Тема 4. Перемішування в рідких середовищах

Мета: ознайомитися з видами перемішувань і їх пристосуваннями

Основні відомості про перемішування в рідких середовищах

Механічне перемішування

Пневматичне перемішування

Перемішування в трубопроводах

Перемішування за допомогою сопел і насосів

 

Теоретичні відомості

Основні відомості про перемішування в рідких середовищах

Перемішування в рідких середовищах широко застосовується в хімічній промисловості для приготування емульсій, суспензій і отримання гомогенних систем (розчинів), а також для інтенсифікації хімічних, теплових і дифузійних процесів. У останньому випадку перемішування здійснюється безпосередньо в призначених для проведення цих процесів апаратах, обладнаних перемішуючими пристосуваннями.

Методи перемішування і вибір апаратури для його приготування визначаються метою перемішування і агрегатним станом перемішуючих матеріалів. Широке застосування в хімічній промисловості отримали процеси перемішування в рідких середовищах.

Незалежно від того, яке середовище змішується з рідиною – газ, рідина чи тверда сипуча речовина, - розрізняють два основних методи перемішування в рідких середовищах:

1. механічний (за допомогою мішалок різних конструкцій),

2. пневматичний (стисненим повітрям або інертним газом).

Крім цього, застосовують перемішування в трубопроводах і перемішування за допомогою сопел і насосів.

Найбільш важливими характеристиками перемішуючих пристосувань, які можуть бути покладені в основу їх порівняльної оцінки, є:

1. ефективність перемішуючого пристосування,

2. інтенсивність його дії.

Ефективність перемішуючого пристосування характеризує якість проведення процесу перемішування і може бути виражена по-різному в залежності від мети перемішування. Наприклад, у процесах отримання суспензій ефективність перемішування характеризується ступінню рівномірності розподілу твердої фази в об’ємі апарата; під час інтенсифікації теплових і дифузійних процесів – відношенням коефіцієнтів тепло- і масовіддачі під час перемішування і без нього. Ефективність перемішування залежить не тільки від конструкції перемішуючого пристосування і апарата, але і від величини енергії, яка вводиться в перемішуючу рідину.

Інтенсивність перемішування визначається часом досягнення заданого технологічного результату чи кількістю обертів мішалки при фіксованій тривалості процесу (для механічних мішалок). Чим вища інтенсивність перемішування, тим менше часу потрібно для досягнення заданого ефекту перемішування. Інтенсифікація процесів перемішування приводить до зменшення розмірів проектуючої апаратури і збільшення продуктивності діючої.

Для економічного проведення процесу перемішування бажано, щоб потрібний ефект перемішування досягався за найбільш короткий час. При оцінці витрати енергії перемішуючим пристосуванням необхідно враховувати загальну витрату енергії за час, необхідний для забезпечення заданого результату перемішування.

 

Механічне перемішування

Найбільше розповсюдження в хімічній промисловості отримало перемішування з введенням у перемішуюче середовище механічної енергії з зовнішнього джерела. Механічне перемішування здійснюється за допомогою мішалок, яким надається обертовий рух безпосередньо від електродвигуна, або через редуктор або клиноременну передачу. Відомі також мішалки зі зворотно-поступальним рухом, які мають привід від механічного чи електромагнітного вібратора.

Механічні перемішуючі пристосування складаються з трьох основних частин: мішалки, вала і привода, рис. 6.1 Мішалка є робочим елементом пристосування, закріпленим на вертикальному, горизонтальному чи похилому валу. Привід може бути здійснений чи безпосередньо від електродвигуна (для швидкохідних мішалок), або через редуктор або клинопасову передачу.

За конструкцією лопатей розрізняють мішалки лопатеві, пропелерні, турбінні і спеціальні.

За типом створюючого мішалкою потоку рідини в апараті розрізняють мішалки, забезпечуючі переважно тангенціальну, радіальну і осьову течію.

При тангенціальній течії рідина в апараті рухається переважно по концентричних окружностях, паралельних площині обертання мішалки. Перемішування відбувається за рахунок вихрів, виникаючих на кромках мішалки. Якість перемішування буде найгіршою, коли швидкість обертання рідини дорівнює швидкості обертання мішалки. Радіальна течія характеризується напрямом руху рідини від мішалки до стінок апарату перпендикулярно осі обертання мішалки. Осьова течія рідини направлена паралельно осі обертання мішалки.

У промислових апаратах з мішалками можливі різні поєднання цих основних типів течії. Тип створюючого потоку, а також конструктивні особливості мішалок визначають сфери їх застосування.

При високих швидкостях обертання мішалок перемішуюча рідина втягується в обертовий рух і навколо вала утворюється воронка, глибина якої збільшується зі збільшенням кількості обертів і зменшенням щільності і в’язкості середовища. Для запобігання утворення воронки в апараті встановлюють відбивні перегородки, які, крім того, сприяють виникненню вихрів і збільшенню турбулентності системи. Утворення воронки можна запобігти і при повному заповненні рідиною апарата, т.т. при відсутності повітряного прошарку між перемішуючою рідиною і кришкою апарата, а також при встановленні валу мішалки ексцентрично до осі апарата чи застосуванні апарата прямокутного січення.

Крім цього, відбивні перегородки встановлюють у всіх випадках під час перемішування в системах газ-рідина. Застосування відбивних перегородок, а також ексцентричне та похиле розміщення вала мішалки приводить до збільшення споживаючої нею потужності.

Рисунок. 6.1. Типи мішалок і апаратів

Мішалки лопатевого типу. Лопатевими мішалками називають пристосування, які складаються з двох або більшої кількості лопатей прямокутного січення, закріплених на обертаючому вертикальному чи нахиловому валу (рис. 6.2). До лопатевих мішалок відносяться також і деякі мішалки спеціального призначення: якірні, рамні і листові.

Основні переваги лопатевих мішалок – простота будови і невисока вартість виготовлення. До недоліків мішалок цього типу слід віднести низьку насосну дію мішалки (слабкий осьовий потік), не забезпечуючуть досить повне перемішування у всьому об’ємі апарата. Внаслідок незначного осьового потоку лопатеві мішалки перемішують тільки ті шари рідини, які знаходяться безпосередньо близько від лопатей мішалки. Розвиток турбулентності в об’ємі перемішуючої рідини відбувається повільно, циркуляція рідини невелика. Тому лопатеві мішалки застосовують для перемішування рідин, в’язкість яких не перевищує 10³ мн×сек/м². Ці мішалки непридатні для перемішування в потоці, наприклад в апаратах безперервної дії.

Деяке збільшення осьового потоку рідини досягається при нахилі лопатей під кутом 30-45° до вісі вала. Така мішалка спроможна втримувати у зваженому стані частинки, швидкість осадження яких невелика. Лопатеві мішалки з нахиловими лопатями застосовують під час проведення повільних хімічних реакцій, для яких стадія визначаюча швидкість підводу реагентів в зону реакції, не є лімітуючою.

З метою збільшення турбулентності середовища під час перемішування лопатевими мішалками в апаратах з великим відношенням висоти до діаметра застосовують багаторядні дволопатеві мішалки з установкою на валу декількох рядів мішалок, повернутих одна відносно одної на 90°. Відстань між окремими рядами вибирають в межах (0,3-0,8d), де d – діаметр мішалки, в залежності від в’язкості перемішуючого середовища.

Рисунок. 6.2. Лопатева мішалка

 

Для перемішування рідин в’язкостістю не більше 10⁴ мн×сек/м², а також для перемішування в апаратах, обігріваючих за допомогою сорочки чи внутрішніх змієвиків, у тих випадках, коли можливе випадання опадів або забруднення теплопередаючої поверхні, застосовують якірні (рис. 6.3) чи рамні (рис. 6.4) мішалки. Вони мають форму, відповідну внутрішній формі апарата, і діаметр, близький до внутрішнього діаметра апарата чи змієвика. Під час обертання ці мішалки очищають стінки і дно апарата від налипаючих забруднень.

Рисунок. 6.3. Якірна мішалка

Рисунок. 6.4. Рамна мішалка

 

Листові мішалки (рис. 6.5) мають лопаті більшої ширини, ніж у лопатевих мішалок, і відносяться до мішалок, забезпечуючих тангенціальну течію перемішуючого середовища. Окрім чисто тангенціального потоку, який є переважаючим, верхні і нижні кромки мішалки створюють вихрові потоки, подібні тим, які виникають під час обтікання рідиною площини пластини з гострими краями. При великих швидкостях обертання листової мішалки на тангенціальний потік накладається радіальна течія, викликана відцентровими силами.

Листові мішалки застосовують для перемішування малов’язких рідин (в’язкістю менше 50 мн×сек/м²), інтенсифікації процесів теплообміну, під час проведення хімічних реакцій в об’ємі і розчиненні. Для процесів розчинення застосовують листові мішалки з отворами в лопатях. Під час обертання такої мішалки на виході з отворів утворюються струмені, сприяючі розчиненню твердих матеріалів.

Основні розміри лопатевих мішалок змінюються в залежності від в’язкості середовища. Зазвичай для лопатевих мішалок застосовують такі співвідношення розмірів: діаметр мішалки d=(0,66-0,9)D, де D – внутрішній діаметр апарата, ширина лопаті мішалки b=(0,1-0,2)D, висота рівня рідини в ємкості H=(0,8-1,3)D, відстань від мішалки до дна ємкості h£0,3D. Для листових мішалок d=(0,3-0,5)D, b=(0,5-1,0)D, h=(0,2-0,5)D.

Окружна швидкість власне лопатевих і листових мішалок у залежності від в’язкості перемішуючого середовища може змінюватись в широких межах (від 0,5-5,0 сек-1), причому зі збільшенням в’язкості і ширини лопаті швидкість обертання мішалки зменшується.

При високих швидкостях обертання лопатевих мішалок у апараті встановлюють відбивні перегородки. Листові мішалки, як правило, без відбивних перегородок не застосовують.

Рисунок. 6.5. Листова мішалка

 

Пропелерні мішалки. Робочою рідиною пропелерної мішалки є пропелер (рис. 6.6) – пристрій з декількома фасонними лопатями, вигнутими за профілем гребного гвинта. Найбільше розповсюдження отримали трьохлопатеві пропелери. На валу мішалки, який може бути розміщений вертикально, горизонтально чи під нахилом, у залежності від висоти шару рідини встановлюють один або декілька пропелерів.

Внаслідок більш обтікаючої форми пропелерні мішалки при однаковому числі Рейнольдса споживають меншу потужність, ніж мішалки інших типів. Перехід у автомодельну область для них спостерігається при відносно низьких значеннях критерія Рейнольдса (Re_м»10⁴). До переваг пропелерних мішалок необхідно віднести також відносно високу швидкість обертання і можливість безпосереднього приєднання до електродвигуна, що приводить до зменшення механічних втрат.

Пропелерні мішалки створюють переважно осьові потоки перемішуючого середовища і, як наслідок цього, - великий насосний ефект, що дозволяє суттєво скоротити тривалість перемішування. Разом із тим пропелерні мішалки відрізняються складністю конструкції і порівняно високою вартістю виготовлення. Їх ефективність дуже залежить від форми апарата і розміщення в ньому мішалки. Пропелерні мішалки потрібно застосовувати в циліндричних апаратах із випуклими днищами. Під час встановлення їх у прямокутних баках із плоскими чи вигнутими днищами інтенсивність перемішування падає внаслідок утворення застійних зон.

Рисунок. 6.6. Пропелерна мішалка

 

Для покращення перемішування великих об’ємів рідин і організації направленої течії рідини (при великому відношенні висоти до діаметра апарата) в ємкостях встановлюють направляючий апарат, або дифузор (рис. 6.7). Дифузор являє собою короткий циліндричний чи конічний стакан, всередині якого встановлюють мішалку. При великих швидкостях обертання мішалки за відсутності дифузора в апараті встановлюють відбивні перегородки.

Пропелерні мішалки застосовують для перемішування рідин в’язкістю не більше 2×10³ мн×сек/м², для розчинення, утворення зважок, швидкого перемішування, проведення хімічних реакцій в рідкому середовищі, утворення малов’язких емульсій і гомогенізації великих об’ємів рідини.

Для пропелерних мішалок застосовують такі співвідношення розмірів: діаметр мішалки d=(0,2-0,5)D, крок гвинта s=(1,0-3,0)D, відстань від мішалки до дна ємкості h=(0,5-1,0)d, висота рівня рідини в ємкості H=(0,8-1,2)D. Кількість обертів пропелерних мішалок досягає 40 у секунду, окружна швидкість – 15 м/сек.

Рисунок. 6.7. Пропелерна мішалка з дифузором: 1 – корпус апарата, 2 – вал, 3 – пропелер, 4 - дифузор

 

Турбінні мішалки. Ці мішалки мають форму колес водяних турбін із плоскими, нахиловими чи криволінійними лопатками, закріпленими, як правило, на вертикальному валу (рис. 6.8). В апаратах з турбінними мішалками створюються переважно радіальні потоки рідини. Під час роботи турбінних мішалок із великою кількістю обертів поряд із радіальним потоком можливе виникнення тангенціальної (колової) течії в апараті і утворення воронки. У цьому випадку в апараті встановлюють відбивні перегородки. Закриті турбінні мішалки (рис. 6.8, г) на відміну від відкритих (рис. 6.8, а, б, в) створюють більш чітко виражений радіальний потік. Закриті мішалки мають два диски з отворами в центрі для проходу рідини; диски зверху і знизу приварюють до плоских лопатей. Рідина надходить в мішалку паралельно осі вала, викидається мішалкою в радіальному напрямі і досягає найбільш віддалених точок апарата. Турбінні мішалки забезпечують інтенсивне перемішування у всьому об’ємі апарата.

При великих значеннях відношення висоти до діаметра апарата застосовують багаторядні турбінні мішалки.

Потужність, споживаюча турбінними мішалками, які працюють в апаратах із відбивними перегородками, за турбулентного режиму перемішування практично не залежить від в’язкості середовища. Тому мішалки цього типу можуть застосовуватись для сумішей, в’язкість яких під час перемішування змінюється.

Турбінні мішалки широко застосовують для утворення зважок (розмір частинок для закритих мішалок може досягати 25 мм), розчинення, під час проведення хімічних реакцій, абсорбції газів і інтенсифікації теплообміну. Для перемішування в великих об’ємах (наприклад, під час гомогенізації рідин у сховищах, об’єм яких досягає 2500м³ і більше) турбінні мішалки менш придатні, ніж пропелерні мішалки чи сопла.

У залежності від сфери застосування турбінні мішалки зазвичай мають діаметр d=(0,15-0,65)D при відношенні висоти рівня рідини до діаметра апарата не більше двох. При більших значеннях цього відношення застосовують багаторядні мішалки. Кількість обертів мішалки коливається в межах 2-5 в секунду, а окружна швидкість становить 3-8 м/сек.

Рисунок. 6.8. Турбінні мішалки: а – відкрита з прямими лопатками; б – відкрита з криволінійними лопатками; в – відкрита з нахиловими лопатками; г – закрита з направляючим апаратом; 1 – турбінна мішалка, 2 – направляючий апарат

 

Спеціальні мішалки. До цієї групи відносяться мішалки, які мають більш обмежене застосування, ніж мішалки розглянутих вище типів. Деякі з мішалок описаних вище конструкцій отримують останнім часом все більш широке застосування.

Барабанні мішалки (рис. 6.9) складаються з двох циліндричних кілець, з’єднаних між собою вертикальними лопатями прямокутного січення. Висота мішалки становить 1,5-1,6 її діаметра. Мішалки цієї конструкції створюють значний осьовий потік і застосовують (при відношенні висоти стовпа рідини в апараті до діаметра барабана не менше 10) для проведення газо-рідинних реакцій, отримання емульсій і взмучуванія осадів.

Дискові мішалки (рис. 6.10) являють собою один або декілька гладких дисків, що обертаються із великою швидкістю на вертикальному валу. Рух рідини в апараті відбувається в тангенціальному напрямку за рахунок тертя рідини у диск, причому стискаючі диски створюють також осьовий потік. Деколи краї диска роблять зубчатими. Діаметр диска становить 0,1-0,15 діаметра апарата. Окружна швидкість дорівнює 5-35 м/сек., що при невеликих розмірах диска відповідає дуже високим обертам. Споживання енергії коливається від 0,5 кВт для малов’язких середовищ до 20 кВт для в’язких сумішей. Дискові мішалки застосовують для перемішування рідин в об’ємах до 4 м³.

 

Рисунок. 6.9. Барабанна мішалка

Рисунок. 6.10 Дискова мішалка

Вібраційні мішалки мають вал із закріпленими на ньому одним або декількома перфорованими дисками (рис. 6.11). Диски здійснюють зворотнопоступальний рух, при якому досягається інтенсивне перемішування вмісту апарата. Енергія, яка споживається мішалками цього типу, невелика. Вони застосовуються для перемішування рідких сумішей і суспензій переважно в апаратах, працюючих під тиском. Час, необхідний для розчинення, гомогенізації, диспергування під час застосування вібраційних мішалок, значно скорочується. Поверхня рідини під час перемішування цими мішалками залишається спокійною, воронки не утворюються. Вібраційні мішалки виготовляють діаметром до 300 мм і застосовують в апаратах об’ємом не більше 3 м³.

Рисунок. 6.11. Конструкція дисків вібраційних мішалок

 

Пневматичне перемішування

Пневматичне перемішування стисненим інертним газом або повітрям застосовують, коли перемішуюча рідина відрізняється великою хімічною активністю і швидко руйнує механічні мішалки.

Перемішування стисненим газом є малоінтенсивним процесом. Витрата енергії під час пневматичного перемішування більша, ніж під час механічного. Пневматичне перемішування не застосовують для обробки летючих рідин у зв’язку зі значними втратами перемішуючого продукту. Перемішування повітрям може супроводжуватися окисленням або осмоленням речовин.

Перемішування стисненим газом здійснюють в апаратах, які мають спеціальні пристосування – барботер або центральну циркуляційну трубку. Барботер являє собою розміщені по дну апарата труби з отворами, за допомогою яких здійснюється барботаж газу через шар обробляючої рідини. При циркуляційному (ерліфтному) перемішуванні газ подають в циркуляційну трубу. Пухирці газу захоплюють за собою вверх по трубі рідину в ємкості, яка потім опускається вниз в кільцевому просторі між трубою і стінками апарата, забезпечуючи циркуляційне перемішування рідини.