Перемішування, змішування, одержання гетерогенних систем. Псевдозрідження

 

Перемішування в рідкім середовищі

Малюнок 3.25 Схема циркуляційного перемішування

Циркуляційне перемішування. Циркуляційне перемішування (мал. 3.25) здійснюється багатократним перекачуванням рідини через систему апарат 1 –циркуляционный насос 2 – апарат 1. Інтенсивне перемішування в усьому об'ємі досягається таким, що розпиляло рідини, що нагнітається, через насадки 3 на кінцях трубопроводів 4, встановлених тангенціально до стінок апарату і під деяким кутом до горизонталі. Циркуляційне перемішування застосовується при приготуванні суспензій і емульсій і може замінювати механічне перемішування.

Потокове перемішування. Для змішення компонентів в потоці застосовують різноманітні конструкції змішувачів (мал. 3.26). У них належне зміщення потоків досягається за рахунок багатократного перемішування їх на діафрагмах 1 і розсікачах 2 (мал. 3.26, а) або на 8…12 полицях 3 (мал. 3.26, б). Такі змішувачі застосовуються, наприклад, у бродильних виробництвах для змішення меляси з водою. При цьому одночасно з досягненням певної концентрації шляхом подання гарячої і холодної води досягається необхідна температура суміші.

У змішувачі ежекторного типу (мал. 3.26, в) хороше змішення досягається при поданні в нього середовища І під натиском з подальшим всмоктуванням в нього середовища ІІ, проходженням суміші по ділянці змінного перерізу і через гвинтову

Малюнок 3.26 Типи змішувачів

вставку 4.

Пневматичне перемішування і аерація. Пневматичне перемішування рідких середовищ роблять в апаратах, обладнаних барботером, повітряним підйомником (ерліфтом) або спеціальним повітророзподільним пристроєм, який в растильных апаратах для дріжджів і інших аеробних мікроорганізмів окрім перемішування насичує середовище киснем. Схеми пристроїв для пневматичного перемішування і аерації показані на мал. 3.27.

Барботер 1 (мал. 3.27, а) є системою труб з отворами, через які стисле повітря у вигляді бульбашок рівномірно розподіляється по усьому перерізу апарату і, піднімаючись в рідині, перемішує її.

Ерліфт 2 (мал. 3.27, б) застосовується для перемішування замочуваного солодовенного зерна в спиртовому і пивоварному виробництвах, а також для підйому води з артезіанських свердловин і сумішей сипких матеріалів з водою на висоту 10 м і більше. За рахунок стислого повітря, що поступає в нижню частину ерліфта 2, в ній утворюється легко-водяна суміш, щільність якої менше щільності води, що знаходиться поза трубою. При цьому висоти стовпів Н, що урівноважуються, і (Н + h) обернено пропорційні до щільності середовищ в них. Бульбашки повітря, піднімаючись вгору по трубі, у зв'язку зі зменшенням тиски

Малюнок 3.27 Пристроїв для пневматичного перемішування і аерації:

а – з барботером; б – з ерліфтом; в – з повітророзподільним пристроєм

 

розширюються і збільшують швидкість руху легко-водяної суміші, яка захоплює з апарату суміш сипкого матеріалу з водою, піднімає її на потрібну висоту, а якщо це необхідно, повертає її знову в апарат.

Аераційні пристрої, окрім оцінки перемішуючого ефекту з технологічної точки зору оцінюються за мірою насичення середовища киснем і швидкості накопичення мікробної маси в одиниці об'єму. При перемішуванні повітрям досягається рівномірний розподіл розчиненого в середовищі кисню, поживних речовин і мікроорганізмів в усьому об'ємі рідини, полегшується підведення поживного середовища і кисню до мікроорганізмів, а також відведення продуктів їх життєдіяльності (вуглекислого газу та ін.).

Слід мати на увазі, що при аерації приблизно лише десята частина кисню, що подається в апарат, поглинається рідиною і ця доля зменшується з підвищенням температури рідини і швидкості повітря, що проходить через неї.

Кількість кисню G (в мг), що поглинається рідиною за час τ при заданих температурі і тиску, виражається рівнянням:

 

G = K F (c_н – c_τ) τ, (3.45)

 

де G – кількість кисню, що поглинається рідиною, мг;

F – поверхня контакту між рідиною і повітрям, м²;

с_н – концентрація кисню в середовищі, що відповідає межі насичення за даних умов, мг/м³;

c_τ – концентрація кисню в середовищі в даний момент, мг/м³;

К – коефіцієнт абсорбції, що показує, яка кількість кисню поглинається рідиною в одиницю часу в заданих умовах при F = 1 м² й (c_н – c_τ) = 1 мг/м³, м/с.

Збільшення поверхні контакту фаз досягається підвищенням міри диспергування повітря, т. е. розпиляло його через отвори малих розмірів в повітророзподільній системі. У ній отвори розміщують на такій відстані, щоб запобігти злиттю струменів повітря, що виходить з суміжних отворів (для збереження заданої дисперсності при швидкості витікання повітря з отвору 15…20 м/с рекомендується крок між отворами не менше 20 мм для отворів діаметром 2…3 мм і не менше 12 мм для отворів діаметром 1 мм).

Концентрація кисню cн, що відповідає межі насичення, наприклад при рощенні дріжджів при 300С дорівнює 7 мг/л, а в процесі рощення підтримують c_τ = 0,4.0,5 мг/л; при меншій концентрації кисню в середовищі накопичення дріжджової маси зменшується.

У дріжджовирощувальному апараті (мал. 3.27, в) ефективне диспергування повітря досягається проходженням його через отвори діаметром 0,5…3,0 мм в коробчатих розподільниках повітря 3, встановлених на днищі апарату.

Хороше аерування рідини досягається застосуванням ежектора 1 (мал. 3.27, г) у поєднанні з порожнистим перемішуючим пристроєм, що обертається, 2, подібним до сегнерову колеса, по якому насичена повітрям рідина підводиться в зону апарату 3, де досягається усереднювання концентрації кисню в усьому об'ємі рідини. Разом з цим застосовують і ерліфтну систему аерації.

Розрахунок пневматичних перемішуючих пристроїв зводиться до визначення необхідного тиску і витрати стислого повітря.

Прийнявши втрати тиску в повітропроводі рівними 20% опори стовпа Н (в м) перемішуваної рідини щільністю ρ_ж, (в кг/м³) і p₀ (в Па) – тиск над рідиною, необхідний тиск р (в Па) стислого повітря для перемішування можна визначити по формулі:

 

р = 1,2 H ρ_ж g + p₀, (3.46)

 

Витрата повітря на 1 м² поверхні рідини в апараті приймають 0,8 м³/ (м² хв) при помірному перемішуванні і 1,0 м³/ (м² хв) при інтенсивному. Треба враховувати, що при перемішуванні повітрям можливе окислення органічних речовин з утворенням небажаних продуктів і віднесення летких речовин.