³; и — соответственно плотности жидкости и твердых частиц в кг/м³.

Если при работающей мешалке достигается полное смешение фаз, т.е. равномерное распределение твердых частиц по всему объему жидкости, то содержание твердых частиц в любой пробе полученной смеси, взятой из различных зон аппарата, будет равно средней концентрации твердой фазы в суспензии [в % (масс.)]:

(5.1)

Отношение разности х=х—х_с к наибольшему возможному ее значению характеризует равномерность распределения фаз в тех зонах, откуда взята проба.

Рассмотрим способы перемешивания в жидкой среде. Пневматическое перемешивание осуществляется путем пропускания газа через слой перемешиваемой жидкости. Сжатый газ (обычно воздух) поступает в аппарат, наполненный жидкостью. Газ распределяется барботером, представляющим собой ряд горизонтально расположенных у днища аппарата перфорированных труб.

Для более равномерного распределения газа по объему аппарата трубы изогнуты по окружности или спирали. Иногда барботер выполняют в виде ряда параллельных прямых труб. Газ, выходящий через отверстия в трубах, перемешивает жидкость. Интенсивность перемешивания определяется количеством газа, пропускаемым в 1 мин через 1 м² свободной поверхности аппарата. На практике принимают следующий расход газа [в м³/(м²*мин)]:

Слабое перемешивание 0,4

Перемешивание средней интенсивности 0,8

Интенсивное перемешивание 1,2

Пневматическое перемешивание имеет ограниченные области применения. Его применяют в тех случаях, когда допускается контакт с газом перемешиваемой жидкости и перемешивание осуществляется кратковременными периодами.

Циркуляционное перемешивание производится многократным покачиванием жидкости через систему аппарат — циркуляционный насос — аппарат.

В соответствии с принятой кратностью циркуляции (отношение секундной производительности циркуляционного насоса к объему жидкости в аппарате) обеспечивается та или иная интенсивность перемешивания. Кратность циркуляции, необходимую для обеспечения заданной эффективности процесса, устанавливают опытным путем. Циркуляционные насосы во многих случаях могут быть заменены воздушными или паровыми инжекторами.

Механическое перемешивание в жидкой среде осуществляется с помощью мешалок различного типа. Мешалка чаще всего представляет собой комбинацию лопастей, насаженных на вращающийся вал.

Лопасти мешалок могут иметь разнообразную геометрическую форму, в соответствии с которой различают основные типы мешалок (рис. 5.2): лопастные, пропеллерные, турбинные. Кроме этих основных мешалок, существуют другие, объединяемые в группу мешалок специального типа.

Интенсивность перемешивания мешалками назначается на основании опытных данных, поэтому основной задачей является подобрать тип, размеры и число оборотов мешалки, которые обеспечивали бы назначенную интенсивность перемешивания, а также определить мощность двигателя для мешалки.

Как показывает опыт, при работе мешалок различного типа в аппаратах возникают определенным образом направленные токи жидкости (рис. 5.3). Это движение можно рассматривать как движение жидкости по каналу, имеющему сложную геометрическую форму.

Рис. 5.2. Основные типы мешалок:

а — лопастная; б — пропеллерная; в — турбинная

Рис. 5.3. Характер токов жидкости, возникающих в аппарате с лопастной мешалкой

Движение жидкости по каналам в условиях, когда влиянием сил тяжести на движение можно пренебречь, характеризуется зависимостью (2.42): Eu=f(Re).

Применительно к рассматриваемому случаю перемешивания целесообразно ввести модифицированные числа Рейнольдса и Эйлера.

Если мешалка представляет собой лопасти, насаженные на вращающийся вал, то линейную скорость перемешиваемой жидкости в первом приближении можно принять пропорциональной окружной скорости мешалки:

(5.3)

где — множитель пропорциональности; d — диаметр мешалки, м; п — частота вращения мешалки, с^-1.

Применительно к процессу перемешивания жидкости мешалкой число Re может быть представлено в виде

(5.4)

Постоянные сомножители и у комплекса величин, выражающих число Рейнольдса, могут быть исключены, тогда получим модифицированное число Рейнольдса для случая механического перемешивания в жидкой среде:

(5.5)

В обычном для числа Эйлера выражении (1.41) величину можно заменить на основании следующих рассуждений. Если жидкость циркулирует под действием мешалки по определенному контуру, то мощность мешалки определяется как мощность насоса из соотношения

(5.6)

где — количество перемещаемой жидкости, м³/с;
—перепад давления, Па.

Отсюда

(5.7)

Секундный объем перемещаемой жидкости можно найти, умножив объем жидкости, находящейся в аппарате, на кратность циркуляции:

(5.8)

где f — площадь сечения аппарата, м²; Н — рабочая высота аппарата, м; т — кратность циркуляции, с^-1.

Выражая геометрические размеры аппарата через диаметр мешалки, имеем:

(5.9) (5.10)

где и — коэффициенты пропорциональности.

Кроме того, кратность циркуляции может быть принята в первом приближении пропорциональной числу оборотов мешалки:

(5.11)

а величина , в соответствии с (5.3) выразится как

(5.12)

где и — коэффициенты пропорциональности.

С учетом соотношений (5.7) — (5.12) применительно к процессу перемешивания жидкости мешалкой число Эйлера может быть представлено в виде

(5.13)

Исключая постоянные множители из (5.13), получим модифицированное число Эйлера для случая механического перемешивания в жидкой среде:

(5.14)

Соответственно изложенному уравнение подобия, характеризующее движение жидкости в аппарате при перемешивании мешалками, можно представить в виде

(5.15)

Многочисленные работы по изучению перемешивания мешалками, проведенные П. Г. Романковым, В. В. Кафаровым, И. С. Павлушенко и др., показывают, что характер зависимости (5.15) соответствует закономерностям движения жидкости по каналу.

Зная рабочий объем аппарата V_p и принятую на основании опытных данных интенсивность перемешивания j, Нм/(м³с), определяют мощность, потребляемую мешалкой:

(5.16)

Далее предварительно выбирают тип мешалки, ее размеры и число оборотов. Для достижения эффективности перемешивания необходимо исключить в аппарате образование застойных зон. Поэтому выбор типа и параметров мешалки основывается на анализе ее работы в условиях, аналогичных заданным.

По предварительно выбранным параметрам мешалки находят число . Зная Еu_м для выбранного типа мешалки находят Re_M, пользуясь графиком зависимости Eu_M от Re_M для мешалок различных типов. По значению Re_M определяют число оборотов мешалки:

(5.17)

Мощность (в кВт) двигателя мешалки определяют по формуле

(5.18)

где — коэффициент полезного действия привода.

Энергию (в кВтч), расходуемую на перемешивание мешалкой, определяют в зависимости от заданной продолжительности перемешивания :

(5.19)

На потребляемую мешалкой мощность влияют форма аппарата и расположение мешалки в нем. К увеличению потребляемой мощности приводит и размещение в аппаратах с мешалками перегородок, нагревательных змеевиков и т. п.

По конструктивным особенностям механические мешалки делят на лопастные, пропеллерные, турбинные и специальные; по расположению вала — на вертикальные горизонтальные и наклонные.

Лопастные мешалки. Рабочим органом лопастных мешалок являются лопасти различной конфигурации (рис.1). На вертикальном валу перпендикулярно к нему установлено несколько рядов плоских лопастей. Вал приводится во вращение от электродвигателя через зубчатую или червячную передачу.

При перемешивании лопастными мешалками весьма густых жидкостей основная масса жидкости вращается вместе с лопастями, при этом эффективность перемешивания очень незначительна. Для устранения этого отрицательного явления в корпусе этого аппарата устанавливают «режущие» приспособления - неподвижные перегородки (рис. 1, 6).

Перегородки усиливают турбулизацию потока, улучшая условия перемешивания. Однако возрастает потребление энергии и при значительной вязкости жидкости перегородки могут образовываться застойные зоны.

Для перемешивания вязких сред, когда требуется очистка стенок аппарата от налипающей среды, применяют якорные мешалки (рис.1, в). Форма лопасти якорной мешалки строго соответствует контуру стенок аппарата. Зазор между лопастью истенкой аппарата не превышает 5-8 мм.

Лопастные мешалки применяют для интенсификации тепловых и диффузионных процессов, а также при растворении различных веществ и приготовлении эмульсий и суспензий. Отличаются простотой устройства и низкой стоимостью изготовления, обеспечивая при этом хорошее перемешивание жидкостей.

Пропеллерные мешалки. Перемешивающим органом этих мешалок является пропеллер (двух-,трех-или четырехлопастный) (рис. 2). Лопасти пропеллера имеют постепенно изменяющийся наклон (от 45° до 22° на конце лопасти).

В простейшей пропеллерной мешалке на конце вертикального вала закреплен один пропеллер. Во время работы мешалки возникают интенсивные вертикальные токи жидкости. Один пропеллер обеспечивает интенсивное перемешивание жидкости в зоне высотой, равной диаметру аппарата. Если рабочая высота аппарата превышает его диаметр, то на вертикальном валу устанавливают несколько пропеллеров.

Для осуществления процессов, требующих усиленных вертикальных токов жидкости, в аппаратахустанавливают диффузор - короткую цилиндрическую или коническую обечайку. Пропеллер помещают внутри диффузора.

Применение пропеллерных мешалок эффективно в процессах получения суспензий, а также при перемешивании вязких жидкостей. По сравнению с лопастными мешалками, пропеллерные работают с большими скоростями вращения, однако изготовление их значительно сложнее истоимость выше.

Турбинные мешалки. Получили свое название по перемешивающему устройству – турбинкам. Турбинки бывают открытые с прямыми, наклонными или криволинейными лопатками, и закрытые с каналами (рис.3).

Открытые турбинки представляют собой развитую конструкцию лопастных мешалок. Закрытые турбинки обычно устанавливают внутри неподвижного направляющего аппарата, который представляет собой два кольца, соединенных изогнутыми лопатками.

Турбинные мешалки применяют для перемешивания вязкихжидкостей, для получения суспензий с крупными твердыми частицами. Следует отметить сложность изготовления турбинных мешалок и их высокую стоимость.

Специальные мешалки. В некоторых случаях применяют специальные мешалки различных конструкций, например дисковые и барабанные.

Дисковая мешалка представляет собой сплошной плоский или сужающийся к периферии диск. Обычно на вертикальном валу устанавливается несколько таких дисков. Эти мешалки применяются при непрерывной экстракции для перемешивания частиц твердых материалов с вязкими жидкостями и для приготовления эмульсий.

Барабанная мешалка представляет собой лопастный барабан типа беличьего колеса. Барабанные мешалки применяются для приготовления суспензий (с частицами большой плотности) и эмульсий, а также для перемешивания при возможном взаимодействии газа с жидкостью.

Рис. 1. Типы лопастных мешалок:

а - для суспензий; б - для весьма густых жидкостей; в - для вязких сред (якорная); 1- вал; 2- корпус аппарата; 3- лопасти; 4- неподвижные перегородки

Рис. 2. Трехлопастная пропеллерная мешалка с диффузором:

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

.

Рис. 3. Типы турбинок:

а- открытая с прямыми радиальными лопатками; б- открытая с криволинейными лопатками; в- закрытая с направляющим аппаратом;

1- закрытая турбинка; 2- направляющий аппарат

Псевдоожижение твердого зернистого материала -

процесс взаимодействия газов и жидкостей с твердыми зернистыми и пылевиднымни материалами, при проведении которых твердые частицы приобретают подвижность относительно друг друга за счет обмена энергией с псевдоожижающим потоком. «Псевдоожиженным» слой назвали вследствие внешнего сходства с поведением обычной капельной жидкости: слой принимает форму вмещающего его аппарата, аналогично свойствам жидкости вязок, обладает текучестью и имеет поверхностное натяжение. Тела, имеющие меньшую плотность, чем псевдоожиженный слой, всплывают в нем, а большую - тонут.

Широкое внедрение псевдоожижения в хим. технологию обусловлено рядом положительных факторов. Твердые частицы в псевдоожиженном состоянии в следствии текучести можно перемещать по трубам, что позволяет многие периодические процессы осуществлять непрерывно. Особенно выгодно применение псевдоожижения для процессов, скорость которых определяется термическим или диффузионным сопротивлениями в газовой фазе, так как они в этих условиях уменьшаются в десятки, а иногда в сотни раз, а скорость процессов соответственно увеличивается.

Благодаря интенсивному перемешиванию твердых частиц в псевдоожиженном слое практически выравниваетсяполе температур, устраняется возможность значительных локальных перегревов и связанных с этим нарушений в протекании ряда технологических процессов.

Наряду с достоинствами у псевдоожижения есть и недостатки. Так, вызванное интенсивным перемешиванием твердых частиц выравнивание температур и концентраций в слое приводит к уменьшению движущей силы процесса. Возможность проскока значительных количеств газа без достаточного контакта с твердыми частицами уменьшает выход целевого продукта. Отрицательными факторами следует считать износ самих твердых частиц, эрозию аппаратуры, возникновение значительных зарядов статического электричества, необходимость установки мощных газоочистительных устройств. Некоторые из перечисленных недостатков могут быть устранены рациональной конструкцией аппаратов.

Процессы, в которых используется псевдоожижение твердых частиц, нашли широкое применение в различных отраслях хим. технологии:

1) каталитический крекинг нефтепродуктов, многочисленные гетерогенные каталитические реакции, газификация топлив, обжиг сульфидных руд и др. (химические процессы);

2) сушка мелкозернистых, пастообразных и жидких материалов, рудных концентратов, сублимационная очистка веществ, растворение и кристаллизация солей, адсорбционная очистка газов, термическая обработка металлов, нагрев и охлаждение газов и др. (массообменные процессы);

З) обогащение, классификация, гранулирование, смещение и транспортировка зернистых и пылевидных материалов (механические процессы).

Гидродинамическая сущность процесса псевдоожижения заключается в следующем. Если через слой твердых частиц, расположенный на поддерживающей перфорированной решетке аппарата, проходит поток псевдоожиающего агента (газа или жидкости), то состояние слоя оказывается различным в зависимости от скорости этого потока.

При плавном увеличении скорости потока от 0 до некоторого первого критического значения происходит обычный процесс фильтрования, при котором твердые частицы неподвижны. В случае малого размера частиц и невысоких скоростей режим движения в слое ламинарный. В слое крупных частиц при достаточно высоких скоростях псевдоожижающего агента перепад давления может расти нелинейно с увеличением скорости (переходный и турбулентный режимы).

Переход от режима фильтрация к состоянию псевдоожижения соответствует критической скорости псевдоожижающего агента , называемой скоростью начала псевдоожижения.

В момент начала псевдоожижения масса зернистого и пылевидного материалов, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения аппарата, уравновешивается силой гидравлического сопротивления слоя

(1)
где Gсл — масса материала в слое; f— поперечное сечение аппарата с псевдоожиженным слоем.

С учетом архимедовых сил, действующих на частицы слоя, выражение (1) можно представить в виде

(2)

где : — высота неподвижного слоя; и — плотности твердых частиц и псевдоожижаюшего агента; — порозность неподвижного слоя, т. е. относительный объем пустот в неподвижном слое: , где V₀ и V- объем неподвижного слоя и объем частиц.

При скорости начала псевдоожижения и выше гидравл. сопротивление слоя ΔРсл сохраняет практически постоянное значение. Это объясняется тем, что с ростом скорости псевдоожижающего агента контакт между частицами уменьшается и они получают большую возможность хаотического перемешивания по всем направлениям. При этом возрастает среднее расстояние (просветы) между частицами, т.е. увеличивается порозность слоя ε и, следовательно, его высота h. Так как перепад давления в псевдоожиженном слое остается практически постоянным, высоту такого расширившегося слоя можно определить из условия (2):

,

откуда (3)

В зависимости от свойств псевдоожижагощего агента и его скорости можно наблюдать несколько стадий процесса псевдоожижениия. При скоростях псевдоожижающего агента, незначительно превышающих скорость начала псевдоожижения Wпс, наблюдается так называемое однородное («спокойное») псевдоожижение (рис.1, 6). Однородное псевдоожижение для значительного диапазона скоростей наблюдается также при псевдоожижении зернистых материалов капельными жидкостями ( и одного порядка).

По мере роста скорости при псевдоожижении газом в слое образуются компактные массы газа («пузыри», «каверны»), и у поверхности возникают всплески твердых частиц. При этом наблюдаются значительные пульсации статического и динамического напора псевдоожижающего агента. Такой характер гидродинамики слоя называют неоднородным псевдоожижением (рис.1, в).

Наконец, при достижении некоторого второго критического значения скорости Wy, называемой скоростью уноса, твердые частицы начинают выноситься из слоя (рис.1, г), и их количество в аппарате уменьшается.

Для полидисперсных материалов, как правило, наблюдается переходный диапазон скоростей между режимами фильтрации и псевдоожижения. В реальных условиях поведение слоя во многом зависит от конструктивных особенностей аппаратов. Так, в аппаратах с большим отношением (т. е. в узких и высоких аппаратах) пузыри газа, сливаясь по мере подъема, могут образовать сплошные газовые «пробки», перемещающиеся с движущимися «поршнями» псевдоожиженного зернистого материала.Сопротивление слоя при этом начинает превышать расчетное значение , определяемое равенством (1).

При малых отношениях и при наибольших скоростях псевдоожижающего агента в аппаратах с перфорированным газораспределительными решетками могут возникать сквозные каналы, по которым устремляется основная часть газового по тока - слой с каналообразованием (рис. 5.9, е). При этом в слое твердых частиц образуются застойные зоны, и общее сопротивление слоя оказывается меньше расчетной величины, определяемой уравнением (1).

В инженерных расчетах важно умение оценить пределы существования псевдоожиженного слоя , т.е. определить величины и (ск. уноса). Существует достаточно большое число зависимостей, предложенных различными авторами.

В случае монодисперсного слоя сферических частиц можно воспользоваться зависимостью О.М. Тодеса (порозность слоя неподвижных сферических частиц принимали равной 0,4):

,(4) где число Rе;
число Архимеда;

- скорость начала псевдоожижения, отнесенная к полному сечению аппарата; d - диаметр сферических частиц.

Зависимость (4) дает возможность оценить с точностью ±2О% величину : (5)

Для частиц несферической формы скорость начала псевдоожижения находят с учетом фактора формы:

(6)

Для слоя частиц переменной формы необходимо экспериментальное определение величины Ф.

При скорости потока, превосходящей скорость витания будет происходить вынос частиц из слоя зернистого материала или так называемый пневмотранспорт. Скорость витания можно приближенно определить, воспользовавшись формулой О. М. Тодеса: (7)

Здесь откуда (8)

Для широкого применения метода псевдоожижения в промышленности разработаны многочисленные варианты аппаратов, учитывающие специфические особенности взаимодействующих веществ, требования к качеству получаемых продуктов и технологические условия протеканиия процессов.

Наряду с обычными цилиндрическими аппаратами (рис.1) нашли широкое применение конические аппараты (рис.2, а), в которых скорость псевдоожижающего агента уменьшается при движении снизу вверх, что позволяет работать с полидисперсными материалами.

При подводе газа через небольшое отверстие внизу аппарата и значительном угле конусности входящая струя псевдоожижающего агента может оторваться от стенок аппарата и образовать сплошной канал, по которому движется поток газовзвеси, образуя над поверхностью слоя фонтаны твердых частиц. Такой слой называют фонтанирующим(рис.2, 6). Для аппаратов с фонтанирующим слоем характерно наличие интенсивной циркуляции твердых частиц от центра потока к периферии и сползание вдоль стенок к устью конуса. Аппараты конусного сечения используются, когда в ходе процесса происходит значительное изменение объемов газообразных продуктов. Переменное сечение необходимо для поддержания одинакового гидравлического режима по высоте аппарата.

При псевдоожижении очень мелких частиц, обладающих большой склонностью к электризации и слипанию, с целью разрушения застойных зон и улучшения перемешивания материала используют дополнительный ввод в слой механической энергии посредством различных перемешивающих устройств (газомеханическое псевдоожижение) (рис.2, в).

Получили распространение и аппараты с псевдоожиженным слоем типа АС (активные струи), которые применяют для проведения химических превращений, смешения сыпучих материалов, осуществления совмещенных процессов сушки и грануляции (рис.2, г). Активные струи обеспечивают хорошее перемешивание слоя и предотвращают слипание гранул.

Аппараты с псевдоожиженным слоем, как и все технологические аппараты, могут быть периодического и непрерывного действия. В периодически действующих аппаратах твердые частицы не выводятся до полной отработки. В аппаратах непрерывного действия осуществляется противоток зернистого материала, т.е. происходит постоянный вывод отработанных твердых частиц и замена их свежим зернистым материалом.

Рис. 1. Различные состояния слоя зернистого материала при прохождении через него потока газа (жидкости):

а-неподвижный слой (режим фильтрации); б-однородный псевдоожиженый слой при W≥Wпс; в-неоднородный псевдоожиженный слой; г-унос твердых частиц; с-псевдоожиженый слой с поршнеобразованием; е-псевдожиженный слой с каналообразованием.

Рис. 2. Варианты конструктивного оформления аппарата с псевдоожиженным слоем: а — конический аппарат с псевдоожиженным слоем; б— конический аппарат с фонтанирующим слоем; в — аппарат с газомеханическим псевдоожижением; г — аппарат с активными струями; 1 — корпус; 2 — решетка; 3—5, 7— штуцеры; 6—сопло; 8— активная струя; 9 — псевдоожиженный слой; 10— мешалка; I— суспензия; II — гранулы