Механічне перемішування

Найбільше розповсюдження в хімічній промисловості отримало перемішування з введенням у перемішуюче середовище механічної енергії з зовнішнього джерела. Механічне перемішування здійснюється за допомогою мішалок, яким надається обертовий рух безпосередньо від електродвигуна, або через редуктор або клиноременну передачу. Відомі також мішалки зі зворотно-поступальним рухом, які мають привід від механічного чи електромагнітного вібратора.

Рис. Види механічних перемішуючих пристосувань

Механічні перемішуючі пристосування складаються з трьох основних частин: мішалки, вала і привода. Мішалка є робочим елементом пристосування, закріпленим на вертикальному, горизонтальному чи похилому валу. Привід може бути здійснений чи безпосередньо від електродвигуна (для швидкохідних мішалок), або через редуктор або клинопасову передачу.

За конструкцією лопатей розрізняють мішалки лопатеві, пропелерні, турбінні і спеціальні.

За типом створюючого мішалкою потоку рідини в апараті розрізняють мішалки, забезпечуючі переважно тангенціальну, радіальну і осьову течію.

При тангенціальній течії рідина в апараті рухається переважно по концентричних окружностях, паралельних площині обертання мішалки. Перемішування відбувається за рахунок вихрів, виникаючих на кромках мішалки. Якість перемішування буде найгіршою, коли швидкість обертання рідини дорівнює швидкості обертання мішалки. Радіальна течія характеризується напрямом руху рідини від мішалки до стінок апарату перпендикулярно осі обертання мішалки. Осьова течія рідини направлена паралельно осі обертання мішалки.

У промислових апаратах з мішалками можливі різні поєднання цих основних типів течії. Тип створюючого потоку, а також конструктивні особливості мішалок визначають сфери їх застосування.

При високих швидкостях обертання мішалок перемішуюча рідина втягується в обертовий рух і навколо вала утворюється воронка, глибина якої збільшується зі збільшенням кількості обертів і зменшенням щільності і в’язкості середовища. Для запобігання утворення воронки в апараті встановлюють відбивні перегородки, які, крім того, сприяють виникненню вихрів і збільшенню турбулентності системи. Утворення воронки можна запобігти і при повному заповненні рідиною апарата, т.т. при відсутності повітряного прошарку між перемішуючою рідиною і кришкою апарата, а також при встановленні валу мішалки ексцентрично до осі апарата чи застосуванні апарата прямокутного січення.

Крім цього, відбивні перегородки встановлюють у всіх випадках під час перемішування в системах газ-рідина. Застосування відбивних перегородок, а також ексцентричне та похиле розміщення вала мішалки приводить до збільшення споживаючої нею потужності.

Мішалки лопатевого типу. Лопатевими мішалками називають пристосування, які складаються з двох або більшої кількості лопатей прямокутного січення, закріплених на обертаючому вертикальному чи нахиловому валу (рис. 4-4). До лопатевих мішалок відносяться також і деякі мішалки спеціального призначення: якірні, рамні і листові.

Рис. 4-4. Лопатева мішалка

 

Основні переваги лопатевих мішалок – простота будови і невисока вартість виготовлення. До недоліків мішалок цього типу слід віднести низьку насосну дію мішалки (слабкий осьовий потік), не забезпечуючуть досить повне перемішування у всьому об’ємі апарата. Внаслідок незначного осьового потоку лопатеві мішалки перемішують тільки ті шари рідини, які знаходяться безпосередньо близько від лопатей мішалки. Розвиток турбулентності в об’ємі перемішуючої рідини відбувається повільно, циркуляція рідини невелика. Тому лопатеві мішалки застосовують для перемішування рідин, в’язкість яких не перевищує 10³ мн×сек/м². Ці мішалки непридатні для перемішування в потоці, наприклад в апаратах безперервної дії.

Деяке збільшення осьового потоку рідини досягається при нахилі лопатей під кутом 30-45° до вісі вала. Така мішалка спроможна втримувати у зваженому стані частинки, швидкість осадження яких невелика. Лопатеві мішалки з нахиловими лопатями застосовують під час проведення повільних хімічних реакцій, для яких стадія визначаюча швидкість підводу реагентів в зону реакції, не є лімітуючою.

З метою збільшення турбулентності середовища під час перемішування лопатевими мішалками в апаратах з великим відношенням висоти до діаметра застосовують багаторядні дволопатеві мішалки з установкою на валу декількох рядів мішалок, повернутих одна відносно одної на 90°. Відстань між окремими рядами вибирають в межах (0,3-0,8d), де d – діаметр мішалки, в залежності від в’язкості перемішуючого середовища.

Для перемішування рідин в’язкостістю не більше 10⁴ мн×сек/м², а також для перемішування в апаратах, обігріваючих за допомогою сорочки чи внутрішніх змієвиків, у тих випадках, коли можливе випадання опадів або забруднення теплопередаючої поверхні, застосовують якірні (рис. 6-5) чи рамні (рис. 6-6) мішалки. Вони мають форму, відповідну внутрішній формі апарата, і діаметр, близький до внутрішнього діаметра апарата чи змієвика. Під час обертання ці мішалки очищають стінки і дно апарата від налипаючих забруднень.

Рис. 6-5. Якірна Мішалка

Рис. 6-6. Рамна Мішалка

Рис. 6-7. Листова мішалка

 

Листові мішалки (рис. 6-7) мають лопаті більшої ширини, ніж у лопатевих мішалок, і відносяться до мішалок, забезпечуючих тангенціальну течію перемішуючого середовища. Окрім чисто тангенціального потоку, який є переважаючим, верхні і нижні кромки мішалки створюють вихрові потоки, подібні тим, які виникають під час обтікання рідиною площини пластини з гострими краями. При великих швидкостях обертання листової мішалки на тангенціальний потік накладається радіальна течія, викликана відцентровими силами.

Листові мішалки застосовують для перемішування малов’язких рідин (в’язкістю менше 50 мн×сек/м²), інтенсифікації процесів теплообміну, під час проведення хімічних реакцій в об’ємі і розчиненні. Для процесів розчинення застосовують листові мішалки з отворами в лопатях. Під час обертання такої мішалки на виході з отворів утворюються струмені, сприяючі розчиненню твердих матеріалів.

Основні розміри лопатевих мішалок змінюються в залежності від в’язкості середовища. Зазвичай для лопатевих мішалок застосовують такі співвідношення розмірів: діаметр мішалки d=(0,66-0,9)D, де D – внутрішній діаметр апарата, ширина лопаті мішалки b=(0,1-0,2)D, висота рівня рідини в ємкості H=(0,8-1,3)D, відстань від мішалки до дна ємкості h£0,3D. Для листових мішалок d=(0,3-0,5)D, b=(0,5-1,0)D, h=(0,2-0,5)D.

Окружна швидкість власне лопатевих і листових мішалок у залежності від в’язкості перемішуючого середовища може змінюватись в широких межах (від 0,5-5,0 сек-1), причому зі збільшенням в’язкості і ширини лопаті швидкість обертання мішалки зменшується.

При високих швидкостях обертання лопатевих мішалок у апараті встановлюють відбивні перегородки. Листові мішалки, як правило, без відбивних перегородок не застосовують.

Пропелерні мішалки. Робочою рідиною пропелерної мішалки є пропелер (рис. 6-8) – пристрій з декількома фасонними лопатями, вигнутими за профілем гребного гвинта. Найбільше розповсюдження отримали трьохлопатеві пропелери. На валу мішалки, який може бути розміщений вертикально, горизонтально чи під нахилом, у залежності від висоти шару рідини встановлюють один або декілька пропелерів.

Рис. 6-8. Пропелерна мішалка

 

Внаслідок більш обтікаючої форми пропелерні мішалки при однаковому числі Рейнольдса споживають мешу потужність, ніж мішалки інших типів. Перехід у автомодельну область для них спостерігається при відносно низьких значеннях критерія Рейнольдса (Re_м»10⁴). До переваг пропелерних мішалок необхідно віднести також відносно високу швидкість обертання і можливість безпосереднього приєднання до електродвигуна, що приводить до зменшення механічних втрат.

Пропелерні мішалки створюють переважно осьові потоки перемішуючого середовища і, як наслідок цього, - великий насосний ефект, що дозволяє суттєво скоротити тривалість перемішування. Разом із тим пропелерні мішалки відрізняються складністю конструкції і порівняно високою вартістю виготовлення. Їх ефективність дуже залежить від форми апарата і розміщення в ньому мішалки. Пропелерні мішалки потрібно застосовувати в циліндричних апаратах із випуклими днищами. Під час встановлення їх в прямокутних баках із плоскими чи вигнутими днищами інтенсивність перемішування падає внаслідок утворення застійних зон.

Для покращення перемішування великих об’ємів рідин і організації направленої течії рідини (при великому відношенні висоти до діаметра апарата) в ємкостях встановлюють направляючий апарат, або дифузор (рис. 6-9). Дифузор являє собою короткий циліндричний чи конічний стакан, всередині якого встановлюють мішалку. При великих швидкостях обертання мішалки при відсутності дифузора в апараті встановлюють відбивні перегородки.

Рис. 6-9. Пропелерна мішалка з дифузором: 1 – корпус апарата, 2 – вал,

3 – пропелер, 4 - дифузор

 

Пропелерні мішалки застосовують для перемішування рідин в’язкістю не більше 2×10³ мн×сек/м², для розчинення, утворення зважок, швидкого перемішування, проведення хімічних реакцій в рідкому середовищі, утворення малов’язких емульсій і гомогенізації великих об’ємів рідини.

Для пропелерних мішалок застосовують такі співвідношення розмірів: діаметр мішалки d=(0,2-0,5)D, крок гвинта s=(1,0-3,0)D, відстань від мішалки до дна ємкості h=(0,5-1,0)d, висота рівня рідини в ємкості H=(0,8-1,2)D. Кількість обертів пропелерних мішалок досягає 40 у секунду, окружна швидкість – 15 м/сек.

Турбінні мішалки. Ці мішалки мають форму колес водяних турбін із плоскими, нахиловими чи криволінійними лопатками, закріпленими, як правило, на вертикальному валу (рис. 6-10). В апаратах з турбінними мішалками створюються переважно радіальні потоки рідини. Під час роботи турбінних мішалок із великою кількістю обертів поряд із радіальним потоком можливе виникнення тангенціальної (колової) течії в апараті і утворення воронки. У цьому випадку в апараті встановлюють відбивні перегородки. Закриті турбінні мішалки (рис. 6-10, г) на відміну від відкритих (рис. 6-10, а, б, в) створюють більш чітко виражений радіальний потік. Закриті мішалки мають два диски з отворами в центрі для проходу рідини; диски зверху і знизу приварюються до плоских лопатей. Рідина надходить в мішалку паралельно осі вала, викидається мішалкою в радіальному напрямі і досягає найбільш віддалених точок апарата. Турбінні мішалки забезпечують інтенсивне перемішування у всьому об’ємі апарата.

Рис. 6-10. Турбінні мішалки: а – відкрита з прямими лопатками; б – відкрита з криволінійними лопатками; в – відкрита з нахиловими лопатками; г – закрита з направляючим апаратом; 1 – турбінна мішалка, 2 – направляючий апарат

 

При великих значеннях відношення висоти до діаметра апарата застосовують багаторядні турбінні мішалки.

Потужність, споживаюча турбінними мішалками, працюючими в апаратах із відбивними перегородками, при турбулентному режимі перемішування практично не залежить від в’язкості середовища. Тому мішалки цього типу можуть застосовуватись для сумішей, в’язкість яких під час перемішування змінюється.

Турбінні мішалки широко застосовують для утворення зважок (розмір частинок для закритих мішалок може досягати 25 мм), розчинення, під час проведення хімічних реакцій, абсорбції газів і інтенсифікації теплообміну. Для перемішування в великих об’ємах (наприклад, під час гомогенізації рідин у сховищах, об’єм яких досягає 2500м³ і більше) турбінні мішалки менш придатні, ніж пропелерні мішалки чи сопла.

У залежності від сфери застосування турбінні мішалки зазвичай мають діаметр d=(0,15-0,65)D при відношенні висоти рівня рідини до діаметра апарата не більше двох. При більших значеннях цього відношення застосовують багаторядні мішалки. Кількість обертів мішалки коливається в межах 2-5 в секунду, а окружна швидкість становить 3-8 м/сек.

Спеціальні мішалки. До цієї групи відносяться мішалки, які мають більш обмежене застосування, ніж мішалки розглянутих вище типів. Деякі з мішалок описаних вище конструкцій отримують останні часом все більш широке застосування.

Барабанні мішалки (рис. 7-11) складаються з двох циліндричних кілець, з’єднаних між собою вертикальними лопатями прямокутного січення. Висота мішалки становить 1,5-1,6 її діаметра. Мішалки цієї конструкції створюють значний осьовий потік і застосовують (при відношенні висоти стовпа рідини в апараті до діаметра барабана не менше 10) для проведення газо-рідинних реакцій, отримання емульсій і взмучуванія осадів.

Рис. 6-11. Барабанна мішалка

Рис. 6-12. Дискова мішалка

 

Дискові мішалки (рис. 6-12) являють собою один або декілька гладких дисків, що обертаються із великою швидкістю на вертикальному валу. Рух рідини в апараті відбувається в тангенціальному напрямку за рахунок тертя рідини в диск, причому стискаючі диски створюють також осьовий потік. Деколи краї диска роблять зубчатими. Діаметр диска становить 0,1-0,15 діаметра апарата. Окружна швидкість дорівнює 5-35 м/сек., що при невеликих розмірах диска відповідає дуже високим обертам. Споживання енергії коливається від 0,5 кВт для малов’язких середовищ до 20 кВт для в’язких сумішей. Дискові мішалки застосовують для перемішування рідин в об’ємах до 4 м³.

Вібраційні мішалки мають вал із закріпленими на ньому одним або декількома перфорованими дисками (рис. 6-13). Диски здійснюють зворотнопоступальний рух, при якому досягається інтенсивне перемішування вмісту апарата. Енергія, яка споживається мішалками цього типу, невелика. Вони застосовуються для перемішування рідких сумішей і суспензій переважно в апаратах, працюючих під тиском. Час, необхідний для розчинення, гомогенізації, диспергування під час застосування вібраційних мішалок, значно скорочується. Поверхня рідини під час перемішування цими мішалками залишається спокійною, воронки не утворюються. Вібраційні мішалки виготовляють діаметром до 300 мм і застосовують в апаратах об’ємом не більше 3 м³.

Рис. 6-13. Конструкція дисків вібраційних мішалок