Фізичні основи процесу перемішування

Процеси перемішування застосовуються для приготування суспензій, емульсій і однорідних розчинів взаємно розчинних рідин, інтенсифікації процесів тепло- і масообміну. Процес перемішування характеризується двома основними чинниками: ефективністю перемішування і витратою енергії. Під ефективністю перемішування мають на увазі якість результату, що досягається, за часом, тобто рівномірність розподілу концентрацій середовищ, що перемішуються. В даний час немає надійних методів визначення ефективності перемішування.

У гідродинамічному відношенні перемішування зводиться до обтікання твердих тіл потоком рідини. Лопаті мішалки при обертанні виконують роботу, пов'язану з подоланням опору сил інерції і сил тертя рідини, яка перемішується. Значення цих сил в пусковий і робочий період роботи різне. При пуску лопатки мішалки долають інерцію маси рідини і тому зустрічають великий опір. У рідині, що обертається, робота мішалки витрачається на подолання внутрішніх опорів в рідині: тертя, вихрових рухів, ударів рідини об стінку і т.д. Тому пускова потужність завжди більша за робочу. Електродвигун зазвичай підбирають по робочій потужності, збільшуючи її в 1,5–2 рази. Потужність, необхідну для нормальної роботи мішалки, краще розраховувати по формулах, одержаних для пускового періоду.

Типові конструкції мішалок

 

Конструкції найбільш поширених мішалок представлені на рис. 2.29.

Лопатеві мішалки прості в конструкції й дешеві. На валу закріплюються лопатки зі смугової або кутової сталі. Лопатки закріплюються перпендикулярно або похило до напряму руху. Частота обертання від 18–80 об./хв., діаметр лопаток 0,7 D _судини. Задовільно перемішуються рідини з помірною в'язкістю. У таких конструкціях створюються головним чином горизонтальні потоки. Лопатеві мішалкипогано перемішують густі і в'язкі рідини і не придатні для перемішування рідин, які легко розшаровуються.

Рамні мішалки прості за конструкцією, їх легко виготовляти, та проводити ремонтні роботи. Для збільшення ефективності перемішування лопаті виконують горизонтальними і вертикальними.

Якірні мішалки застосовуються у випадках, коли для інтенсифікації теплообміну необхідно видаляти осад зі стінок апарату і турбулізувати шари рідини біля поверхні теплообміну. Зовнішній контур відповідає контурам днища і корпусу.

Пропелерні (гвинтові) мішалки. В пропелерних мішалках кут нахилу лопаті змінюється по всій її довжині, тому лопаті відштовхують частинки рідини по всіх напрямах, створюючи зустрічні струмини, які інтенсифікують процес перемішування. Для поліпшення циркуляції гвинт встановлюють в дифузорі, що має форму циліндру або усіченого конусу. Застосовуються також як комбіновані мішалки, наприклад, лопатево-гвинтові. Використовуються для перемішування рідин, для яких динамічний коефіцієнт в’язкості не перевищує 2 Па·с.

Барабанні мішалки перемішують рідину по більшій висоті судини (об'єму), ніж лопатеві й гвинтові.

Турбінні мішалки служать для швидкого перемішування і розчинення різних рідин і розчинів з великою в'язкістю. Придатні для безперервних процесів. Мішалка складається з одного або кількох відцентрових коліс (турбін), укріплених на вертикальному валу. Виготовляються двох типів: відкритого і закритого. Закрита турбінна мішалка являє собою нерухоме кільце з лопатками, зігнутими під кутом від 45 до 90°, встановлюють усередині направляючого апарату. Частота обертання 100÷350 об./хв. Діаметр d турбінних мішалок: для посудин з діаметром D, який не перевищує 1,6 м, а об’єм – 0,75 м³, ; для посудин з іншими розмірами d = (0,25÷0,33) D. Діаметр судини: 400, 500, 600, 800 мм.

 

а	б	в	г
д	е	є	ж
з	и	і	ї
Рис. 2.29. Перемішуючі пристрої:   Механічні перемішуючі пристрої - мішалки: а) – лопатева; б) – турбінна; в) – якірна; г) – рамна; д) – комбінована лопатево-гвинтова; е) – барабанна; є) – гвинтова; ж) – планетарна; з) – шнекова. Інші способи перемішування: и) – пневматичне; і) – повітряний підйомник (газліфт); ї) – струминний змішувач.

Планетарні мішалки застосовуються для перемішування украй густих рідин. Такі мішалки складаються з двох валів: рухомого і нерухомого. На рухомому валу закріплюються лопаті різної конфігурації, цей вал обертається навколо своєї осі й одночасно навколо нерухомого валу. Кожна точка лопаті описує в об'ємі рідини складну криву. При цьому міняється напрям і величина швидкостей рідини, що приводить до її інтенсивної турбулізації. У своєму русі лопать перекриває значну площу, більшу за площу самої лопаті. Застосовуються також співвісні комбіновані мішалки, що обертаються в різні боки.

За характером переважаючого руху рідини, мішалки поділяють: на мішалки з осьовими потоками (пропелерні, турбінні з плоскими похилими лопатками); на мішалки з круговим потоком (якірні, листові); на мішалки з радіальним потоком (закриті турбінні, ексцентрично розташовані турбінні).

Шнекова мішалка використовується для перемішування в'язких рідин.

Пневматичне перемішування здійснюється шляхом барботування повітря через масу рідини. Повітря виходить з отворів труб, розташованих на дні апарату. Його тиск повинен бути достатнім для створення напору в трубопроводі й подолання тиску гідростатичного стовпа рідини і місцевих опорів. Бульбашки повітря турбулізують рідину, перемішуючи її. Замість повітря можна застосовувати пару. Пневматичне перемішування використовується для грубого перемішування рідин.

Струминний змішувач застосовують для попереднього змішування реагентів, наприклад, перед подачею в реактор.

 

Приводи мішалок

Тихохідні мішалки – лопатеві, якірні – зазвичай приводяться в обертання від індивідуального електродвигуна через зубчасту передачу.

Приводи, як правило, встановлюють на кришках апаратів, іноді на балках або рамах, укріплених на кришці. Якщо вал довгий, то на днищі судини встановлюється додаткова опора.

У сучасних конструкціях привод здійснюється від електродвигуна через редуктор.

Від валу електродвигуна, розташованого горизонтально, обертання передається на вертикальний вал через конічні зубчасті передачі, які встановлюються в закритій ємності. Якщо вертикальних валів два (один розташований усередині іншого), то і конічних зубчатих коліс теж по два на кожний вал. Якщо місця на кришці не вистачає, то привод розташовують під судиною, проте це вимагає хорошого сальникового ущільнення.

Приводи пропелерних мішалок виконуються в залежності від швидкості обертання електродвигуна, безпосередньо зв'язаного з валом через шестерну передачу, через вбудований редуктор, через клинопасову передачу. Припустима довжина валу пропелерних мішалок до 1800 мм. При великих довжинах валу вживають заходи: встановлюють стабілізатори на лопатки пропелера у вигляді крилець або у вигляді широкого кільця із спицями, який укріплюється на конусі валу; встановлюють кінцеві підшипники на днищі судини; встановлюють додатковий підшипник в приводі або виносний.

Короткі вали мають бокові мішалки, привод яких встановлюється на горизонтальній платформі, а вона закріплюється на вертикальній стінці судини.