ПЕРЕМІШУВАННЯ РІДКИХ СЕРЕДОВИЩ

Перекладена версія Лекція 7. Перемешіваніе.docx

ЛЕКЦІЯ 7

ПЕРЕМІШУВАННЯ

ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ

Перемішування в рідкому середовищі застосовують при отриманні суспензій і емульсій. При змішуванні пластичних і сипучих матеріалів ставиться завдання отримання однорідної маси основної речовини з різними твердими, рідкими і пластичними добавками.

При перемішуванні інтенсифікуються теплові, дифузійні і біохімічні процеси.

Для перемішування використовують змішувачі різних конструкцій.

Якість перемішування характеризується ступенем (рівномірністю) змішування фаз.

Ступінь змішування фаз у всьому обсязі змішувача виражається рівнянням

(7.1)

де: m - число проб, в яких ; - Позитивна різниця концентрацій у змішувачі, що визначаються за формулою ; - Концентрація часток в суміші при ідеальному (повну) змішуванні, що визначається за формулою (Тут - Обсяг розподіляються в основній масі твердих частинок - Щільності відповідно твердих частинок і основної маси в змішувачі - Обсяг основної маси, наприклад рідини, в апараті); n - число проб, в яких ; - Негативні різниці, що визначаються за формулою .

Рівномірність змішування може змінюватися від 0 до 1. При ідеальному (повну) змішуванні компонентів I = 1.

ПЕРЕМІШУВАННЯ РІДКИХ СЕРЕДОВИЩ

Для перемішування рідких середовищ використовують кілька способів: пневматичний, циркуляційний, статичний і механічний за допомогою мішалок.

Пневматична перемішування здійснюють за допомогою стисненого газу (у більшості випадків повітря), що пропускається через шар перемішуваної рідини. Для рівномірного розподілу газу в шарі рідини газ подається в змішувач через барботер. Барботер являє собою ряд перфорованих труб, розташованих у днища змішувача по колу або спіралі.

У ряді випадків перемішування здійснюється за допомогою ежекторів.

Інтенсивність перемішування визначається кількістю газу, що пропускається в одиницю часу через одиницю вільної поверхні рідини в змішувачі.

Пневматична перемішування має обмежене застосування. Воно використовується тоді, коли допускається взаємодія перемішуваної рідини з газом.

Циркуляційне перемішування здійснюють за допомогою насоса, що перекачує рідина по замкнутій системі змішувач - насос - змішувач.

Інтенсивність циркуляційного перемішування залежить від кратності циркуляції, тобто відносини подачі циркуляційного насоса в одиницю часу до об'єму рідини в апараті. У ряді випадків замість насосів можуть застосовуватися парові ежектори.

Статичний змішування рідин невисокою в'язкості, а також газу з рідиною здійснюється в статичних змішувачах за рахунок кінетичної енергії рідин або газів.

Статичні змішувачі встановлюють в трубопроводах перед реактором або іншою апаратурою або безпосередньо в реакційному апараті.

Найпростішими статичними змішувачами є пристрої з гвинтовими вставками різної конструкції.

На рис. 7.1, а представлена ​​конструкція циліндричного статичного змішувача, призначеного для перемішування газу і рідини, з вставними елементами, що представляють собою різно-закручені пластини з нержавіючої сталі, встановлені послідовно встик в корпусі змішувача. Геометричні характеристики окремого елемента визначаються кутом і напрямком закручування, а також співвідношенням діаметру і довжини. Кількість встановлених елементів залежить від в'язкості, а також від співвідношення вязкостей змішуються рідин: чим вище в'язкість і відмінність в в'язкості рідин, тим більше встановлюють елементів.

Рис. 7.1 Статичні змішувачі:

а - циліндричний з вставними елементами: 1 - фланець; 2 - корпус, 3 - змішуючі елементи; б - емульсор

Статичні змішувачі використовують також при отриманні емульсій. На рис. 7.1, б зображено вихровий емульсор для отримання емульсії жірофосфатідной суміші в знежиреному молоці (замінник незбираного молока). Вихровий емульсор забезпечує високу ефективність емульгування при тиску 0,3 - 0,36 МПа, простий у виготовленні і експлуатації. Принцип його дії полягає у використанні ефекту відцентрової форсунки при каскадному закінчення рідини.Отримана емульсія з розміром частинок до 3 мкм не розшаровується протягом 24 ч.

Механічне перемішування використовують для інтенсифікації гідромеханічних процесів (диспергування), тепло-і масообмінних, біохімічних процесів в системах рідина - рідина, газ - рідина і газ - рідина - тверде тіло.Здійснюють його за допомогою різних перемішуючих пристроїв - мішалок. Мішалка являє собою комбінацію лопатей, насаджених на обертовий вал.

Всі перемішуючі пристрої, застосовувані в харчових виробництвах, можна розділити на дві групи: в першу групу входять лопатеві, турбінні й пропелерні, в другу - спеціальні - гвинтові, шнекові, стрічкові, рамні, ножові та інші, службовці для перемішування пластичних і сипучих мас.

За частотою обертання робочого органу перемішуючі пристрої діляться на тихо-і швидкохідні.

Лопатеві (рис. 7.2, а, б), стрічкові, якірні і шнекові мішалки відносяться до тихохідних: частота їх обертання становить 30... 90 хв ^-1, окружна швидкість на кінці лопаті для в'язких рідин - 2.. 3 м / с.

Переваги лопатевих мішалок - простота пристрою і невисока вартість. До недоліків відноситься створюваний слабкий осьової потік рідини, що не забезпечує повного перемішування у всьому обсязі змішувача. Посилення осьового потоку досягається при нахилі лопатей під кутом 30 ° до осі валу.

Якірні мішалки мають форму днища апарату. Їх застосовують при перемішуванні вузьких середовищ. Ці мішалки при перемішуванні очищають стінки і дно змішувача від налипають забруднень.

Шнекові мішалки мають форму гвинта і застосовуються, як і стрічкові, для перемішування в'язких середовищ.

До швидкохідним відносяться пропелерні і турбінні мішалки: частота їх обертання становить від 100 до 3000 хв ^-1 при окружної швидкості 3... 20 м / с.

Пропелерні мішалки (рис. 7.2, в) виготовляють з двома або трьома пропелерами. Вони володіють насосним ефектом і використовуються для створення інтенсивної циркуляції рідини. Застосовуються для перемішування рідин в'язкістю до 2 Па * с.

Турбінні мішалки (рис. 7.2, г, д, е) виготовляють у формі коліс турбін з плоскими, похилими і криволінійними лопатями. Вони бувають відкритого і закритого типів. Закриті мішалки мають два диски з отворами в центрі для проходу рідини. Для одночасного створення радіального і осьового потоків застосовують турбінні мішалки з похилими лопатями. Турбінні мішалки забезпечують інтенсивне перемішування у всьому робочому обсязі змішувача. Для зменшення кругового руху рідини і освіти воронки в змішувачі встановлюються відбивні перегородки.

Рис. 7.2. Типи мішалок:

а - трилопатева; б - дволопатеве; в - пропелерна; г - відкрита турбінна; д - відкрита турбінна з похилими лопатями; е - закрита турбінна

Турбінні мішалки застосовують при перемішуванні рідин в'язкістю до 500 Па * с, а також грубих суспензій.

Основні елементи типового змішувача із пристроєм, що - корпус з кришкою, привід і мішалки (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Змішувач з мішалкою:

1 - привід; 2 - стійка приводу; 3 - ущільнення; 4 - вал; 5-корпус; 6 - сорочка; 7 - відбивна перегородка; 8 - мішалка; 9 - труба

Найбільш широко застосовують внесений електричний привід з вертикальним валом. Бувають також приводи з горизонтальним і бічним розташуванням валу. Можливо верхнє і нижнє розташування вертикального приводу по відношенню до змішувача.

Вал перемішують з'єднується з валом редуктора найчастіше поздовжньо-рознімної або зубчастої муфтою. У першому випадку опорою вала є підшипник редуктора.

При роботі мішалки виникають крутящие коливання внаслідок динамічних навантажень на консольний кінець вала. Для усунення коливань і підвищення надійності в реакторах зазвичай встановлюють кінцевий або проміжний підшипник.

Для ущільнення обертових валів з ​​метою створення герметичності застосовують сальники з м'якими і твердими набивками. На рис. 7.4 показаний охолоджуваний сальник, в якому сальниковое пристрій одночасно є підшипником ковзання для валу мішалки. У середині сальникової набивки мається змащувальне кільце, що забезпечує підведення мастила по всьому периметру валу. Відведення теплоти здійснюється охолоджуючої рідиною, що подається в сорочку.

Розрахунок перемішують зводиться до визначення потужності, що витрачається на перемішування. Інтенсивність перемішування призначається на підставі експериментальних даних.

Рис. 7.4. Охолоджуваний сальник:

1 - вал мішалки; 2 - корпус сальника; 3 - сорочка; 4 - натискний фланець; 5 - набивання; 6 - змащувальне кільце; 7 - наполегливе кільце

Після вибору типу, розмірів і частоти обертання мішалки приступають до розрахунку споживаної потужності.

При роботі мішалок в апаратах виникають певним чином спрямовані струми рідини. При низькій частоті обертання мішалки рідина обертається по колах, лежачим в горизонтальних площинах руху лопатей мішалки. При цьому відсутня перемішування з сусідніми шарами рідини.

Інтенсивне перемішування рідини має місце тільки в результаті утворення вторинних потоків і вихрового руху. Під дією відцентрових сил рідина рухається в площині обертання лопаті мішалки від центру змішувача до стінок.Внаслідок такого руху в центрі змішувача виникає зона зниженого тиску і утворюється воронка, куди засмоктується рідина з шарів, розташованих вище і нижче лопаті мішалки. Вторинні потоки і круговий рух рідини створюють складний контур циркуляції, показаний на рис. 7.5.

Рис. 7.5. Схема циркуляції рідини в змішувачі

Представивши циркуляцію рідини в змішувачі як рух по замкнутому трубопроводу складної форми, можна отримати критеріальне рівняння для розрахунку споживаної потужності типу Еu = f (Rе, Fr, Г _1, Г _2,...). Вплив сил тяжіння на рух рідини в змішувачі невелике, і їм можна знехтувати.

Тоді Еu = f (Rе, Г _1, Г _2,...), де Г ₁ і Г ₂ - параметричні критерії, що характеризують геометричні розміри мішалки і змішувача.

В якості визначального лінійного розміру приймають діаметр мішалки d _м, а замість лінійної швидкості рідини, середню величину якої визначити практично не можна, в критерії подібності підставляють окружну швидкість кінця лопаті мішалки , Де п - частота обертання, с ^-1.

Перепад тисків між передньою і задньою площинами лопаті мішалки виражають через корисну потужність N, введену в рідину, за аналогією з потужністю насоса, що витрачається на перекачування рідини по трубопроводу:

де: - Обсяг переміщуваної рідини, який визначається добутком об'єму рідини в апараті на кратність циркуляції, м ³ / с,

де: F - площа поперечного перерізу апарату, м ^2, H - висота рівня рідини в апараті, м, m - кратність циркуляції, с ^-1

Висловимо розміри апарата через діаметр мішалки, так як ці розміри взаємопов'язані:

а кратність циркуляції можна прийняти пропорційною частоті обертання мішалки

m = C ₄ n

З урахуванням того, що v = C ₁ v _окр = C ₁ , Отримаємо модифіковані критерії Ейлера

Виключивши коефіцієнти пропорційності і С ₅ отримаємо модифіковані критерії Ейлера і Рейнольдса

де: - Щільність рідини, кг / м ^3, - В'язкість, Па * с

Тоді зв'язок між модифікованими критеріями виразиться рівнянням Еu _м = f ₁ (Rе _м, Г _1, Г _2,...), конкретний вигляд якого для кожного типу мішалки визначають експериментальним шляхом.

Після перетворень отримаємо спрощене критеріальне рівняння . Значення коефіцієнта А і показників ступенів залежать від типу мішалки, конструкції змішувача і режиму перемішування, і їх знаходять експериментально. Для спрощення розрахунків експериментальні дані представляють у вигляді графічної залежності між критеріями Ейлера і Рейнольдса з урахуванням подібності умов входу і виходу рідини з реактора.

Залежності Еu _м = f (Rе _м) для нормалізованих перемішують різних типів представлені на рис. 7.6; характеристики мішалок наведено в табл. 7.1 і на рис. 7.7.

З встановлених закономірностей випливає, що потужність, споживана мішалкою, зростає із збільшенням частоти її обертання в кубі і діаметра в п'ятого ступеня, а також із зростанням щільності й в'язкості перемішуваної рідини.

На споживану мішалкою потужність, крім того, значний вплив мають форма апарату і розташування мішалки в ньому. Для апаратів, форма яких відрізняється від циліндричної, а також при розміщенні в змішувачі перегородок, змійовиків і т. д., споживана при перемішуванні потужність зростає.

Перемішування механічними мішалками може відбуватися при ламінарному або турбулентному режимі. При ламінарному режимі Re _M <20 перемішуються шари рідини, які безпосередньо примикають до лопат мішалки. При Re_M> 100 має місце турбулентний режим перемішування.

Рис. 7.6. Графічна залежність Eu = fRe для різних типів мішалок (нумерація кривих відповідає номеру і типу мішалки в табл. 7.1 і на рис. 7.7)

Таблиця 7.1 Характеристики мішалок і апаратів

Примітка. D - діаметр судини; Н - висота шару рідини в мішалці; b - ширина лопаті мішалки; s - крок гвинта; l - довжина лопаті; d, d _тр, d _зм - діаметр відповідно мішалки, труби і змійовика; t - крок змійовика.

В області розвиненою турбулентності (Re _M> 10 ⁵⁾ число Ейлера практично не залежить від критерію Рейнольдса. У цій автомодельної області збільшення частоти обертання мішалки призводить до збільшення затрачиваемой потужності без досягнення бажаного ефекту.

Представлені на рис. 7.6 залежності дозволяють за заданою на підставі експериментальних даних інтенсивності перемішування підібрати методом послідовних наближень тип мішалки, її розміри і частоту обертання і розрахувати потужність двигуна для приводу мішалки.

По робочому обсягу апарату V _р і необхідної інтенсивності перемішування; визначають споживану мішалкою потужність [в Н * м / (м ³ с)].

N = j / V _p (7.2)

Потім вибирають тип мішалки, її розміри і частоту обертання.

За попередньо вибраними параметрами мішалки розраховують критерій Ейлера, відповідно до якого за рис. 7.6 знаходять Re _M. За значенням Re _M визначають частоту обертання мішалки (7.3)

Якщо знайдена з цього співвідношення частота обертання виявиться менше або більше попередньо прийнятої, то задаються іншим її значенням: більшим чи меншим. Розрахунок проводять до збігу попередньо прийнятої частоти обертання мішалки з знайденої зі співвідношення (7.3).

Якщо отриману в результаті такого розрахунку частоту обертання мішалки представляється доцільним збільшити або зменшити, для цього відповідно зменшують або збільшують попередньо прийнятий діаметр мішалки.

Рис. 7.7. Схеми змішувачів, наведених у табл. 7.1

Потужність двигуна (в кВт) обчислюють за рівнянням

(7.4)

де: - ККД приводу

Енергія (в кВт * год), що витрачається на перемішування мішалкою, визначається залежно від заданої тривалості перемішування (Ч):

У пусковий період, коли енергія витрачається не тільки на подолання сил тертя, але і на подолання сил інерції приводиться в рух перемішують і самої рідини, споживана мішалкою потужність зростає в порівнянні з розрахунковою.

Досвід експлуатації змішувачів показує, що в період пуску сила, що діє на лопаті перемішують з боку рідини, збільшується в 2... 4,5 рази в порівнянні з зусиллями, що діють у робочий період. Тому застосовують асинхронні електродвигуни, що допускають короткочасну перевантаження на 200... 300%.

Поиск по сайту: