Перемешивание материалов

Общие сведения

Перемешивание материалов широко применяется в химиче­ской’ промышленности для интенсификации химических, тепловых и массообменных процессов, а также для приготовления растворов эмульсий и суспензий. В ряде химических производств возникает также необходимость в смешении сыпучих материалов, состоящих

Рис. 62. Способы перемешивания жидких сред: а — механической мешалкой,

б — пневматическое перемешивание, в — циркуляционным насосом

из частиц различного размера, и смешении различных паст. Не­обходимость такой обработки возникает как при проведении подгото­вительных операций перед осуществлением -химическое то взаимо­действия, так и в заключительной стадии производства - при доведе­нии продуктов доопределенных товарных кондиций, обеспечи­вающих выполнение требований ГОСТов и технических условий. Подобные конечные операции выполняются при обработке красите­лей, лакокрасочной продукции и пр.

Перемешивание в гомогенных и гетерогенных системах всегда приводит к увеличению скорости химических, тепловых и массооб­менных процессов, так как с увеличением турбулентности улучша­ются условия подвода теплоты или вещества к поверхности тепло­обмена или границе раздела фаз. Это достигается в результате уменьшения толщины пограничного слоя, увеличения и непрерывного обновления поверхности раздела взаимодействующих фаз.

При приготовлении растворов или суспензий, нагревании или охлаждении перемешивание проводится с целью выравнивания температур и концентраций в объеме аппаратов, что также интенсифици­руют происходящие процессы.

Способы перемешивания и аппаратура для проведения этого процесса зависят от агрегатного состояния перемешиваемых мате­риалов. Широкое распространение в химической промышленности получили процессы смешения в жидких средах. Независимо от того, какая среда смешивается с жидкостью — газ, жидкость или твердое сыпучее вещество, различают два основных способа перемешивания в жидких средах*— механическое перемешивание (рис. 62, а), с по­мощью мешалок различных конструкций и пневматическое переме­шивание сжатым воздухом или инертным газом (рис. 62, б). Кроме того, применяют перемешивание с помощью циркуляционных насосов или сопл (рис. 62, в).

Наиболее важными характеристиками перемешивающих уст­ройств являются эффективность перемешивающего устройства и интенсивность его действия. Эффективность перемешивания характе­ризуется равномерностью распределения дисперсной фазы и зависит не только от конструкции перемешивающего устройства, но и от ко­личества затрачиваемой энергии. Интенсивность перемешивания оп­ределяется временем достижения заданного результата. Чем выше ин­тенсивность, тем меньше времени требуется для достижения равномерного распределения дисперсной фазы и тем выше производительность аппарата.

Рис. 63. Типы механических мешалок

а-лопастная, б - пропеллерная

Перемешивание в жидких средах

При механическом перемешивании механическая энергия передается жидкости с помощью мешалки. Мешалка, которая закреплена на вертикальном валу, служит рабочим элементом аппарата- смесителя (рис., 62, а). Привод мешалки осуществляется непосред­ственно от электродвигателя либо через редуктор или клиноремен­ную передачу. По устройству лопастей различают лопастные, пропел­лерные и турбинные мешалки.

Лопастные мешалки (рис. 64, а) представляют собой устрой­ства, состоящие из двух или большего числа лопастей прямоугольной формы, закрепленных на вращающемся валу. Основное достоинство лопастных мешалок состоит в простоте и невысокой стоимости изго­товления. Недостатком является неполное перемешивание жидкости в объеме аппарата вследствие слабого потока жидкости вдоль оси ме­шалки. Лопастные мешалки перемешивают только те слои жидкости, которые находятся в непосредственной близости от лопастей. Лопаст­ные мешалки нельзя применять для перемешивания вязких жидко­стей. Пропеллерные мешалки (рис. 63, б) осуществляют более интен­сивное перемешивание. Для создания осевого перемещения жидкости при перемешивании лопастными мешалками и перемешивания всего объема жидкости применяются однорядные мешалки с наклонными лопастями (рис. 64, а) с наклоном лопастей 30—40° к оси вала и многорядные двухлопастные мешалки (рис. 64,6). Расстояние между отдельными рядами лопастей составляет приблизительно половину диаметра мешалки.

Рис. 64. Лопастные мешалки

а- однородная, б- трехрядная

Основные размеры лопас­тных мешалок: диаметр

мешалки d = (0,6-Ю,9)£>; ширина лопасти 6= (0,14-Ю,2)Z); расстояние - внутренний диаметр аппарата.

от дна сосуда h < 0,3 Д где D

К лопастным относятся также якорные, рамные и листовые мешалки. Рамные и якорные мешалки (рис.65,а,б) имеют диаметр и форму, близкие к внутреннему диаметру и внутренней форме ап­парата. При вращении эти мешалки очищают стенки и дно аппара­та от налипающих загрязнений.

Листовые мешалки имеют лопасти большей ширины, в следствии чего около верхней и нижней кромок лопастей создают­ся вихревые потоки, способствующие повышению турбулентности в перемешиваемом материале.

Рис, 65. Типы лопастных мешалок:

а —рамная, б — якорная, в —листовая

Листовые мешалки применяют для перемешивания маловязких жид­костей. При перемешивании в процессе растворения применяют листовые мешалки с отверстием в лопастях (рис. 65, в). |

Пропеллерные мешалки. Рабочей частью пропеллерной мешалки который установлен на оси мешалки.

Наибольшее распространение получили мешалки с трехлопастными пропеллерами. Пропеллерные мешалки создают осевые потоки жидкости, что существенно повышает интенсивность перемешивания. Эффективность мешалки сильно зависит от формы аппарата и распо­ложения мешалки. Пропеллерные мешалки устанавливают в цилинд­рических аппаратах ею сферическими днищами. Основные размеры пропеллерной мешалки: диаметр мешалки d = (0,2-Ю,5)Д расстояние от дна h = (0,5 + 1,0)1).

Частота вращения пропеллерных мешалок значительно выше, чем у мешалок других типов, и достигает в некоторых случаях 40 об/с.

Турбинные мешалки имеют форму колес водяных турбин с лопатками, укрепленными на вертикальном валу. Типы турбинных мешалок приведены на рис. 67. Мешалки этого типа обеспечивают интенсивное перемешивание во всем объеме аппарата и применяются для образования суспензий, растворения твердых материалов, при проведении химических реакций,. Турбинные мешалки имеют диаметр d = (0,15-Ю,6)/) и частоту вращения 2—5 об/с. Мощность, потребляемая механическими мешалками, зависит от плотности перемешиваемой жидкости, частоты вращения и диаметра мешалки.

Рис. 67. Типы турбинных мешалок:

а —открытая с радиальными прямыми лопастями, 6 —открытая с криволиней­ными лопастями, в — открытая с наклонными лопастями

При перемешивании механическими мешалками различают два гидродинамических режима — ламинарный и турбулентный. Ла­минарный режим соответствует неинтенсивному перемешиванию, при котором жидкость плавно обтекает лопасти мешалки и практически вращается с частотой, близкой к частоте вращения мешалки. При этом перемешиваются только те слои жидкости, которые непосредственно примыкают к лопастям. Расход мощности при этом невелик. С увели­чением числа оборотов резко возрастает сопротивление вращению мешалки за счет турбулизации жидкости и интенсивность перемеши­вания также возрастает. Дальнейшее увеличение числа оборотов ин­тенсифицирует перемешивание, Однако значительно увеличивать число оборотов невыгодно, так как расход мощности растет пропор­ционально третьей степени числа оборотов. Геометрические размеры мешалки в еще большей степени влияют на потребляемую мощность. Расход мощности растет пропорционально пятой степени диаметра мешалки. Эти особенности должны всегда приниматься во внимание при конструировании, эксплуатации и замене существующих меша­лок.

Пневматическое перемешивание сжатым инертным газом или воздухом применяется в тех случаях, когда перемешиваемая жидкость обладает высокой коррозионной активностью и быстро разрушает механические мешалки. Перемешивание сжатым газом — процесс малой интенсивности и требует больших, чем при механическом перемеши­вании, затрат энергии. Пневматическое перемешивание не применяет­ся для обработки легколетучих жидкостей вследствие больших потерь перемешиваемого продукта.

Перемешивание сжатым газом проредят в аппаратах, снабжен­ных специальными устройствами — барботером или центральной циркуляционной трубой.

Барботер (см. рис. 62, б) представляет собой расположенные на дне аппарата трубы с отверстиями. Газ или воздух, выходя из от­верстий в трубах, перемешивает жидкость в аппарате. В аппарате с циркуляционной трубой газ подается в трубу, расположенную в средней части аппарата. Пузырьки газа, поднимаясь, увлекают за со-¹ бой по трубе жидкость, находящуюся в сосуде. Поднявшись по цир­куляционной трубе жидкость опускается вниз в кольцевое про­странство между трубой и стенками аппарата, обеспечивая циркуля­ционное перемешивание.

Расход воздуха для перемешиваний в барботерах и аппаратах с циркуляционной трубой составляет 0,5-1 м³/мин на 1 м² свободной поверхности жидкости.