Перемешивание в жидкой среде

На производственных установках перемешивание используют для ускорения технологических процессов. С помощью перемеши­вания осуществляют процессы получения суспензий или эмуль­сий, а если в реакторе протекает химический процесс, то переме­шивание позволяет усреднить температуру в объеме реактора и получить стабильный режим проведения процесса. Аналогичный эффект по выравниванию концентрации веществ применяют в массообменных процессах — экстракции и кристаллизации.

Результативность процесса перемешивания характеризуют двумя основными показателями: эффективностью и интенсивностью.

Эффективность оценивает качество процесса или степень дос­тижения цели. Например, при получении суспензии — это сте­пень однородности распределения твердых частиц во всем объеме аппарата.

Интенсивность — это показатель скорости достижения требуе­мой эффективности.

Ценой каких затрат энергии достигнут требуемый результат перемешивания, определяет третий параметр — мощность. Чрез­мерное количество вводимой энергии является нецелесообразным и экономически невыгодным.

Для достижения высокой эффективности перемешивания при прочих равных условиях требуется затратить больше энергии. По­этому в производстве не стремятся к высокой степени эффектив­ности, а ограничивают ее на приемлемом уровне. При получении суспензий необязательно доводить концентрации твердых частиц в верхних слоях и у днища аппарата до одинаковых значений (обыч­но в донной части концентрация выше), если это не повлияет на

Выбор конструкции аппарата с мешалкой зависит от свойств перемешиваемой среды и требуемых эффек­тивности и интенсивности перемешивания. Наиболее простой яв­ляется лопастная мешалка (рис. 11.1). При вращении вала 2 лопас­ти 1 мешалки воздействуют на перемешиваемую жидкость, зали­тую в аппарат. Жидкость, находящаяся в непосредственной бли­зости от лопасти, приходит во вращательное движение и за счет трения вовлекает в движение смежные слои. Различная скорость перемещения слоев, их сдвиг относительно друг друга обусловли­вают эффект перемешивания. При определенной скорости враще­ния вала жидкость отрывается от кромок лопасти с образованием вихрей, что еще более способствует ее перемешиванию.

Под действием центробежных сил жидкость отбрасывается от концов лопасти в радиальном направлении — к стенкам аппарата. На ее место притекает новая жидкость из выше- и нижележащих слоев. В целом при вращении происходит сложное взаимное пере­мещение микрообъемов жидкости, что и обеспечивает переме­шивание.

Для создания дополнительных вихрей на стенках аппарата ино­гда монтируют вертикальные перегородки 4. При вращении жид­кости за перегородкой также возникают отрывные течения с вихреобразованием.

Лопастные мешалки самые простые по устройству и соответ­ственно самые дешевые. Но они плохо перемешивают вязкие жид-

кости и слабо выравнивают концентрацию вещества или темпе­ратуру по высоте аппарата.

В этих условиях более эффективны рамная и якорная мешалки (схема последней приведена на рис. 11.2). Их лопасти 3 имеют го­ризонтальные и вертикальные элементы, в том числе такие, ко­торые повторяют форму корпуса 2 аппарата. При необходимости осуществления теплообмена через стенку такие мешалки наибо­лее эффективны, так как в пристенных слоях жидкость движется достаточно интенсивно.

Активные вертикальные токи жидкости в объеме аппарата со­здает винтовая мешалка (рис. 11.3). По конструкции она аналогич­на судовому винту. Основным направлением движения является движение вдоль оси аппарата. Движению по вертикали способ­ствует также направляющий аппарат 3, который особенно эф­фективен в относительно высоких сосудах. Кроме того, жидкость вращается вокруг оси. Таким образом, внутри аппарата возникает винтовое перемещение жидкости. Это бывает необходимо, в част­ности, при изготовлении суспензий.

Однако для перемешивания вязких жидкостей такие мешалки малоэффективны, так как в поперечном направлении зона актив­ного перемешивания здесь сравнительно невелика.

Турбинные мешалки по характеру воздействия на жидкость ана­логичны действию рабочих колес центробежных насосов. Простей­шая турбинная мешалка (рис. 11.4) — это плоский диск 1 с за­крепленными по окружности радиальными лопатками 3. Лопатки могут быть вертикальными или наклонными, плоскими или изо­гнутыми.

Мощность N, затрачиваемую на перемешивание, можно выра­зить через силу воздействия F лопасти мешалки на жидкость и линейную скорость движения v рабочего элемента мешалки:

N= Fv.

На значение величины F влияют такие факторы, как физиче­ские свойства жидкости, размеры лопасти, частота вращения ме­шалки и режим обтекания лопасти.

В формулу для расчета мощности, Вт, включают опытный по­правочный коэффициент, полученный для той или иной конст­рукции мешалки с определенным соотношением размеров ее ра­бочих элементов:

,
где — опытный коэффициент, называемый критерием мощно­сти (его значение приводят в справочниках); — диаметр мешал­ки, м; п — частота вращения мешалки, с'¹; р_ж — плотность жидко­сти, кг/м³.

Кроме механического перемешивания в химической техноло­гии осуществляют перемешивание за счет барботирования газа, пульсаций жидкости, размещения турбулизующих элементов и т.д. Эти способы менее распространены в производственных процес­сах, однако в ряде конкретных случаев они вполне приемлемы.

Процесс перемешивания жидкости поднимающимися в ней пузырьками газа называют барботажным перемешиванием. Этот процесс распространен в химической промышленности при про­ведении абсорбции и биохимической очистки сточных вод, когда содержащийся в пузырьках газ участвует в процессе (например, при хемосорбции).

Применение для перемешивания упругих колебаний в жидкости возможно в двух вариантах. В одном из них — вибрационном пере­мешивании — в жидкость помещают диски, закрепленные на вер­тикальных штангах. Они совершают колебательные движения час­тотой до 100 с^-1 и амплитудой до 20 мм, которые передаются жид­кости.

В дисках выполнены отверстия конической формы. В этом слу­чае жидкость проникает через отверстия с разной скоростью в зависимости от направления движения диска. Поэтому в целом в аппарате происходит еще и циркуляция перемешиваемой среды.

Колебательное движение в жидкости может быть создано так­же подачей воздуха переменного давления в специальную каме­ру, погруженную в жидкость. Внутренняя полость камеры связана с жидкостью открытыми патрубками, через которые пульсация газа и передается в жидкость.

Статические смесители, встраиваемые в трубопроводы, раз­нообразны по конструкции. На рис. 11.5 приведен пример конст­рукции такого смесителя. В корпусе 1 смонтированы поперечные перегородки 2, образующие пары диск—кольцо. Обтекая их, по­ток жидкости последовательно разделяется и сливается, за счет чего и происходит перемешивание. Часто в статических смесите­лях для повышения эффективно­сти процесса создают закручен­ные потоки.

	Статические смесители очень просты в обслуживании, посколь­ку не имеют подвижных частей. Энергию, необходимую для пе­ремешивания вносит в поток на­сос, который транспортирует жидкость и находится далеко от		Рис. 11.5. Статический смеситель: 1 — корпус; 2 — перегородки