2.3. Перемешивание в жидких средах

Аппараты для перемешивания жидких сред

2.3. Перемешивание в жидких средах

Перемешивание в жидких средах применяется в химической промышленности для приготовления суспензий, эмульсий и получения гомогенных систем (растворов), а также для интенсификации химических, тепловых и диффузионных процессов. В последнем случае перемешивание осуществляют непосредственно в предназначенных для проведения этих процессов аппаратах, снабженных перемешивающими устройствами.

Цель перемешивания определяется назначением процесса. При приготовлении эмульсий для интенсивного дробления дисперсной фазы необходимо создавать в перемешиваемой среде значительные срезающие усилия, зависящие от величины градиента скорости. В тех зонах, где градиент скорости жидкости имеет большое значение, происходит наиболее интенсивное дробление диспергируемой фазы.

В случае гомогенизации, приготовления суспензий, нагревания или охлаждения перемешиваемой гомогенной среды целью перемешивания является снижение концентрационных или температурных градиентов в объеме аппарата.

При использовании перемешивания для интенсификации химических, тепловых и диффузионных процессов в гетерогенных системах создаются лучшие условия для подвода вещества в зону реакции, к границе раздела фаз или к поверхности теплообмена.

Увеличение степени турбулентности системы, достигаемое при перемешивании, приводит к уменьшению толщины пограничного слоя, увеличению и непрерывному обновлению поверхности взаимодействующих фаз. Это вызывает существенное ускорение процессов тепло — массообмена.

Способы перемешивания и выбор аппаратуры для его проведения определяются целью перемешивания и агрегатным состоянием перемешиваемых материалов. Широкое распространение в химической промышленности получили процессы перемешивания в жидких средах.

Независимо от того, какая среда смешивается с жидкостью — газ, жидкость или твердое сыпучее вещество, — различают следующие способы перемешивания в жидких средах:

  • механическое перемешивание с использованием мешалок различного типа;
  • циркуляционное перемешивание:
  1. перемешивание струей жидкости, вытекающей из сопла;
  2. перемешивание жидкости струей газа;
  3. пульсационное перемешивание;
  • перемешивание на основе звуковых и ультразвуковых колебаний;
  • перемешивание за счет подвода энергии вибрации;
  • перемешивание с помощью магнитного поля;
  • перемешивание в статических смесителях за счет установки различных винтовых элементов в трубопроводе;
  • электрогидравлическое перемешивание.

Конструкции механических мешалок

Механическое перемешивающее устройство состоит из вала, к которому крепится мешалка, и привода. Мешалки делятся на две группы:

  • тихоходные – лопастные, рамные, якорные. Они имеют относительно большие размеры и малую скорость вращения (обычно не более 80 );
  • быстроходные – пропеллерные и турбинные.

Лопастная мешалка

Лопастная мешалка (рисунок 1) имеет две горизонтальные лопасти, укрепленных на вращающемся валу.

В случае необходимости сообщения частичного вертикального перемещения лопасти делают наклонными (обычно угол наклона α=450). Для диаметра мешалки dм принимают dм=(0,5…0,7)·D, где D –диаметр аппарата.

Окружную скорости на конце лопасти мешалки выбирают в зависимости от вязкости перемешиваемой среды в диапазоне от 1 до 3 м/сек.

Лопастные мешалки применяют для смешивания жидкостей, растворенных твердых тел, получения суспензий и т. д. При большой высоте аппарата L>>D на валу устанавливают мешалки в два, три яруса и более.

Рисунок 1 — Простые лопастные мешалки

Рамные мешалки

Рамные мешалки являются комбинацией простых лопастных мешалок с вертикальными и наклонными планками и применяются в случае больших объемов перемешиваемых вязких материалов. Окружные скорости вращения на концах лопастей для отношения dм/D такие же, как для лопастных мешалок.

Якорные мешалки

Якорные мешалки получили широкое распространение в промышленности. Их контур соответствует форме сосуда, в котором они расположены (рисунок 2,а и 2,б). Обычно выдерживают соотношение dм = (0,7…0,9)D, но на практике оно может быть и большим. Скорость вращения до 90 об/мин.

Рисунок 2 — Якорные мешалки

Якорные мешалки используют для перемешивания очень вязких жидкостей, особенно если процесс сопровождается нагревом среды через стенки аппарата.

Из-за небольшого зазора между краями мешалки и стенки аппарата около последних возникает сильное турбулентное течение, препятствующее перегреванию жидкости и образованию на стенках осадков.

При высокой вязкости жидкости мешалка снабжается добавочными горизонтальными и вертикальными лопастями (рисунок 2, б). В соответствии с формой днища различают круглые, эллиптические, треугольные и другие якорные мешалки.

Пропеллерные мешалки

Пропеллерные мешалки имеют три или четыре лопасти, расположенные винтообразно. По форме лопасти могут быть овальные, расширяющиеся и с параллельными кромками (рисунок 3).

Пропеллерные мешалки создают интенсивные вертикальные потоки жидкости и, как следствие этого, большой насосный эффект, что позволяет существенно сократить продолжительность процесса, особенно в случае перемешивания расслаиваемых жидкостей.

Рисунок 3 — Пропеллерная мешалка

Диаметр мешалки выбирают в диапазоне dм=(0,25…0,33)D. Окружная скорость этих мешалок 15 м/сек (2400 об/мин). Они применяются для перемешивания жидкостей вязкостью до 2Па·с .

Для организации направленного течения жидкости в аппаратах, где Н>>D , пропеллерную мешалку устанавливают в диффузор (рисунок 4), который представляет собой короткий цилиндрический или конический стакан.

Рисунок 4 — Пропеллерная мешалка с диффузором

Пропеллерные мешалки применяют для перемешивания жидкостей, растворения, образования взвесей, проведения химических реакций в жидкой среде, образования маловязких эмульсий и гомогенизации больших объемов жидкости.

Турбинные мешалки

Турбинные мешалки охватывают большую группу весьма разнородных конструкций. Диаметр мешалок выбирают в диапазоне dм=(0,25…0,5)D в зависимости от размеров аппарата, причем большие значения берутся для более вязких жидкостей (до 500 Па·с ).

Открытые турбинные мешалки с плоскими лопастями    (рисунок 5) представляют собой диск с укрепленными на ней плоскими лопатками (6-8 штук), расположенными радиально, на котором крепят шесть радиальных лопостей, d2=0,75dм, длина лопасти l=0,25dм. Мешалки этого типа применяют для быстрого суспензирования, растворения твердой фазы, а также диспергирования. Окружная скорость вращения до 7м/с.

Рисунок 5 — Открытая турбинная мешалка

Закрытые турбинные мешалки, работающие по принципу центробежного насоса, состоят из втулки со спицами или двух кольцевых пластин, между которыми расположено от 3 до 12 лопаток (рисунок 6).

При вращении мешалки жидкость засасывается в пространство между спицами и лопатками и с силой выбрасывается наружу. Эти мешалки применяют для тех же целей, что и открытые. Диаметр турбинки dм = (0,25…0,33)D, окружная скорость до 7м/с .

Рисунок 6 — Закрытая турбинная мешалка

Планетарные мешалки

Планетарные мешалки (рисунок 7) применяются для перемешивания особо вязких продуктов. Она состоит из вала 1, проходящего через неподвижное зубчатое колесо 2.

На валу 1 укреплено водило 3, ведущий вал 4, а на последнем зубчатое колесо 5, сцепляющееся с неподвижным колесом 2 и лопасти мешалки 6.

При вращении вала 1 водило 3 увлекает за собой вал 4 и колесо 5, которое катится по колесу 2, заставляя при этом вращаться лопасти мешалки 6 одновременно как вокруг  оси вала 4, так и вокруг вала 1.

Каждая точка лопасти описывает при этом сложную кривую, форма которой зависит от положения точки на лопасти. Так как скорость точки всегда направлена по касательной к траектории, то направление скорости точек непрерывно меняется. В планетарных мешалках возникает довольно интенсивное движение жидкости.

Наряду с традиционными мешалками известное распространение в промышленности получили перемешивающие устройства специального. В качестве примера рассмотрим самовсасывающие мешалки и статические смесители.

Рисунок 7 — Схема планетарной мешалки

Аппарат с перемешивающими дисками

Если жидкость имеет вязкость более 10 Па·с, то гидродинамическая обстановка в аппарате иная, так как при этих условиях трудно создать сильную турбулизацию.

В случае, когда вязкость равна 30 — 40 Па·с перемешиваемый объем жидкости вообще ограничивается областью, сметаемой телом мешалки.

Поэтому при обработке высоковязких жидкостей (μ > 10Па·с) необходимо использовать особые конструкции мешалок.

Для данной цели наиболее подходит аппарат с перемешивающими дисками (рисунок 8) работает следующим образом. Диск 3 приводится во вращение с помощью полого вала.

В валу есть два канала, предназначенные для подвода и отвода хладагента. Диску 3а передается вращение через шланги 6. Для интенсификации процесса теплообмена предусмотрены скребковые устройства 9.

Зазор между диском и скребками  составляет примерно 0,4 мм.

1 – корпус аппарата; 2 – охлаждающая рубашка; 3, 3а – вращающиеся теплообменные диски; 4,10,11 – штуцера для отвода и подвода хладагентов; 5а,5 – штуцера для подвода реагентов и отвода готового продукта; 6 – шланга для передачи вращения; 7 – вход хладагента; 8 – выход хладагента; 9 – скребок.
Рисунок 8 — Аппарат с вращающимися дисками

Перемешивание жидкофазных систем струёй жидкости вытекающей из сопла

При истечении из сопла струя жидкости принимает форму конуса, расширяющегося по мере удаления от устья сопла. Это объясняется следующими причинами:

  1. Поток, вытекающий из сопла вытесняет объем жидкости, находящийся перед соплом.
  2. Струя вытекающей жидкости приводит в движение (параллельное струе) близлежащие слои, за счет передачи части своей энергии окружающей среде. Передача количества движения обуславливается тангенциальным напряжением между движущимся и неподвижным слоями жидкости, а также турбулентным проникновением частиц жидкости из струи в окружающую среду. При этом произведение массы и скорости движущейся жидкости остается постоянным (без учета потерь от внутреннего трения).

Каждый пришедший в движение слой, окружающий струю жидкости, приводит на своем пути в движение соседние слои. Поэтому по мере удаления от сопла струя жидкости имеет все большее сечение и меньшую скорость. В любом сечении, нормальном к направлению струи, её скорость уменьшается по мере удаления от оси.

  1. После того, как близлежащие слои жидкости захватываются струёй и приводятся в движение, в пространстве, которое они до этого занимали, создается разрежение. Это приводит к подсасыванию соседних (неподвижных) слоев жидкости, которые тем самым также приводятся в движение. Такой цикл повторяется непрерывно.

Перемешивание жидкостей газом

При циркуляционном пневматическом перемешивании жидкостей (рисунок  9) в аппарате устанавливается центральная направляющая труба, которая ограничивает подсос жидкости из окружающего объема. Газ проникает в жидкость в виде пузырьков.

https://www.youtube.com/watch?v=YcFA_dEvLq4

Рисунок 9 — Схема циркуляционного пневматического перемешивания

При подъеме пузырьков окружающая их жидкость под действием тангенциального напряжения приводится в движение в направлении поверхности жидкости.

За поднимающимися пузырьками образуется разрежение, обуславливающее  подсасывание жидкости из окружающего пространства. На пузырек действует гидростатическое давление столба жидкости над ним. По мере движения пузырька величина этого давления непрерывно уменьшается и соответственно возрастает диаметр пузырька.

При этом интенсивность перемешивания также увеличивается, потому что при расширении пузырьков постепенно освобождается энергия, которая вызывает течение жидкости. Это является принципиальным отличием пневматического перемешивания от перемешивания погруженным соплом.

После выхода газа на поверхность жидкость, вынесенная газом, оттекает к стенкам аппарата и опускается на дно, где снова подсасывается в направляющую трубу.

Импеллерная мешалка

Импеллерная мешалка применяется для обеспечения хорошего контакта газа с жидкостью при одновременном интенсивном перемешивании (рисунок 10).

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 2.

Наличие двух рядов лопастей, подвижного 2 и неподвижного 3 обеспечивает хорошее перемешивание жидкости и газа.

1 — центральная труба; 2 — лопасти статора; 3 — лопасти мешалки (ротора).
Рисунок 10 — Импеллерная мешалка

Пульсационное перемешивание

Оно заключается в перемешивании обрабатываемой среды пульсирующими струями.

По своей конструкции пульсирующие устройства просты и удобны. Возвратно – поступательное движение жидкостей в них осуществляется с помощью пульсатора (обычно бесклапанного поршневого насоса), который присоединяется одним из двух способов:

  1. К днищу аппарата (рисунок 11, а);
  2. К линии подачи легкой жидкости (рисунок 11, б).

Рисунок 11 — Пульсационные аппараты

Для предохранения механизма пульсатора от воздействия обрабатываемых жидкостей применяют мембрану, сильфон или пневматическое устройство, в котором между пульсатором и средой находится буферный слой воздуха. Расширение или сжатие этого слоя воздуха вызывает колебания жидкости в аппарате.

Следовательно, интенсификация процессов, проводимых в пульсационных аппаратах, достигается наложением низкочастотных колебаний на реагенты с возможным дополнением колебательного движения жидкости струйным.

В рабочей зоне пульсационного аппарата отсутствуют движущиеся части, а источник энергии – пульсатор вынесен из аппарата. Преобразователи колебательного движения жидкости в другие его виды неподвижны и являются неотъемлемой частью аппарата.

Перемешивающие устройства на основе звуковых и ультразвуковых колебаний

Для генерирования звуковых и ультразвуковых колебаний среды в основном применяются пьезоэлектрические, магнитострикционные, аэро- и гидродинамические излучатели, отличающиеся друг от друга принципом действия и спектром излучаемых частот. Первые два вида излучателей, как правило, работают в узком ультразвуковом диапазоне частот и имеют высокую стоимость. Поэтому их использование в промышленности ограничено.

Гидродинамические излучатели нашли более широкое применение. В излучателях данного типа звуковые колебания генерируются с помощью роторно–пульсационных устройств (РПУ). Основными частями РПУ (рисунок 12) являются: статор и ротор, вращающийся относительно статора.

Рисунок 12 — Роторно – пульсационное устройство

Конструктивно они выполнены в виде набора коаксиально расположенных цилиндров, в стенках которых имеются прорези (щели). Прорези ротора перекрываются промежутками между щелями статора. Обрабатываемые жидкости при вращении РПУ поступают внутрь полости ротора, так как в центральной его части образуется зона разрежения.

Затем, под влиянием центробежной силы, они проходят через прорези ротора и ударяются о промежутки между щелями статора, происходит гидравлический удар. Поэтому поток жидкости в полости ротора и камере аппарата имеет пульсирующий характер. В аппарате с РПУ сочетается принцип работы дисмембраторов, дезинтеграторов, центробежных насосов и коллоидных мельниц.

Простота конструкции, надежность работы и невысокая стоимость таких аппаратов является их несомненным преимуществом перед другими. РПУ имеет широкий диапазон генерируемых частот, возможность плавной их регулировки путем изменения скорости вращения ротора.

К недостаткам РПУ можно отнести невысокую частоту излучения упругих колебаний, что является одной из причин небольшого акустического к.п.д.

Перемешивание за счет подвода энергии вибрации

Перемешивание за счет подвода энергии вибрации осуществляется мешалками, совершающими периодическое возвратно — поступательное движение. В течение одной секунды положение мешалки в аппарате может изменится до 100 раз, амплитуда колебаний – до 20 мм. При этом обеспечивается интенсивное перемешивание жидкости. Известны две конструкции вибрационных мешалок:

  • Плоский перфорированный диск, закрепленный на валу, совершающем возвратно – поступательное движение.

Для создания в аппарате, наряду с маломасштабной турбулентностью, также и общего циркуляционного течения в дисках (рисунок 13) имеются отверстия в форме усеченных конусов.

Такая форма отверстий позволяет получить направленное течение. Его скорость зависит от угла конусности отверстий, их числа, а также амплитуды и частоты.

Например, при амплитуде 2 мм и частоте 50 с-1 скорость выхода струи из отверстий может достигать 2 м/сек.

Рисунок 13 — Устройство дисков вибрационных мешалок

Преимущество этой конструкции, по сравнению с вращающимися мешалками, состоит в том, что в данном случае создается вертикальное знакопеременное движение жидкости, при котором отпадает необходимость в направляющих устройствах.

Кроме того, при вибрационном перемешивании не происходит образование воронки, а время, необходимое для проведения процесса, значительно сокращается.

Энергетически эти мешалки очень экономичны, пригодны для проведения процессов эмульгирования и диспергирования.

Особенно успешно их применяют в аппаратах, работающих под давлением, так, как вал, движущийся вертикальном направлении, уплотнить гораздо легче, чем вращающийся.

  • Пластины, укрепленные на валу, совершающем частично вращательное движение и связанном с вибратором через привод.

 Данная конструкция вибрационной мешалки лишена преимуществ вертикального движения и не обеспечивает особых выгод по сравнению с обычными механическими мешалками.

Мешалки, вызывающие последовательное передвижение перемешиваемых веществ вверх и вниз, являются лучшим типом вибрационных мешалок.

Перемешивание с помощью магнитного поля

Суть данного метода заключается в следующем. Сосуд с немагнитными и электронепроводящими стенками помещают в генератор переменного магнитного поля. В качестве генератора можно взять статор любой асинхронной машины, в котором индуцируется вращающееся магнитное поле. Сосуд заполняется веществами, которые необходимо перемешать, и ферромагнитными частицами.

Под действием внешнего магнитного поля на ферромагнитные частицы прикладывается сила и вращающий момент.

Кроме того, в ферромагнитных частицах наводятся вихревые токи, которые образуют свое магнитное поле, также взаимодействующее с внешним магнитным полем.

В результате этих взаимодействии частички начинают быстро двигаться и одновременно вращаются вокруг своей оси. Соударяясь между собой они перемещаются по сложным траекториям, образуя местные “вихри”.

Вследствие этого движения, среда, в которой находятся ферромагнитные частички, тщательно перемешивается в течение короткого промежутка времени.

Достоинства смесителей, в которых перемешивание производится магнитным полем:

  1. Быстрота процесса.
  2. Большая однородность смеси.
  3. Простота конструкции.
  4. 4.Возможность абсолютной герметизации объема, в котором производится перемешивание.
  5. Малые габариты.
  6. Высокий к.п.д.
  7. Возможность производить непрерывный процесс смешения.

Перемешивание в статических смесителях

Перемешивание в статических смесителях основными элементами которых являются небольшие металлические спиральные ленты («винтовые элементы»). Их изготавливают путем скручивания плоской пластины на некоторый угол вдоль оси.

Собранные элементы вставляют в цилиндрическую трубу (корпус смесителя) таким образом, чтобы лево- и правоизогнутые спирали чередовались по всей длине, а зазор между стенкой и боковыми гранями спирали отсутствовал (рисунок 14).

Рисунок 14 — Статический смеситель

Для осуществления процесса гомогенизации смешиваемые компоненты достаточно один раз пропустить через трубу с винтовыми элементами. Нужная степень гомогенизации смеси регулируется числом элементов. Статические смесители успешно используются в непрерывных линиях производства мармелада, безалкогольных напитков, пива.

Источник: https://nomnoms.info/apparaty-dlya-peremeshivaniya-zhidkih-sred/

Перемешивание жидких сред

2.3. Перемешивание в жидких средах

Перемешивание жидких сред, пастообразных и твердых сыпучих материалов – один из наиболее распространенных процессов химической технологии. Чаще всего в технике встречаются процессы перемешивания жидких сред – типичный пример смешанной задачи гидродинамики.

Под перемешиванием жидких сред понимают процесс многократного относительного перемешивания макроскопических элементов объема жидкой среды под действием импульса, передаваемого среде механической мешалкой, струей газа или жидкости.

Перемешивание жидких сред применяют для решения следующих основных задач: 1) интенсификации процессов тепло- и массопереноса, в том числе и при наличии химической реакции;

2) равномерного распределения твердых частиц в объеме жидкости (при приготовлении суспензий), а также равномерного распределения и дробления до заданной дисперсности жидкости в жидкости (при приготовлении эмульсий) или газа в жидкости (при барботаже).

Аппараты с перемешивающими устройствами широко используют в химической технологии для проведения таких процессов, как выпаривание, кристаллизация, абсорбция, экстракция и др.

При перемешивании градиенты температур и концентраций в среде, заполняющей аппарат, стремятся к минимальному значению. Поэтому аппараты с мешалкой, например, по структуре потоков наиболее близки к модели идеального смешения.

Перемешивание жидких сред может осуществляться различными способами: вращательным или колебательным движением мешалок (механическое перемешивание); барботажем газа через слой жидкости (пневматическое перемешивание); прокачиванием жидкости через турбулизующие насадки; перекачиванием жидкости насосами по замкнутому контуру (циркуляционное перемешивание).

Процесс перемешивания характеризуется интенсивностью и эффективностью, а также расходом энергии на его проведение.

Интенсивность перемешивания определяется количеством энергии N, подводимой к единице объема V перемешиваемой жидкости в единицу времени (N/V) или к единице массы перемешиваемой жидкости (I= N/Vс). Интенсивностью перемешивания обусловлен характер движения жидкости в аппарате.

Повышение интенсивности перемешивания всегда связано с увеличением энергозатрат, а технологический эффект от увеличения интенсивности перемешивания ограничен строго определенными пределами. Поэтому интенсивность перемешивания следует определять исходя из условий достижения максимального технологического эффекта при минимальных энергозатратах.

Интенсификация процесса перемешивания позволяет повысить производительность установленной аппаратуры или снизить объем проектируемой.

Механическое перемешивание

перемешивание жидкий импульс энергия

В промышленности для перемешивания в основном используют механические мешалки с вращательным движением. При работе таких мешалок возникает сложное трехмерное течение жидкости (тангенциальное, радиальное, аксиальное) с преобладающей окружной составляющей скорости.

Тангенциальное течение, образующееся при работе всех типов мешалок, является первичным.

Обычно среднее значение окружной (тангенциальной к радиусу вращения) составляющей скорости (wт) существенно превышает средние значения как радиальной (wp), так и аксиальной, или осевой (wa), составляющих.

Под действием центробежной силы, возникающей при вращении любого типа мешалки с достаточно большой частотой, жидкость стекает с лопастей в радиальном направлении. Дойдя до стенки сосуда, этот поток делится на два: один движется вверх, другой – вниз.

Возникновение радиального течения приводит к тому, что в переходной области создается зона пониженного давления, куда и устремляется жидкость, текущая от свободной поверхности жидкости и от дна сосуда, т.е.

возникает аксиальный (осевой) поток, движущийся в верхней части сосуда сверху вниз к мешалке.

Таким образом, в аппарате создается устойчивое аксиальное течение, или устойчивая циркуляция.

Объем циркулирующей жидкости в единицу времени в аппарате с мешалкой называют насосным эффектом, который является важной характеристикой мешалки: чем больше насосный эффект, тем лучше в данном аппарате идет процесс перемешивания.

При работе вращающихся механических мешалок на поверхности жидкости возникает воронка, глубина которой растет с увеличением частоты вращения мешалки (в пределе она может достигать дна сосуда).

Это явление отрицательно сказывается на эффективности перемешивания и значительно снижает устойчивость работы мешалки.

На глубину и форму воронки большое влияние оказывают диаметр мешалки и частота ее вращения.

Рис. 1. Циркуляция жидкости при перемешивании лопастными мешалками

Для предотвращения образования воронки у стенок аппаратов с быстроходными мешалками устанавливают радиальные отражательные перегородки, причем наиболее часто – на некотором расстоянии от стенки корпуса (для снижения возможности образования застойных зон). Экспериментальным путем найдено, что оптимальное число отражательных перегородок равно четырем, а их ширина составляет примерно 10% от диаметра аппарата.

Рис. 2. Перемешивание жидкости в сосудах с перегородками

3. Расход энергии на перемешивание

Рассмотрим лопасть, обтекаемую жидкостью. Сила сопротивления R, согласно закону Ньютона, определяется по формуле

R =(оFлсw2)/2 (1)

(т.е. смешанную задачу гидродинамики сводим к внешней), где Fл – площадь лопасти (рис. 3), равная произведению ее ширины b на удвоенный радиус r, т.е. Fл = 2br.

Рис. 3. К расчету мощности, затрачиваемой на перемешивание

Допустим, что жидкость неподвижна и w – окружная скорость вращающейся мешалки, которая изменяется по длине лопасти, причем w = щr (где щ – угловая скорость), или w= 2рrn. Сила сопротивления dRна элементе поверхности dFn= 2bdrопределяется по формуле

dR= 2оbс (2рnr)2dr/2. (2)

Тогда мощность, расходуемая на перемешивание, dN=wdR, равна

(3)

или

(3а)

Величину b можно выразить в долях от диаметра мешалки, т.е. b=цdM (где ц-коэффициент, зависящий от геометрических размеров мешалки). С учетом того, что rM =dM/2, получим

N=р3оцсn3dM5/8 (4)

Обозначим отношение (р3оц)/8 как KN. Тогда

N= KN сn3dM 5 (5)

Отсюда

КN = N/(сn3dм5). (5а)

Эту величину принято называть критерием мощности, или модифицированным критерием Эйлера (для мешалок); его называют также центробежным критерием Эйлера. Действительно, критерий Эйлера Eu = Др/(сw2), причем w ~ nd. Гидравлическое сопротивление при вращении мешалки в жидкой среде Др ~ N/(ndм3). Тогда:

EuМ = N/(сn3dм5)= КN(6)

Для описания процесса перемешивания пользуются модифицированным критерием Рейнольдса.

Rец= сnd2/м. (7)

Критическое значение этого критерия: Rец≈ 50

Для геометрически подобных аппаратов с мешалками обобщенное критериальное уравнение принимает вид:

(8)

где с и m – постоянные величины (для данной конструкции мешалки и для определенного режима перемешивания).

Значения постоянных величин с и m для различных мешалок приведены в справочной литературе, где так же дается зависимость КN=f(Rец) для тех же мешалок.

Классификацию мешалок удобнее проводить по конструктивным признакам.

Механические мешалки разделяются по устройству лопастей на следующие группы: 1) лопастные – с плоскими лопастями, 2) пропеллерные – с винтовыми лопастями, 3) турбинные, 4) специальные (барабанная, дисковая и вибрационная).

Основными геометрическими характеристиками мешалок являются: Н/D, d/D, b/D, где Н и D – соответственно высота и диаметр аппарата, d– диаметр лопасти, b– ширина лопасти.

Нормализованные турбинные мешалки выпускают с диаметром турбины 300, 400, 500 и 600 мм.

Для перемешивания вязких жидкостей и пастообразных материалов применяют так называемые якорные мешалки с лопастями, изогнутыми по форме стенок и днища сосуда (рис. 4). Якорные мешалки очищают стенки аппарата от налипающего на них материала, благодаря чему улучшается теплообмен и предотвращаются местные перегревы перемешиваемых веществ.

Специальные мешалки

Барабанная мешалка представляет собой лопастной барабан в виде так называемого беличьего колеса (рис. 5).

Мешалки этой конструкции создают большую подъемную силу и потому весьма эффективны при проведении реакций между газом и жидкостью, а также при получении эмульсий, обработке быстро расслаивающихся суспензий и взмучивании тяжелых осадков.

Рекомендуемые условия применения барабанных мешалок: отношение диаметра барабана к диаметру сосуда от 1:4 до 1:6, отношение высоты жидкости к диаметру барабана не менее 10.

Рис. 4. Якорные мешалки Рис. 5. Барабанная мешалка

Рис. 6. Быстроходные мешалки: а – пропеллерные; б – двухлопастные; в-трехлопастные; г – открытые турбинные; д – закрытые турбинные; е – фрезерные

Источник: https://mirznanii.com/a/325787/peremeshivanie-zhidkikh-sred

Перемешивание в жидких средах

2.3. Перемешивание в жидких средах

Ч., в т.ч. лаб. раб. и практ. занят 2ч.

Тема 1.4. Перемешивание в жидких средах

Студент должен:

знать:

– основные способы перемешивания;

– сравнительную оценку различных способов перемешивания;

уметь:

– выбирать оптимальный способ перемешивания;

– определять по предложенной методике расход электроэнергии и газа на перемешивание.

Способы и интенсивность перемешивания. Механическое перемешивание. Пневматическое перемешивание. Перемешивание с помощью циркуляционных насосов.

Сравнительная оценка способов перемешивания.

Перемешивание представляет собой процесс многократного пе­ремещения макрообъемов жидкости друг относительно друга благодаря вводу внешней энергии в рабочую среду.

Перемешивание осуществляется в целях:

· обеспечения равномерного распределения твердых частиц в жидкости;

· дробления до заданной крупности (дисперсности) и распределения в жидкости газа или другой жидкости;

· интенсификации тепловых и массообменных процессов.

Таким образом, как правило, температура и концентрация в перемешиваемом объеме постоянны во всех его точках.

Наиболее распространенными способами перемешивания являются:

· механическое (рис. 4.1) (при помощи мешалок 1 с лопастями различных конструкций);

· пневматическое (барботажное) (рис. 4.2) (при помощи газа, пропускаемого через перемешиваемую среду, посредством барботера 1 или другого распределительного устройства);

· циркуляционное (рис. 4.3) (путем многократного перекачивания перемешиваемых сред из исходной емкости 2 насосом 1 по замкнутому контуру (труба) 4 и возвратом его в емкость с помощью разбрызгивателя 3 или эжектора 5).

Основными качественными характеристиками процесса перемешивания являются его эффективность и интенсивность.


Эффективность перемешивающего устройства характеризует качество процесса перемешивания и выражается различными параметрами в зависимости от цели проведения этого процесса.

При проведении перемешивания для получения суспензий и эмульсий эффективность перемешивания может характеризоваться равномерностью распределения фаз в полученной гетерогенной системе.

В этом случае из разных точек объема приготовленной смеси отбираются пробы, производится их анализ на концентрацию дисперсной фазы и ее размеры с последующим сравнением полученных результатов. Эффективным перемешивающим устройством является то, у которого анализируемые параметры имеют наибольшее совпадение.

При интенсификации тепловых и массоо6менных процессов эффективность перемешивания может характеризоваться отношением коэффициентов тепло- и массопередачи при перемешивании и без перемешивания.

Интенсивность перемешивания определяет скорость достижения требуемого результата и характеризуется для каждого способа сочетанием определенных параметров.

Так, при механическом перемешивании интенсивность определяется как отношение вводимой в перемешиваемую среду энергии к ее объему.

При пневматическом перемешивании интенсивность определяется количеством газа, пропускаемым в единицу времени через 1 м2 свободной поверхности аппарата.

При этом различают: слабое пневматическое перемешивание – 0,4 м3/(м2*мин); перемешивание средней интенсивности – 0,8 м3/(м2*мин); интенсивное перемешивание – 1,2 м3/(м2*мин).

Циркуляционное перемешивание характеризуется кратностью циркуляции, определяемой отношением объемной подачи насоса к объему перемешиваемой среды. Физический смысл данного параметра заключается в определении числа о6новлений объема в аппарате в единицу времени.

При проектировании установок, включающих стадию механического перемешивания, важным параметром является мощность, необходимая для качественного осуществления данного процесса.

Механическое перемешивание должно осуществляться в активном гидродинамическом режиме, причем основная часть энергии затрачивается на преодоление вязкостного трения и создание вихревых потоков. Таким образом, вынужденное движение жидкости при перемешивании может быть записано критериальны м уравнением

Однако при описании процесса перемешивания чаще используют модифицированные критерии Эйлера и Рейнольдса, в которых трудноопределимая линейная скорость жидкости заменена величиной, пропорциональной окружной скорости жидкости у конца лопасти мешалки (см. рис. 4.1):

а в качестве характерного линейного размера используется диаметр самого перемешивающего устройства dм:

Рассматривая работу механического перемешивающего устройства по аналогии с насосом, перемещающим жидкость, потребляемую им мощность можно определить как

где Vс – расход перемешиваемой жидкости; Δр – давление, создаваемое мешалкой.

Количество перемешиваемой жидкости можно представить как объем жидкости в цилиндрическом аппарате (см. рис. 4.1), умноженный на кратность циркуляции, характеризующую интенсивность воздействия мешалки на обрабатываемую среду:

где D = с1*dм – диаметр аппарата с мешалкой; Н = с2*dм – высота заполнения аппарата; с1, с2 – постоянные, связывающие характерные размеры аппарата и диаметра установленной в нем мешалки; m = с3*n – кратность циркуляции; с3 – коэффициент пропорциональности.

Используя зависимость (4.1) и (4.2), получим

Подставив значение 4р в модифицированный критерий Эйлера, имеем

Без учета постоянных величин модифицированный критерий Эйлера можно записать как

называемый также критерием мощности КN, который может также определяться по уравнению

где а – показатель степени.

Значения модифицированного критерия Рейнольдса характеризуют режимы движения жидкости при перемешивании: ламинарный, переходный и турбулентный. Однако конкретные значения чисел ReM, определяющие их границы, зависят от типа мешалки, наличия перегородок, конструкции аппарата и т. д.

Конструкции механических мешалок по устройству лопастей бывают лопастные, пропеллерные, турбинные и специальные. Все механические мешалки делятся на тихоходные (n < 1 об/мин) и быстроходные (n > 1 об/мин).

Лопастные мешалки (рис. 4.4) имеют несколько плоских лопастей, установленных перпендикулярно оси вращения.

При вращении мешалки на поверхности жидкости образуется центральная воронка, глубина которой увеличивается с возраста­нием скорости вращения перемешивающего устройства.

Существование воронки уменьшает объем перемешиваемой среды и разрушает создаваемые мешалкой вихри, снижая эффективность процесса. Для предотвращения образования воронки у стенок аппарата устанавливаются 2…

4 радиальные отражательные перегородки с рекомендуемой шириной b = 0,1D и высотой h = 2dм.

Для повышения эффективности перемешивания на одном валу можно устанавливать несколько пар лопастей.

Достоинства лопастных мешалок – простота устройства и дешевизна изготовления. Основной областью применения лопастных мешалок является перемешивание жидкостей небольшой вязкости, растворение и суспендирование твердых

веществ с малой разностью плотностей.

Пропеллерные мешалки (рис. 4.5) представляют собой устройства с несколькими фасонными лопастями в виде судового винта.

Благодаря обтекаемой форме пропеллерные мешалки потребляют меньше энергии при тех же числах Рейнольдса, чем перемешивающие устройства другой конструкции. Создавая преимущественно осевые потоки перемешиваемой среды, пропеллерные мешалки сокращают общее время перемешивания.

Пропеллерные мешалки применяются для интенсивного перемешивания жидкостей со средней вязкостью, приготовления суспензий и эмульсий.

Турбинные мешалки имеют форму колес с лопатками открытого (рис. 4.6, а) и закрытого (рис. 4.6, б) типов, работают при высоких скоростях вращения (до 350 об/мин) и осуществляют интенсивное перемешивание жидкости.

Открытые турбинные мешалки имеют несколько лопастей, расположенных под углом к вертикальной плоскости, что позволяет создавать радиальные и осевые потоки перемешиваемой жидкости, а, следовательно, интенсифицируют процесс перемешивания.

Закрытые турбинные мешалки установлены внутри направляющих, представляющих собой неподвижное колесо с лопатками, изогнутыми под углом 45 … 90°, закрытые коническими крышками. Эти мешалки создают преимущественно радиальные потоки жидкости при небольших энергозатратах.

Достоинствами турбинных мешалок являются высокая эффективность перемешивания и растворения, в том числе вязких жидкостей, тонкое диспергирование твердых частиц.

Для перемешивания вязких жидкостей, пастообразных материалов и систем с высокой концентрацией дисперсной фазы применяют различные типы специальных (шнековых, ленточных и др.) мешалок (рис. 4.7).

В ряде случаев при перемешивании вязких жидкостей используют интенсивные физико-механические воздействия на обрабатываемую среду (например, вибрации и пульсации в различных диапазонах частот).

Контрольные вопросы

1.Какие способы перемешивания существуют?

2. Что характеризуют эффективность и интенсивность перемешивания?

3.Какие факторы и как именно влияют на величину мощности, затрачиваемой на механическое перемешивание?

4.Какие конструкции механических мешалок существуют?

Раздел 2. ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

Источник: https://studopedia.su/5_51441_peremeshivanie-v-zhidkih-sredah.html

ПЕРЕМЕШИВАНИЕ. СПОСОБЫ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ В ЖИДКОЙ СРЕДЕ

2.3. Перемешивание в жидких средах

Для перемешивания жидких сред используют несколько спосо­бов: пневматический, циркуляционный, статический и механиче­ский с помощью мешалок.

Пневматическое перемешиваниеосуществляют с помощью сжа­того газа (в большинстве случаев воздуха), пропускаемого через слой перемешиваемой жидкости. Для равномерного распределения газа в слое жидкости газ подается в смеситель через барботер. Барботер представляет собой ряд перфорированных труб, расположен­ных у днища смесителя по окружности или спирали.

В ряде случаев перемешивание осуществляется с помощью эжек­торов.

Интенсивность перемешивания определяется количеством газа, пропускаемого в единицу времени через единицу свободной поверх­ности жидкости в смесителе.

Циркуляционное перемешиваниеосуществляют с помощью насоса, перекачивающего жидкость по замкнутой системе смеси­тель — насос — смеситель.

В ряде слу­чаев вместо насосов могут применяться паровые эжекторы.

Статическое смешиваниежидкостей невысокой вязкости, а также газа с жидкостью осуществляется в статических смесителях за счет кинетической энергии жидкостей или газов.

Статические смесители устанавливают в трубопроводах перед реактором или другой аппаратурой или непосредственно в реак­ционном аппарате.

Простейшими статическими смесителями являются устройства с винтовыми вставками различной конструкции.Статические смесители используют также при получении эмуль­сий.

Механическое перемешиваниеиспользуют для интенсификации гидромеханических процессов (диспергирования), тепло- и массооб-менных, биохимических процессов в системах жидкость — жид­кость, газ — жидкость и газ — жидкость — твердое тело. Осущест­вляют его с помощью различных перемешивающих устройств — мешалок. Мешалка представляет собой комбинацию лопастей, насаженных на вращающийся вал.

Все перемешивающие устройства, применяемые в пищевых производствах, можно разделить на две группы: в первую группу входят лопастные, турбинные и пропеллерные, во вторую — спе­циальные — винтовые, шнековые, ленточные, рамные, ножевые идругие, служащие для перемешивания пластичных и сыпучих масс.

Лопастные (рис. 11.2, а, б), ленточные, якорные и шнековые мешалки относятся к тихоходным: частота их вращения составляет 30…90 мин~г, окружная скорость на конце лопасти для вязких жид­костей — 2.. .3 м/с.

Преимущества лопастных мешалок — простота устройства и невысокая стоимость.

Якорные мешалки имеют форму днища аппарата. Их применяют при перемешивании вязких сред. Эти мешалки при перемешивании очищают стенки и дно смесителя от налипающих загрязнений.

Шнековые мешалки имеют форму винта и применяются, как и ленточные, для перемешивания вязких сред.

30. АДСОРБЕРЫ С ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ АДСОРБЕНТА. НАЗНАЧЕНИЕ, УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ.

Адсорберы непрерывного действиябывают с движущимся плот­ным или псевдоожиженным слоем адсорбента.

Адсорберы с движущимся слоем зернистого адсорбента представляют собой полые колонны с перегород­ками и переливными патрубками и аппараты с транспортирующими приспособлениями (см. главу 20). На рис. 21.7 показан многосек­ционный колонный адсорбер для очистки парогазовых смесей, состоящий из холодильника, подогревателя и распределительных тарелок.

В первой секции адсорбент охлаждается после регенерации. Эта секция выпол­нена в виде кожухотрубчатого теплообменника. Охлаждающая жидкость подается в межтрубное пространство теплообменника, а адсорбент проходит по трубам.

Вторая секция представляет собой собственно адсорбер, в котором адсорбент взаимодействует с исходной парогазовой смесью.

Из первой секции во вторую адсор­бент перетекает через патрубки и распределительные тарелки, обеспечивающие рав­номерное распределение адсорбента по сечению колонны и служащие затворами, раз­граничивающими первую и вторую секции.

Далее адсорбент поступает в десорбцион-ную секцию, представляющую собой кожухотрубный теплообменник, в которой на­гревается и взаимодействует с десорбирующим агентом — острым водяным паром. Регенерированный адсорбент удаляется из адсорбера через шлюзовой затвор.

Адсорберы с псевдоожиженным тонкозернистым адсорбентом бывают одноступенчатыми и многоступенчатыми.

Одноступенчатый адсорбер с псевдоожи­женным слоем показан на рис. 21.8. Он представляет собой цилиндрический вертикальный корпус, внутри которого смонтиро­ваны газораспределительная решетка и пылеулавливающее устрой­ство типа циклона. Адсорбент загружается в аппарат сверху через трубу и выводится через трубу снизу.

Исходная парогазовая смесь вводится в адсорбер при скорости, превышающей скорость начала псевдоожижения, под газораспределительную решетку через ниж­ний патрубок, а выводится через верхний патрубок, пройдя предва­рительно пылеулавливающее устройство.Многоступенчатый тарельчатый адсорбер с псевдоожиженным слоем показан на рис. 21.9.

Он пред­ставляет собой колонну, в которой расположены газораспредели­тельные решетки с переливными патрубками, служащими одновре­менно затворами для газового потока. Адсорбент поступает в верх­нюю часть адсорбера и перетекает с верхней тарелки на нижнюю. С нижней тарелки адсорбент через шлюзовой затвор выгружается из адсорбера.

Исходная парогазовая смесь поступает в адсорбер снизу и удаляется через верхний патрубок.Многоступенчатый адсорбер отличается от одноступенчатого тем, что работает по схеме, близкой к аппаратам идеального вытес­нения, что позволяет проводить процесс адсорбции в противотоке.

Применяют установки с адсорбцией с псевдоожиженным слоем и десорбцией в движущемся слое адсорбента.

Периодического действия.

Адсорбер с псевдоожиженным слоем заполнен мелкозернистым адсорбентом Исходная смесь подается снизу под распределительную решетку при скорости, превыша­ющей скорость псевдоожижения частиц адсорбента При этом слой расширяется и переходит в подвижное состояние Проведение адсорбции в псевдоожиженном слое значительно интенсифицирует процесс массообмена и сокращает продолжительность процесса

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/8_147023_peremeshivanie-sposobi-peremeshivaniya-v-zhidkoy-srede.html

Book for ucheba
Добавить комментарий