Перемішуваннярідких середовищ
Перемішуваннярідких середовищ, пастоподібних і твердих сипких матеріалів - один з найбільшпоширених процесів хімічної технології. Найчастіше в техніцізустрічаються процеси перемішування рідких середовищ - типовий приклад змішаноїзадачі гідродинаміки.
Підперемішуванням рідких середовищ розуміють процес багаторазового відносногоперемішування макроскопічних елементів обсягу рідкого середовища під дієюімпульсу, переданого середовищі механічною мішалкою, струменем газу або рідини.
Перемішуваннярідких середовищ застосовують для вирішення наступних основних завдань: 1) інтенсифікаціїпроцесів тепло-і масопереносу, в тому числі і при наявності хімічної реакції;
2)рівномірного розподілу твердих частинок в об'ємі рідини (при приготуваннісуспензій), а також рівномірного розподілу і дроблення до заданоїдисперсності рідини в рідині (при приготуванні емульсій) або газу врідини (при барботаже).
Апарати зперемішуючими пристроями широко використовують у хімічній технології дляпроведення таких процесів, як випарювання, кристалізація, абсорбція,екстракція та ін
Приперемішуванні градієнти температур і концентрацій в середовищі, що заповнює апарат,прагнуть до мінімального значення. Тому апарати з мішалкою, наприклад, поструктурі потоків найбільш близькі до моделі ідеального змішення.
Перемішуваннярідких середовищ може здійснюватися різними способами: обертальним абоколивальним рухом мішалок (механічне перемішування); барботажем газучерез шар рідини (пневматична перемішування); прокачування рідиничерез турбулізующіе насадки; перекачуванням рідини насосами по замкнутомуконтуру (циркуляційне перемішування).
Процесперемішування характеризується інтенсивністю та ефективністю, а також витратоюенергії на його проведення.
Інтенсивністьперемішування визначається кількістю енергії N, що підводиться до одиниці об'єму Vпереміли рідини в одиницю часу (N/V) або до одиниці масипереміли рідини (I = N/Vс). Інтенсивністю перемішування обумовлений характерруху рідини в апараті. Підвищення інтенсивності перемішування завждипов'язано із збільшенням енерговитрат, а технологічний ефект від збільшенняінтенсивності перемішування обмежений строго визначеними межами. Томуінтенсивність перемішування слід визначати виходячи з умов досягненнямаксимального технологічного ефекту при мінімальних енерговитратах.Інтенсифікація процесу перемішування дозволяє підвищити продуктивністьвстановленої апаратури або знизити обсяг проектованої.
Механічнеперемішування
перемішування рідкийімпульс енергія
Впромисловості для перемішування в основному використовують механічні мішалки зобертальним рухом. При роботі таких мішалок виникає складне тривимірнеПротягом рідини (тангенціальне, радіальне, аксіальне) з переважноюокружний складової швидкості. Тангенціальне протягом, що утворюється при роботівсіх типів мішалок, є первинним. Зазвичай середнє значення окружний(Тангенціальної до радіуса обертання) складової швидкості (w т )суттєво перевищує середні значення як радіальної (w p ), так іаксіальній, або осьовий (w a ), складових.
Під дієювідцентрової сили, що виникає при обертанні будь-якого типу мішалки з доситьвеликою частотою, рідина стікає з лопатей в радіальному напрямку. Дійшовшидо стінки судини, цей потік ділиться на два: один рухається вгору, інший - вниз.Виникнення радіального плину призводить до того, що в перехідній областістворюється зона зниженого тиску, куди і спрямовується рідина, поточна відвільної поверхні рідини і від дна посудини, тобто виникає аксіальний(Осьовий) потік, що рухається у верхній частині судини зверху вниз до мішалці.
Такимчином, в апараті створюється стійке аксіальне протягом, або стійкациркуляція.
Обсягциркулюючої рідини в одиницю часу в апараті з мішалкою називаютьнасосним ефектом, який є важливою характеристикою мішалки: чим більшенасосний ефект, тим краще в даному апараті йде процес перемішування.
При роботіобертових механічних мішалок на поверхні рідини виникає воронка,глибина якої зростає із збільшенням частоти обертання мішалки (в межі вонаможе досягати дна посудини). Це явище негативно позначається наефективності перемішування і значно знижує стійкість роботи мішалки.На глибину і форму воронки великий вплив мають діаметр мішалки і частотаїї обертання.
Рис. 1.Циркуляція рідини при перемішуванні лопатевими мішалками
Длязапобігання утворення воронки біля стінок апаратів з швидкохідними мішалкамивстановлюють радіальні відбивні перегородки, причому найбільш часто - надеякій відстані від стінки корпусу (для зниження можливості освітизастійних зон). Експериментальним шляхом знайдено, що оптимальне числовідбивних перегородок дорівнює чотирьом, а їх ширина складає приблизно 10% віддіаметра апарата.
Рис. 2.Перемішування рідини в посудинах з перегородками
3. Витрата енергії на перемішування
Розглянемолопать, обтічну рідиною. Сила опору R, відповідно до закону Ньютона,визначається за формулою
R = (оf л СW 2 )/2(1)
(тобтозмішану задачу гідродинаміки зводимо до зовнішньої), де F л - площалопаті (рис. 3), що дорівнює добутку її ширини b на подвоєний радіус r, тобтоF л = 2br.
Рис. 3. До розрахунку потужності, затрачуваної на перемішування
Припустимо, що рідина нерухома і w - окружна швидкістьобертової мішалки, яка змінюється по довжині лопаті, причому w = щr (де щ - кутовашвидкість), або w = 2рrn. Сила опору dR на елементі поверхні dF n = 2bdr визначається за формулою
dR = 2оbс (2рnr) 2 dr/2. (2)
Тодіпотужність, що витрачається на перемішування, dN = wdR, дорівнює
(3)
або
(3а)
Величину b можна виразити в часткахвід діаметра мішалки, тобто b = цd M (де ц-коефіцієнт, що залежить від геометричних розмірівмішалки). З урахуванням того, що r M = d M /2, отримаємо
N = р 3 оцсn 3 d M 5 /8 (4)
Позначимо відношення (р 3 оц)/8 як K N . Тоді
N = K N сn 3 d M 5 (5)
Звідси
До N = N/(сn 3 d м 5 ) . (5а)
Цю величинуприйнято називати критерієм потужності, або модифікованим критерієм Ейлера (длямішалок); його називають також відцентровим критерієм Ейлера. Дійсно,критерій Ейлера Eu = Др/(СW 2 ), причому w ~ nd. Гідравлічнеопір при обертанні мішалки в рідкому середовищі Др ~ N/(nd м 3 ). Тоді:
Eu М = N/(сn 3 d м 5 ) = К N (6)
Для описупроцесу перемішування користуються модифікованим критерієм Рейнольдса.
R е ц = сnd 2 /м. (7)
Критичнезначення цього критерію: Rе ц ≈ 50
Для геометричноподібних апаратів з мішалками узагальнене критеріальне рівняння приймаєвид:
(8)
де з і m - постійні величини(Для даної конструкції мішалки і для певного режиму перемішування).
Значенняпостійних величин з і m для різних мішалок наведені в довідковій літературі, детак само дається залежність До N = f (Rе ц ) для тих жемішалок.
Класифікаціюмішалок зручніше проводити за конструктивними ознаками.
Механічнімішалки розділяються по влаштуванню лопатей на наступні групи: 1) лопатеві -з плоскими лопатями, 2) пропелерні - з гвинтовими лопатями, 3) турбінні, 4) з пеціально (барабанна, дискова і вібраційна).
Основними геометричнимихарактеристиками мішалок є: Н/D, d/D, b/D,де Н і D- Відповідно висота і діаметр апарату, d - діаметр лопаті, b - ширина лопаті.
Нормалізованітурбінні мішалки випускають з діаметром турбіни 300, 400, 500 і 600 мм.
Дляперемішування в'язких рідин і пастоподібних матеріалів застосовують такзвані якірні мішалки з лопатями, вигнутими по формі стінок і днищапосудини (рис. 4). Якірні мішалки очищають стінки апарату від налипає наних матеріалу, завдяки чому поліпшується теплообмін і запобігають місцевіперегріви перемішують речовин.
Спеціальнімішалки
Барабаннамішалка являє собою лопатевої барабан у вигляді так званого білячогоколеса (рис. 5). Мішалки цієї конструкції створюють велику підйомну силу ітому вельми ефективні при проведенні реакцій між газом і рідиною, а такожпри отриманні емульсій, обробці швидко розшаровуються суспензій івзмучіваніе важких опадів. Рекомендовані умови застосування барабаннихмішалок: відношення діаметра барабана до діаметра судини від 1:4 до 1:6, відношеннявисоти рідини до діаметра барабана не менше 10.
Рис. 4.Якірні мішалки Рис. 5. Барабанна мішалка
Рис. 6. Швидкохідні мішалки: а - пропелерні, б- Двухлопастні; в-трилопатеві; г - відкриті турбінні; д - закритітурбінні; е - фрезерні
