Перемешивание в жидких средах

ПЕРЕМЕШИВАНИЕ В ЖИДКИХ СРЕДАХ

Н.И. Гельперин «Основные процессы и аппараты

химической технологии» часть 1, стр. 177 - 182

Наиболее простыми являются лопастные мешалки (рис.1,а), состоящие из ряда вертикальных лопастей прямо­угольной формы, прикрепленных к валу. Основные размеры: H/D=0,8—l,3; d/D = 0,7—0,9; b/D = 0,06— 0,1; h₁/D = 0,1; h₂/d = 2; h₃/d = 0,3.

а

б

в

г

Рис.1. Механические мешалки тихоходные:

а – лопастная; б – листовая; в – якорная; г – якорно-лопастная (рамная); 1 – аппарат; 2 – лопасти; 3 – отражательное ребро; 4 – ось вала

В аппаратах большой высоты на валу располагают несколько пар лопастей, повернутых относительно друг друга на 90°, с расстоянием между ними, равным (0,3—0,8) d. Здесь преобладает радиальное перемещение жидкости, причем последняя вовлека­ется вращающимися лопастями во вращательное движение и свободная поверхность уровня и приобретает форму, близкую к параболоиду вращения. Осевая составляющая движения жидкости очень мала, ее циркуляция в аппарате незначительна и перемешивание происходит с небольшой интенсивностью. Большая площадь свободной поверхности уровня способствует всасыванию воздуха. Во избежание большой глубины воронки (высоты параболоида) окружная скорость на концах вращающихся лопастей на практике редко превышает 1 м/с. Для ликвидации воронки часто устанавливают по образующей аппарата 2—4 плоских отражательных ребра шириной с = 0,1D и высотой h₂ = 2d. Ребра несколько интенсифицируют процесс перемешивания, но вызывают рост расхода энергии в 1,3—1,5 раза. Низкая интенсивность перемешивания ограничи­вает область применения лопастных мешалок жидкостями с вязкостью не более 50 Па·с. Некоторое повышение интенсивности перемешивания может быть достигнуто отгибом лопастей под углом 30—45° к оси вала за счет усиления осевого потока.

Разновидностями лопастных мешалок являются листовые (Рис.1, б), якорные (Рис.1, в), якорно-лопастные, или рамные (Рис.1, г) мешалки, основные размеры которых при­ведены в следующей таблице:

Мешалки	d/D	b/d	h1/D	e/D	f/D
Листовые Якорные Якорно-лопастные (рам­ные)	0,5 0,9—0,98 0,9—0,98	0,9—1,0 0,5—0,90 0,5—0,90	0,1 0,01—0,05 0,01—0,05	— 0,06 0,06	— — 0,15

Листовые мешалки можно рассматривать как лопастные с большой высотой лопасти. Они, однако, сообщают вращательное движение большему объему жидкости, поэтому используются в аппаратах, всегда снабженных отражательными ребрами. Интенсивность перемешивания несколько усиливается, если просверлить в листовых лопастях отверстия. Листовые мешалки применимы для маловязких жидкостей (до 50 Па·с) и непригодны для перемешивания суспензий.

Якорные мешалки, создающие преимущественно танген­циальное движение, используют в случае более вязких жидкостей ( 100 Па·с), особенно при необходимости интенсифицировать движение слоя жидкости вблизи стенки аппарата. Отражательные ребра устанавливают выше уровня самой мешалки, причем во избежание возникновения застойных зон возле ребер последние располагают на расстоянии (0,1—1,0)e от стенки аппарата. Окружная скорость листовых и якорных мешалок обычно не превышает 1 м/с.

а

б

в

Рис.2. Механические мешалки быстроходные:

а – пропеллерная; б – турбинная; в – закрытое лопастное колесо; 1 – аппарат; 2 – рабочее колесо; 3 – вал; 4 – соосный цилиндр (диффузор)

Для интенсивного перемешивания жидкостей с вязкостью до 10 Па·с широко используются быстроходные пропеллерные мешалки, окружная скорость которых достигает 10 м/с. Рабочим органом этой мешалки являются лопасти (от 2 до 6) с непрерывно изменяющимся наклоном, прикрепленные к втулке; по внешнему виду мешалка похожа на пропеллер самолета или гребной винт (Рис.2, а). Мешалка сидит на валу, часто соеди­ненном непосредственно с электромотором, и при своем вращении создает радиальное и осевое движение жидкости (наряду с вращательным). В результате возникают циркуляционные потоки жидкости, схематически показанные на Рис.2, а. Объем циркулирующей жидкости в единицу времени является важной характе­ристикой мешалки и называется насосным эффектом V_M. Последний уменьшается с ростом вязкости жидкости, понижая эффективность мешалки.

Вследствие вращательного движения жидкости в центральной части аппарата образуется воронка, которая может быть устранена путем прикрепления к внутренней поверхности аппарата отражательных ребер.

Осевое движение жидкости и величина V_M могут быть значительно повышены путем размещения мешалки внутри соосного цилиндра (показан пунктиром на рис.2, а); в этом случае мешалка подобна осевому насосу.

В практике приняты следующие основные размеры пропел­лерных мешалок: d/D = 0,15—0,40; s/d = 1—2; h₂/D = 0,8—1,6; h₁/d = 1,2—2,0, где s — шаг винта.

При большой высоте перемешиваемого объема (H/D > 2) на валу размещают несколько пропеллеров, всасывающих и выбрасы­вающих жидкость в одинаковых направлениях. В пространстве между двумя соседними пропеллерами происходит особенно интен­сивное перемешивание благодаря встречному движению всасы­ваемого и выбрасываемого потоков.

Пропеллерные мешалки рекомендуют для перемешивания и образования маловязких эмульсий, для процессов растворения и химического превращения, для получения тонких суспензий (размер твердых частиц не более 0,5 мм) с объемной концентрацией твердой фазы не более 8—10%, для диспергирования газов в жидкостях.

К числу быстроходных относятся также турбинные мешалки, которые чаще всего состоят из набора (от 4 до 12) верти­кальных лопастей прямоугольной формы, прикрепленных радиально к горизонтальному диску (Рис.2, б) или непосред­ственно к ступице. При вращении этого лопастного колеса в его центральной части, как и у центробежных насосов, создается разрежение, а на периферии — избыточный напор. Благодаря этому, отброшенная к стенкам аппарата жидкость разделяется на два потока (вверх и вниз), которые устремляются (всасываются) в центральную часть колеса с обеих его сторон. В результате возникают два циркуляционных потока, способствующие переме­шиванию жидкости (Рис.2, б). Интенсивность циркуляции падает с увеличением вяз­кости жидкости и прибли­жением мешалки к днищу аппарата.

Турбинные мешалки применяются в сочетании с отражательными ребрами, а при необходимости усиления осевого движения жидкости лопастное колесо размещают, подобно пропеллерам, внутри соосной трубы (диффузора) или лопатки располагают с наклоном до 45° к оси вала. Вязкость перемешиваемых жидкостей доходит до 100 Па·с; при более высокой вязкости целесообразно применять лопатки, изогнутые по окружности или спирали. Наконец, лопасти могут быть закрытыми и тогда турбинная ме­шалка аналогична колесу центробежного насоса с двусторонним всасыванием жидкости (рис.2, в). Турбинные мешалки изготов­ляют со следующими относительными размерами: d/D = 0,70—0,35; b/d = 0,2—0,3; d/b = 1,0; h₁/d = 0,5—1,0. Области применения турбин­ных и лопастных мешалок большей частью совпадают, но первые эффективнее для диспергирования жидкостей и газов в жидкостях, а также при вязкости перемешиваемых жидкостей более 10 Па·с. В случае H/D>2 на валу располагается несколько турбинных мешалок. Для перемешивания высоковязких жидкостей используются шнековые (рис.3, а) и ленточные (рис.3, б) мешалки; первые до вязкости 500 Па·с, а вторые - до 3000 Па·с. У шнековых мешалок d/D = 0,65, s/d = 1,4; у ленточных d/D = 0,94 и s/d = 1,1, где s — шаг винтовой линии (ширина ленты b = 0,1d).

а

б

Рис.3. Шнековая (а) и ленточная (б) мешалки

БАРБОТАЖНОЕ ПЕРЕМЕШИВАНИЕ ЖИДКОСТЕЙ И СУСПЕНЗИЙ

Барботажным называется метод перемешивания жидкостей и суспензий путем пропускания через их объем потока диспергированного газа. Применение этого метода особенно целесообразно в тех случаях, когда газ или отдельные его компоненты (например, кислород воздуха) должны вступать в химическую реакцию с перемешиваемой жидкостью. Барботажный метод, широко используется в процессах массообмена между жидкостями и газами или парами, где, благодаря диспергированию последних, наряду с перемешиванием достигается большая межфазная поверхность.

Важным условием эффективной работы барботажного перемешивающего устройства является равномерное распределение диспергированного потока газа по поперечному сечению аппарата.

а

б

в

г

д

Рис.4. Схемы барботажных перемешивающих устройств:

а – аппарат с сетчатым распределителем; б – аппарат со спиральным трубчатым барботером; в – сочетание трубчатого барботера с лопастной мешалкой; г – аппарат с внутренней циркуляционной трубой; д – аппарат с внешней циркуляционной трубой; 1 – аппарат; 2 – газораспределитель; 3,4 – вход и выход газа

При небольших диаметрах последнего это условие обеспечивается при помощи горизонтальной перфорирован­ной решетки с мелкими отверстиями или пористой плиты (рис.4, а). В аппаратах средних размеров целесообразно пользоваться трубчатым барботером (рис.4, б), т. е. трубой, изогнутой в форме спирали, с просверленными в ее стенках отверстиями. В аппаратах больших размеров и при более вязких жидкостях пользуются сочетанием барботера и лопастной, мешалки (рис.4, в); последняя имеет в качестве лопастей трубы с перфорированными стенками. Аппараты средних и больших размеров часто снабжаются внутренними (рис.4, г) или наруж­ными (рис.4, д) циркуляционными перемешивающими устройствами. В обоих случаях циркуляция жидкости создается благодаря образованию в подъемных трубах газожидкостной смеси, имеющей меньшую плотность, чем жидкость.

Достоинствами барботажного перемешивания являются отсутствие движущихся частей, простота устройства и легкость поддержания твердой фазы суспензий во взвешенном состоянии. Недостатки этого метода: большой расход энергии на получение сжатого газа и его применимость только для маловязких жидкостей. Интенсивность перемешивания при прочих равных условиях возрастает и удельный расход воздуха падает по мере увеличения высоты слоя жидкости.

Дата добавления: 2015-09-29