Перемешивание и способы перемешивания

1. Перемешивание и способы перемешивания.

1.1.Процесс  перемешивания. Цели.

Процессы перемешивания широко применяют в нефтепереработке для  получения однородных растворов, эмульсий, суспензий, а также для ускорения  растворения твердых тел в  жидкости, ускорения химической реакций  путем увеличения поверхности контакта и интенсификации теплопередачи  вследствие образования вихрей и  конвекционных токов.

 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.

 

1.2.Способы перемешивания.

В зависимости от целевого назначения процесса перемешивания его эффективность  определяется по- разному. Так, если перемешивание используют для проведения химической реакции, то оценивают влияние перемешивания на выход и избирательность проводимого процесса. При приготовлении эмульсий имеет значение достигаемая однородность и стабильность эмульсии. В теплообменных процессах имеет значение повышение коэффициента теплопередачи и т. п.

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 три основных способа перемешивания:

1) механический, при котором перемешивание осуществляют различными вращающимися устройствами;

2) барботажный или пневманический, осуществляемый пропусканием газа через слой жидкости;

3) гидравлический, осуществляемый смешением потоков при их совместном движении в канале или при перекачивании перемешиваемых сред насосом. Используемые для процесса перемешивания аппараты называют смесителями.

 

 

 

 

 

 

 

 

2.  Виды перемешивающих устройств и конструкции мешалок.

1. Механическое перемешивание.

Наиболее распространенный способ перемешивания в жидких средах - механическое перемешивание.

Мешалка состоит из одной или  нескольких пар лопастей различной  формы, которые закреплены на валу, приводимом во вращение непосредственно  от электродвигателя или от трансмиссии (при помощи зубчатой, червячной  или фрикционной передачи).

Механическое перемешивание с  помощью лопаточных роторов используется чаще всего в горизонтальных стальных реакторах. Горизонтальная ось проходит по всей длине реактора. К ней  крепятся лопатки или трубки, загнутые в петли. При повороте оси сырье  перемешивается, корка ломается, а  осадок устремляется к выходному  отверстию.

В зависимости от устройства лопастей мешалки можно разделить на следующие  четыре группы:

1. лопастные с плоскими лопастями;
2. пропеллерные с винтовыми лопастями;
3. турбинные мешалки;
4. специальные мешалки.

Лопастные мешалки.

Это наиболее распространенный тип  мешалок. В Зависимости от формы лопастей различают следующие шесть типов мешалок: простые лопасные, рамные, якорные, грабельные, пропеллерные и гребковые (рис. 2).

Простые лопастные мешалки. Лопастными мешалками называются устройства, состоящие из двух или большего числа лопастей прямоугольного сечения, закрепленных на вращающемся вертикальном или наклонном валу (рис.3).

 

Рис. 3 

а – двухлопастная  мешалка с прямыми вертикальными  лопатками; б – трехлопастная  мешалка с изогнутыми вертикальными  лопатками; в – шести лопастная  мешалка с наклонными лопастями (угол наклона лопастей ≤ 45º);

 

Основные достоинства лопастных  мешалок — простота устройства и  невысокая стоимость изготовления. К недостаткам мешалок этого  типа следует отнести низкое насосное действие мешалки (слабый осевой поток), не обеспечивающее достаточно полного  перемешивания во всем объеме аппарата. Вследствие незначительности осевого  потока лопастные мешалки  перемешивают только те слои жидкости, которые находятся  в непосредственной близости от лопастей мешалки. Развитие турбулентности в  объеме перемешиваемой жидкости происходит медленно, циркуляция жидкости невелика. Поэтому лопастные мешалки применяют для перемешивания жидкостей, вязкость которых не превышает 103 мн . сек/м2. Эти мешалки непригодны для перемешивания в протоке, например в аппаратах непрерывного действия. Некоторое увеличение осевого потока жидкости достигается при наклоне лопастей под углом 30—45° к оси вала. Такая мешалка способна удерживать во взвешенном состоянии частицы, скорость осаждения которых невелика. С целью увеличения турбулентности среды при перемешивании лопастными мешалками в аппаратах с большим отношением высоты к диаметру используют многорядные двухлопастные мешалки с установкой на валу нескольких рядов мешалок, повернутых друг относительно друга на 90°.

Рис. 4.- Лопастная мешалка:

1-лопасти; 2-вал; 3- накладка; 4- шпонка; 5-подпятник; 6-зубчатая  передача.

Такая мешалка (рис. 4) состоит из шести пар лопастей 1, установленных наклонно к горизонтальной плоскости, причем каждая пара лопастей расположена под прямым углом к соседней паре. Лопасти укреплены на валу 2 накладками 3 на болтах и на шпонках 4. Вертикальный вал мешалки внизу опирается на подпятник 5 и снабжен зубчатой передачей 6, приводимой в движение от трансмиссии через ременную передачу.

Якорная мешалка - эта мешалка относится к группе тихоходных перемешивающих устройств. В тех случаях, когда необходимо исключить отложение осадков на стенках аппарата или улучшить теплопередачу через стенку, применяют якорную мешалку. Якорная мешалка состоит из цилиндрической втулки, к наружно поверхности которой приварены две профилированные лопасти. Профиль лопастей мешалки соответствует внутренней поверхности корпуса аппарата (рис. 4): в нижней своей части лопасти имеют эллиптическую или коническую форму, а в верхней – они представляют собой две плоские вертикальные пластины, торец которых параллелен цилиндрической части корпуса аппарата. Ее окружная скорость не превышает 0,5 – 1,5 м/с, а число оборотов 1/3 – 1 об/с. Якорные мешалки используют для обработки вязких, загрязненных и застывающих жидкостей.

Рамные мешалки применяют для перемешивания больших объемов смесей с высокой вязкостью. Они имеют лопасти в виде рамы, состоящей из отдельных горизонтальных, вертикальных, а иногда и наклонных лопастей, связанных между собой для большей жесткости. Представляет собой конструкцию содержащую вал с импеллером в виде рамы различной конфигурации. Мотор - редуктор с небольшим числом оборотов служит приводом рамной мешалки.

Рис. 5.- Рамная мешалка.

Рамные мешалки отличаются низким числом оборотов 20-60об/мин.

Пропеллерные мешалки.

Мешалки пропеллерные используются для  интенсивного  перемешивания жидкостей  с вязкостью порядка 4000 спз. Так же, они широко применяются для приготовления однородных водных растворов.

Лопасти пропеллерных мешалок (рис. 6) изогнуты по профилю судового винта, т. е. с постепенно меняющимся наклоном, почти от 0° у оси до 90° на конце лопасти. Вращаясь в жидкости, лопасти действуют наподобие винта, а жидкость, окружающая пропеллер, как бы является гайкой и перемещается в направлении оси мешалки. Это осевое движение складывается с круговым перемещением жидкости, благодаря чему возникает ее винтовое движение. Если винтовая поверхность пропеллера правая, а вращение его происходит по часовой стрелке, то осевое движение жидкости направлено вверх и в сосуде возникает циркуляция жидкостью.

 

Рис. 6.- Пропеллерная мешалка:

1-пропеллер; 2-вал; 3-шпонка; 4-шплинт; 5-колпачок.

Пропеллер имеет обычно три лопасти, причем на вертикальном валу, в зависимости  от высоты слоя жидкости, устанавливают  один или несколько пропеллеров. Диаметр лопасти пропеллера равен 0,25—0,3 диаметра аппарата. Скорость вращения пропеллера составляет 160—1000 об/мин.

Мешалка пропеллерная считается наиболее эффективной в случаях, когда  при минимальном расходе механической энергии необходимо создать мощную циркуляцию жидкости в аппарате. За счет насосного эффекта, пропеллерные мешалки создают осевую циркуляцию жидкости, они легко поднимают твердые частицы со дна сосуда, благодаря чему пропеллерные мешалки используются для создания суспензий.

Пропеллерные мешалки перемешивают жидкость быстрее и интенсивнее  лопастных мешалок, при умеренном  расходе энергии, превышающем, однако, расход ее для лопастных мешалок.

Пропеллерные мешалки пригодны для проведения непрерывных процессов, но неприменимы для гомогенного  смешивания, для смешивания вязких жидкостей (более 6000 спз), а также для смешивания жидкостей с твердыми веществами большой плотности.

Нормализованные пропеллерные мешалки  выпускают с диаметром пропеллера 150, 200, 250, 300, 400, 500 и 600 мм.

ля улучшения перемешивания  массы жидкости по всей высоте (часто  необходимо при проведении непрерывных  процессов) применяют пропеллерные мешалки (рис. 7) с несколькими пропеллерами 1 и диффузором 2 в виде змеевика с  витками, плотно прилегающими друг к  другу. Такое устройство диффузора  позволяет легко регулировать температурный  режим перемешивания.

Рис. 7 - Двойная пропеллерная мешалка с диффузором:

1-пропеллер; 2-диффузор.

Турбинные мешалки.

Турбинные мешалки применяют для  интенсивного перемешивания и смешения жидкостей с вязкостью до 10 Па . с для мешалок открытого типа и до 50 Па . с для мешалок закрытого типа, для тонкого диспергирования, быстрого растворения или выделения осадков в больших объемах (5 - 6  и более). Эти мешалки используют для взмучивания осадков в жидкостях, содержащих до 60% твердой фазы (мешалки открытого типа) и более (мешалки закрытого типа), причем максимальные размеры твердых частиц до 1,5 мм для мешалок открытого типа и до 2,5 мм для мешалок закрытого типа.

Мешалка состоит из одного или нескольких центробежных колес (турбинок), укрепленных на вертикальном валу.

Турбинные мешалки могут быть двух типов: открытого (рис. 8а, б, в) и закрытого (рис. 8г) типов. Закрытые мешалки устанавливают внутри направляющего аппарата, представляющего собой неподвижное кольцо с лопатками, последние изогнуты под углом, изменяющимся от 45° до 90° . При частоте вращения 100 – 350 об/мин турбинные мешалки обеспечивают интенсивное перемешивание жидкости. Недостатки мешалок этого типа – относительная сложность конструкции и высокая стоимость изготовления.

 

 

 

Рис. 8 - Турбинные мешалки: а) открытая с прямыми лопатками; б) открытая с криволинейными лопатками; в) открытая с наклонными лопатками; г) закрытая с направляющим аппаратом: 1- турбинная мешалка; 2- направляющий аппарат.

Мешалка закрытого типа может сочетаться с направляющим аппаратом, который  представляет собой неподвижный  обод с изогнутыми соответствующим  образом лопатками.

Задача направляющего аппарата заключается в выпрямлении потока жидкости, отбрасываемого мешалкой. Вследствие этого отражающие перегородки в  аппарате с мешалкой становятся излишними. Лопатки направляющего аппарата должны быть изогнуты таким образом, чтобы вектор абсолютной скорости жидкости, покидающий мешалку, был направлен  тангенциально к лопаткам направляющего  аппарата на входе в него. На выходе из направляющего аппарата жидкость должна отбрасываться радиально  или аксиально. Направляющий аппарат  может прикрепляться либо к корпусу  аппарата, либо к соответствующей  неподвижной втулке, в которой  вращается вал. 

Рис.9 - Турбинная мешалка закрытого типа.

 

Открытая турбинная мешалка. Наиболее простой и одновременно высокоэффективной является мешалка с прямыми лопатками, расположенными радиально.

Конструкция довольно проста. Лопатки  могут быть приварены к диску  или прикреплены с помощью  болтов. В последнем случае для  крепления лопаток могут быть использованы угольники, через которые  лопатки привинчиваются к диску. Плоские лопатки могут также  быть наклонены под определенным углом относительно плоскости вращения мешалки. Чаще всего угол наклона равен 45º. Такая мешалка создает осевой поток жидкости, что может потребоваться, например, при перемешивании суспензий, для поднятия твердых частиц со дна сосуда. Лопатки могут также быть изогнутыми. Мешалки с такими лопатками потребляют меньше мощности.

Рис.10 - Турбинная мешалка открытого типа.

Специальные мешалки.

К этой группе относятся мешалки, имеющие  более ограниченное применение, чем  мешалки рассмотренных выше типов.

Барабанные мешалки (рис. 11) состоят из двух цилиндрических колец, соединенных между собой вертикальными лопастями прямоугольного сечения. Высота мешалки составляет 1,5—1,6 ее диаметра. Барабанная мешалка представляет собой лопастной барабан в виде так называемого беличьего колеса. 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 .