ПЕРЕМЕШИВАНИЕ В ЖИДКИХ СРЕДАХ

Перемешивание представляет собой процесс многократного пе­ремещения макрообъемов жидкости друг относительно друга благодаря вводу внешней энергии в рабочую среду.

Перемешивание осуществляется в целях:

· обеспечения равномерного распределения твердых частиц в жидкости;

· дробления до заданной крупности (дисперсности) и распределения в жидкости газа или другой жидкости;

· интенсификации тепловых и массообменных процессов.

Таким образом, как правило, температура и концентрация в перемешиваемом объеме постоянны во всех его точках.

Наиболее распространенными способами перемешивания являются:

· механическое (рис. 4.1) (при помощи мешалок 1 с лопастями различных конструкций);

· пневматическое (барботажное) (рис. 4.2) (при помощи газа, пропускаемого через перемешиваемую среду, посредством барботера 1 или другого распределительного устройства);

· циркуляционное (рис. 4.3) (путем многократного перекачивания перемешиваемых сред из исходной емкости 2 насосом 1 по замкнутому контуру (труба) 4 и возвратом его в емкость с помощью разбрызгивателя 3 или эжектора 5).

Основными качественными характеристиками процесса перемешивания являются его эффективность и интенсивность.

Эффективность перемешивающего устройства характеризует качество процесса перемешивания и выражается различными параметрами в зависимости от цели проведения этого процесса. При проведении перемешивания для получения суспензий и эмульсий эффективность перемешивания может характеризоваться равномерностью распределения фаз в полученной гетерогенной системе. В этом случае из разных точек объема приготовленной смеси отбираются пробы, производится их анализ на концентрацию дисперсной фазы и ее размеры с последующим сравнением полученных результатов. Эффективным перемешивающим устройством является то, у которого анализируемые параметры имеют наибольшее совпадение.

При интенсификации тепловых и массоо6менных процессов эффективность перемешивания может характеризоваться отношением коэффициентов тепло- и массопередачи при перемешивании и без перемешивания.

Интенсивность перемешивания определяет скорость достижения требуемого результата и характеризуется для каждого способа сочетанием определенных параметров. Так, при механическом перемешивании интенсивность определяется как отношение вводимой в перемешиваемую среду энергии к ее объему. При пневматическом перемешивании интенсивность определяется количеством газа, пропускаемым в единицу времени через 1 м² свободной поверхности аппарата.

При этом различают: слабое пневматическое перемешивание – 0,4 м³/(м²*мин); перемешивание средней интенсивности – 0,8 м³/(м²*мин); интенсивное перемешивание – 1,2 м³/(м²*мин).

Циркуляционное перемешивание характеризуется кратностью циркуляции, определяемой отношением объемной подачи насоса к объему перемешиваемой среды. Физический смысл данного параметра заключается в определении числа о6новлений объема в аппарате в единицу времени.

При проектировании установок, включающих стадию механического перемешивания, важным параметром является мощность, необходимая для качественного осуществления данного процесса.

Механическое перемешивание должно осуществляться в активном гидродинамическом режиме, причем основная часть энергии затрачивается на преодоление вязкостного трения и создание вихревых потоков. Таким образом, вынужденное движение жидкости при перемешивании может быть записано критериальны м уравнением

Однако при описании процесса перемешивания чаще используют модифицированные критерии Эйлера и Рейнольдса, в которых трудноопределимая линейная скорость жидкости заменена величиной, пропорциональной окружной скорости жидкости у конца лопасти мешалки (см. рис. 4.1):

а в качестве характерного линейного размера используется диаметр самого перемешивающего устройства d_м:

Рассматривая работу механического перемешивающего устройства по аналогии с насосом, перемещающим жидкость, потребляемую им мощность можно определить как

где Vс – расход перемешиваемой жидкости; Δр – давление, создаваемое мешалкой.

Количество перемешиваемой жидкости можно представить как объем жидкости в цилиндрическом аппарате (см. рис. 4.1), умноженный на кратность циркуляции, характеризующую интенсивность воздействия мешалки на обрабатываемую среду:

где D = с₁*d_м – диаметр аппарата с мешалкой; Н = с₂*d_м - высота заполнения аппарата; с₁, с₂ – постоянные, связывающие характерные размеры аппарата и диаметра установленной в нем мешалки; m = с₃*n – кратность циркуляции; с₃ – коэффициент пропорциональности.

Используя зависимость (4.1) и (4.2), получим

Подставив значение 4р в модифицированный критерий Эйлера, имеем

Без учета постоянных величин модифицированный критерий Эйлера можно записать как

называемый также критерием мощности К_N, который может также определяться по уравнению

где а – показатель степени.

Значения модифицированного критерия Рейнольдса характеризуют режимы движения жидкости при перемешивании: ламинарный, переходный и турбулентный. Однако конкретные значения чисел Re_M, определяющие их границы, зависят от типа мешалки, наличия перегородок, конструкции аппарата и т. д.

Конструкции механических мешалок по устройству лопастей бывают лопастные, пропеллерные, турбинные и специальные. Все механические мешалки делятся на тихоходные (n < 1 об/мин) и быстроходные (n > 1 об/мин).

Лопастные мешалки (рис. 4.4) имеют несколько плоских лопастей, установленных перпендикулярно оси вращения.

При вращении мешалки на поверхности жидкости образуется центральная воронка, глубина которой увеличивается с возраста­нием скорости вращения перемешивающего устройства. Существование воронки уменьшает объем перемешиваемой среды и разрушает создаваемые мешалкой вихри, снижая эффективность процесса. Для предотвращения образования воронки у стенок аппарата устанавливаются 2...4 радиальные отражательные перегородки с рекомендуемой шириной b = 0,1D и высотой h = 2d_м.

Достоинства лопастных мешалок – простота устройства и дешевизна изготовления. Основной областью применения лопастных мешалок является перемешивание жидкостей небольшой вязкости, растворение и суспендирование твердых

Пропеллерные мешалки (рис. 4.5) представляют собой устройства с несколькими фасонными лопастями в виде судового винта.

Благодаря обтекаемой форме пропеллерные мешалки потребляют меньше энергии при тех же числах Рейнольдса, чем перемешивающие устройства другой конструкции. Создавая преимущественно осевые потоки перемешиваемой среды, пропеллерные мешалки сокращают общее время перемешивания.

Пропеллерные мешалки применяются для интенсивного перемешивания жидкостей со средней вязкостью, приготовления суспензий и эмульсий.

Турбинные мешалки имеют форму колес с лопатками открытого (рис. 4.6, а) и закрытого (рис. 4.6, б) типов, работают при высоких скоростях вращения (до 350 об/мин) и осуществляют интенсивное перемешивание жидкости.

Открытые турбинные мешалки имеют несколько лопастей, расположенных под углом к вертикальной плоскости, что позволяет создавать радиальные и осевые потоки перемешиваемой жидкости, а, следовательно, интенсифицируют процесс перемешивания.

Закрытые турбинные мешалки установлены внутри направляющих, представляющих собой неподвижное колесо с лопатками, изогнутыми под углом 45 ... 90°, закрытые коническими крышками. Эти мешалки создают преимущественно радиальные потоки жидкости при небольших энергозатратах.

Достоинствами турбинных мешалок являются высокая эффективность перемешивания и растворения, в том числе вязких жидкостей, тонкое диспергирование твердых частиц.

Для перемешивания вязких жидкостей, пастообразных материалов и систем с высокой концентрацией дисперсной фазы применяют различные типы специальных (шнековых, ленточных и др.) мешалок (рис. 4.7).

В ряде случаев при перемешивании вязких жидкостей используют интенсивные физико-механические воздействия на обрабатываемую среду (например, вибрации и пульсации в различных диапазонах частот).

Контрольные вопросы

1.Какие способы перемешивания существуют?

2. Что характеризуют эффективность и интенсивность перемешивания?

3.Какие факторы и как именно влияют на величину мощности, затрачиваемой на механическое перемешивание?

4.Какие конструкции механических мешалок существуют?