Глава 5 ПЕРЕМЕШИВАНИЕ В ЖИДКИХ СРЕДАХ

Общие сведения

Процесс перемешивания в жидких средах – один из наиболее распространенных в химической промышленности. При перемешивании частицы среды многократно перемещаются относительно друг друга в объеме аппарата, обеспечивая в результате заданный технологический результат. Цель перемешивания определяется назначением процесса и обычно состоит в обеспечении равномерного распределения частиц одной среды в другой, интенсификации тепловых, массобменных и химических процессов, диспергировании жидкостей, газов и паров. Основные процессы химической технологии, которые осуществляют при перемешивании, представлены на рис. 6.1.

Способы перемешивания, независимо от агрегатного состояния среды, различают по методу ввода энергии в перемешиваемую среду: механический; циркуляционный; струйный; пульсационный; барботажный; газлифтный; электромагнитный; магнитновихревой.

Рисунок 6.1 – Классификация основных процессов химической технологии
осуществляемых при перемешивании

Каждый из перечисленных способов перемешивания имеет свои достоинства и недостатки, а также определенную область применения. Наиболее важными характеристиками перемешивающих устройств, которые положены в основу их сравнительной оценки, являются: степень, интенсивность и эффективность перемешивания.

Степень перемешивания

Под степенью перемешивания в общем случае понимают взаимное распределение компонентов смеси после окончания перемешивания всей системы. В специальной литературе используют и другие названия этой величины, например, степень гомогенизации, показатель перемешивания, степень однородности, степень сегрегации и т.д.

Расчет степени перемешивания Iвыполняют чаще всего по формуле Хиксона и Тенни на основе анализа взятых проб:

, (6.1)

где – относительная концентрация проб; – число проб.

Если , то

, (6.2)

если , тогда

, (6.3)

где Ф_i , Ф_i0 – объемные доли анализируемого компонента в i-й пробе и во всем аппарате, соответственно.

Для случая взаимнорастворяющихся жидкостей степень перемешивания можно определить по формуле Хоблера и Стренка:

, (6.4)

где – приращение энтропии перемешиваемых жидкостей после истечения времени и после полного перемешивания (t = ∞).

Интенсивность перемешивания

Интенсивность перемешивания обычно определяют по следующим параметрам:

1) числу оборотов мешалки при постоянном времени процесса перемешивания;

2) времени достижения заданного технологического результата при постоянной частоте вращения мешалки;

3) мощности , затрачиваемой на перемешивание единицы объема или массы жидкости.

Каждая из этих величин является мерой интенсивности перемешивания для конкретного смесителя, что затрудняет их сравнение. Относительно более точно интенсивность перемешивания определяется по значению удельной мощности , однако и в этом случае, вследствие различий характера рассеивания энергии в аппаратах различных конструкций, показатель удельной мощности нельзя считать универсальным.

Эффективность перемешивания

Эффективность перемешивания определяется значением характерного для данного процесса параметра (степени перемешивания, характера диспергирования, коэффициента тепло- или массопереноса, выхода продукта при химических процессах и т.д.). Эффективность перемешивания является удобным параметром для сравнения и выбора оптимального режима работы смесителей. Из двух аппаратов с мешалками более эффективно работает тот, в котором достигается заданный технологический результат при меньшей затрате энергии.

Механическое перемешивание

Наибольшее распространение в промышленности получил механический способ перемешивания. Механическое перемешивание осуществляют с помощью мешалок, которым сообщается от двигателя вращательное или возвратно-поступательное движение.

Процесс перемешивания сводится к внешней задаче гидродинамики – обтеканию тел потоком жидкости. При вращении мешалки в аппарате возникает сложное движение жидкости, которое можно разложить на тангенциальное (по касательной к окружности вращения), радиальное (по радиусу) и аксиальное (параллельное оси мешалки). Мешалки разных конструкций создают потоки с различным относительным распределением этих составляющих.

По этому признаку мешалки можно разделить на следующие группы:

– создающие преимущественно тангенциальные потоки – лопастные, якорные, рамные (рис. 6.2);

а

б в

Рисунок 6.2 – Мешалки, создающие преимущественно тангенциальные потоки:

а – лопастные мешалки (неразъемная и разъемная); б – якорная мешалка; в – рамная мешалка

– создающие преимущественно радиально-аксиальные потоки – пропеллерные, турбинные клетьевые (рис. 6.3);

а б

в

Рисунок 6.3 – Мешалки, создающие преимущественно радиально-аксиальные потоки:
а – трехлопастная мешалка; б – шестилопастная мешалка; в – открытая турбинная мешалка (неразъемная и разъемная); г – закрытая турбинная мешалка; д – винтовая мешалка; е – клетьевая мешалка

– создающие преимущественно аксиальные потоки – мешалки с диффузором, шнековые и ленточные (рис. 6.4).

Рисунок 6.4 – Мешалки, создающие преимущественно аксиальные потоки:

а – пропеллерная мешалка с диффузором; б – шнековая мешалка; в – ленточная мешалка

Быстроходные мешалки, кроме радиальных и радиально-аксиальных потоков, создают вращательное движение, за счет которого в центре возникает зона пониженного давления и происходит образование воронки, которая может достигнуть мешалки (рис. 6.5).

Чтобы уменьшить вращение жидкости и дополнительно турбулизировать поток, на корпус аппарата по образующей устанавливают отражательные перегородки (рис. 6.6).

Рисунок 6.5 – Центральная воронка в аппарате безотражательных перегородок

Рисунок 6.6 – Радиальные (а) и осевые (б) линии тока в аппарате с отражательными перегородками

При движении в жидкости в точках поверхности лопасти мешалки, где скорость жидкости является наибольшей (например, у кромок вертикальной пластины), происходит отрыв пограничного слоя и образование турбулентного кормового следа. Окружная скорость имеет наибольшее значение на периферии мешалки, так как ее величина пропорциональна диаметру мешалки. В данной области, как следует из уравнения Бернулли, образуется зона пониженного давления, куда устремляется жидкость, находящаяся в аппарате. Это течение, а также радиальные потоки, возникающие под действием центробежных сил при вращательном движении мешалки, приводят к интенсивному перемешиванию содержимого аппарата.