Аппараты для перемешивания жидких сред

Перемешивание в жидких средах применяется в химической промышленности для приготовления суспензий, эмульсий и получения гомогенных систем (растворов), а также для интенсификации химических, тепловых и диффузионных процессов. В последнем случае перемешивание осуществляют непосредственно в предназначенных для проведения этих процессов аппаратах, снабженных перемешивающими устройствами.

Цель перемешивания определяется назначением процесса. При приготовлении эмульсий для интенсивного дробления дисперсной фазы необходимо создавать в перемешиваемой среде значительные срезающие усилия, зависящие от величины градиента скорости. В тех зонах, где градиент скорости жидкости имеет большое значение, происходит наиболее интенсивное дробление диспергируемой фазы.

В случае гомогенизации, приготовления суспензий, нагревания или охлаждения перемешиваемой гомогенной среды целью перемешивания является снижение концентрационных или температурных градиентов в объеме аппарата.

При использовании перемешивания для интенсификации химических, тепловых и диффузионных процессов в гетерогенных системах создаются лучшие условия для подвода вещества в зону реакции, к границе раздела фаз или к поверхности теплообмена.

Увеличение степени турбулентности системы, достигаемое при перемешивании, приводит к уменьшению толщины пограничного слоя, увеличению и непрерывному обновлению поверхности взаимодействующих фаз. Это вызывает существенное ускорение процессов тепло – массообмена.

Способы перемешивания и выбор аппаратуры для его проведения определяются целью перемешивания и агрегатным состоянием перемешиваемых материалов. Широкое распространение в химической промышленности получили процессы перемешивания в жидких средах.

Независимо от того, какая среда смешивается с жидкостью – газ, жидкость или твердое сыпучее вещество, – различают следующие способы перемешивания в жидких средах:

• механическое перемешивание с использованием мешалок различного типа;
• циркуляционное перемешивание:

1. перемешивание струей жидкости, вытекающей из сопла;
2. перемешивание жидкости струей газа;
3. пульсационное перемешивание;

• перемешивание на основе звуковых и ультразвуковых колебаний;
• перемешивание за счет подвода энергии вибрации;
• перемешивание с помощью магнитного поля;
• перемешивание в статических смесителях за счет установки различных винтовых элементов в трубопроводе;
• электрогидравлическое перемешивание.

Конструкции механических мешалок

Механическое перемешивающее устройство состоит из вала, к которому крепится мешалка, и привода. Мешалки делятся на две группы:

• тихоходные – лопастные, рамные, якорные. Они имеют относительно большие размеры и малую скорость вращения (обычно не более 80 );
• быстроходные – пропеллерные и турбинные.

Лопастная мешалка

Лопастная мешалка (рисунок 1) имеет две горизонтальные лопасти, укрепленных на вращающемся валу. В случае необходимости сообщения частичного вертикального перемещения лопасти делают наклонными (обычно угол наклона α=45 0 ). Для диаметра мешалки d_м принимают d_м=(0,5…0,7)·D, где D –диаметр аппарата. Окружную скорости на конце лопасти мешалки выбирают в зависимости от вязкости перемешиваемой среды в диапазоне от 1 до 3 м/сек.

Лопастные мешалки применяют для смешивания жидкостей, растворенных твердых тел, получения суспензий и т. д. При большой высоте аппарата L>>D на валу устанавливают мешалки в два, три яруса и более.

Рисунок 1 – Простые лопастные мешалки

Рамные мешалки

Рамные мешалки являются комбинацией простых лопастных мешалок с вертикальными и наклонными планками и применяются в случае больших объемов перемешиваемых вязких материалов. Окружные скорости вращения на концах лопастей для отношения d_м/D такие же, как для лопастных мешалок.

Якорные мешалки

Якорные мешалки получили широкое распространение в промышленности. Их контур соответствует форме сосуда, в котором они расположены (рисунок 2,а и 2,б). Обычно выдерживают соотношение d_м = (0,7…0,9)D, но на практике оно может быть и большим. Скорость вращения до 90 об/мин.

Якорные мешалки используют для перемешивания очень вязких жидкостей, особенно если процесс сопровождается нагревом среды через стенки аппарата. Из-за небольшого зазора между краями мешалки и стенки аппарата около последних возникает сильное турбулентное течение, препятствующее перегреванию жидкости и образованию на стенках осадков. При высокой вязкости жидкости мешалка снабжается добавочными горизонтальными и вертикальными лопастями (рисунок 2, б). В соответствии с формой днища различают круглые, эллиптические, треугольные и другие якорные мешалки.

Пропеллерные мешалки

Пропеллерные мешалки имеют три или четыре лопасти, расположенные винтообразно. По форме лопасти могут быть овальные, расширяющиеся и с параллельными кромками (рисунок 3). Пропеллерные мешалки создают интенсивные вертикальные потоки жидкости и, как следствие этого, большой насосный эффект, что позволяет существенно сократить продолжительность процесса, особенно в случае перемешивания расслаиваемых жидкостей.

Рисунок 3 – Пропеллерная мешалка

Диаметр мешалки выбирают в диапазоне d_м=(0,25…0,33)D. Окружная скорость этих мешалок 15 м/сек (2400 об/мин). Они применяются для перемешивания жидкостей вязкостью до 2Па·с .

Для организации направленного течения жидкости в аппаратах, где Н>>D , пропеллерную мешалку устанавливают в диффузор (рисунок 4), который представляет собой короткий цилиндрический или конический стакан.

Рисунок 4 – Пропеллерная мешалка с диффузором

Пропеллерные мешалки применяют для перемешивания жидкостей, растворения, образования взвесей, проведения химических реакций в жидкой среде, образования маловязких эмульсий и гомогенизации больших объемов жидкости.

Турбинные мешалки

Турбинные мешалки охватывают большую группу весьма разнородных конструкций. Диаметр мешалок выбирают в диапазоне d_м=(0,25…0,5)D в зависимости от размеров аппарата, причем большие значения берутся для более вязких жидкостей (до 500 Па·с ).

Открытые турбинные мешалки с плоскими лопастями (рисунок 5) представляют собой диск с укрепленными на ней плоскими лопатками (6-8 штук), расположенными радиально, на котором крепят шесть радиальных лопостей, d₂=0,75d_м, длина лопасти l=0,25d_м. Мешалки этого типа применяют для быстрого суспензирования, растворения твердой фазы, а также диспергирования. Окружная скорость вращения до 7м/с.

Рисунок 5 – Открытая турбинная мешалка

Закрытые турбинные мешалки, работающие по принципу центробежного насоса, состоят из втулки со спицами или двух кольцевых пластин, между которыми расположено от 3 до 12 лопаток (рисунок 6). При вращении мешалки жидкость засасывается в пространство между спицами и лопатками и с силой выбрасывается наружу. Эти мешалки применяют для тех же целей, что и открытые. Диаметр турбинки d_м = (0,25…0,33)D, окружная скорость до 7м/с .

Планетарные мешалки

Планетарные мешалки (рисунок 7) применяются для перемешивания особо вязких продуктов. Она состоит из вала 1, проходящего через неподвижное зубчатое колесо 2. На валу 1 укреплено водило 3, ведущий вал 4, а на последнем зубчатое колесо 5, сцепляющееся с неподвижным колесом 2 и лопасти мешалки 6. При вращении вала 1 водило 3 увлекает за собой вал 4 и колесо 5, которое катится по колесу 2, заставляя при этом вращаться лопасти мешалки 6 одновременно как вокруг оси вала 4, так и вокруг вала 1. Каждая точка лопасти описывает при этом сложную кривую, форма которой зависит от положения точки на лопасти. Так как скорость точки всегда направлена по касательной к траектории, то направление скорости точек непрерывно меняется. В планетарных мешалках возникает довольно интенсивное движение жидкости.

Наряду с традиционными мешалками известное распространение в промышленности получили перемешивающие устройства специального. В качестве примера рассмотрим самовсасывающие мешалки и статические смесители.

Рисунок 7 – Схема планетарной мешалки

Аппарат с перемешивающими дисками

Если жидкость имеет вязкость более 10 Па·с, то гидродинамическая обстановка в аппарате иная, так как при этих условиях трудно создать сильную турбулизацию. В случае, когда вязкость равна 30 – 40 Па·с перемешиваемый объем жидкости вообще ограничивается областью, сметаемой телом мешалки. Поэтому при обработке высоковязких жидкостей (μ > 10Па·с) необходимо использовать особые конструкции мешалок.

Для данной цели наиболее подходит аппарат с перемешивающими дисками (рисунок 8) работает следующим образом. Диск 3 приводится во вращение с помощью полого вала. В валу есть два канала, предназначенные для подвода и отвода хладагента. Диску 3а передается вращение через шланги 6. Для интенсификации процесса теплообмена предусмотрены скребковые устройства 9. Зазор между диском и скребками составляет примерно 0,4 мм.

1 – корпус аппарата; 2 – охлаждающая рубашка; 3, 3а – вращающиеся теплообменные диски; 4,10,11 – штуцера для отвода и подвода хладагентов; 5а,5 – штуцера для подвода реагентов и отвода готового продукта; 6 – шланга для передачи вращения; 7 – вход хладагента; 8 – выход хладагента; 9 – скребок.
Рисунок 8 – Аппарат с вращающимися дисками

Циркуляционное перемешивание жидкостей

Перемешивание жидкофазных систем струёй жидкости вытекающей из сопла

При истечении из сопла струя жидкости принимает форму конуса, расширяющегося по мере удаления от устья сопла. Это объясняется следующими причинами:

1. Поток, вытекающий из сопла вытесняет объем жидкости, находящийся перед соплом.
2. Струя вытекающей жидкости приводит в движение (параллельное струе) близлежащие слои, за счет передачи части своей энергии окружающей среде. Передача количества движения обуславливается тангенциальным напряжением между движущимся и неподвижным слоями жидкости, а также турбулентным проникновением частиц жидкости из струи в окружающую среду. При этом произведение массы и скорости движущейся жидкости остается постоянным (без учета потерь от внутреннего трения).

Каждый пришедший в движение слой, окружающий струю жидкости, приводит на своем пути в движение соседние слои. Поэтому по мере удаления от сопла струя жидкости имеет все большее сечение и меньшую скорость. В любом сечении, нормальном к направлению струи, её скорость уменьшается по мере удаления от оси.

1. После того, как близлежащие слои жидкости захватываются струёй и приводятся в движение, в пространстве, которое они до этого занимали, создается разрежение. Это приводит к подсасыванию соседних (неподвижных) слоев жидкости, которые тем самым также приводятся в движение. Такой цикл повторяется непрерывно.

Перемешивание жидкостей газом

При циркуляционном пневматическом перемешивании жидкостей (рисунок 9) в аппарате устанавливается центральная направляющая труба, которая ограничивает подсос жидкости из окружающего объема. Газ проникает в жидкость в виде пузырьков.

Рисунок 9 – Схема циркуляционного пневматического перемешивания

При подъеме пузырьков окружающая их жидкость под действием тангенциального напряжения приводится в движение в направлении поверхности жидкости. За поднимающимися пузырьками образуется разрежение, обуславливающее подсасывание жидкости из окружающего пространства. На пузырек действует гидростатическое давление столба жидкости над ним. По мере движения пузырька величина этого давления непрерывно уменьшается и соответственно возрастает диаметр пузырька. При этом интенсивность перемешивания также увеличивается, потому что при расширении пузырьков постепенно освобождается энергия, которая вызывает течение жидкости. Это является принципиальным отличием пневматического перемешивания от перемешивания погруженным соплом. После выхода газа на поверхность жидкость, вынесенная газом, оттекает к стенкам аппарата и опускается на дно, где снова подсасывается в направляющую трубу.

Импеллерная мешалка

Импеллерная мешалка применяется для обеспечения хорошего контакта газа с жидкостью при одновременном интенсивном перемешивании (рисунок 10). Вал мешалки помещен внутри трубы 1, по которой подается воздух под небольшим избыточным давлением (в некоторых конструкциях воздух всасывается при вращении мешалки). На мешалке имеется ряд лопастей, а на конце трубы установлен статор с лопастями 2. Наличие двух рядов лопастей, подвижного 2 и неподвижного 3 обеспечивает хорошее перемешивание жидкости и газа.

1 – центральная труба; 2 – лопасти статора; 3 – лопасти мешалки (ротора).
Рисунок 10 – Импеллерная мешалка

Пульсационное перемешивание

Оно заключается в перемешивании обрабатываемой среды пульсирующими струями.

По своей конструкции пульсирующие устройства просты и удобны. Возвратно – поступательное движение жидкостей в них осуществляется с помощью пульсатора (обычно бесклапанного поршневого насоса), который присоединяется одним из двух способов:

1. К днищу аппарата (рисунок 11, а);
2. К линии подачи легкой жидкости (рисунок 11, б).

Рисунок 11 – Пульсационные аппараты

Для предохранения механизма пульсатора от воздействия обрабатываемых жидкостей применяют мембрану, сильфон или пневматическое устройство, в котором между пульсатором и средой находится буферный слой воздуха. Расширение или сжатие этого слоя воздуха вызывает колебания жидкости в аппарате.

Следовательно, интенсификация процессов, проводимых в пульсационных аппаратах, достигается наложением низкочастотных колебаний на реагенты с возможным дополнением колебательного движения жидкости струйным.

В рабочей зоне пульсационного аппарата отсутствуют движущиеся части, а источник энергии – пульсатор вынесен из аппарата. Преобразователи колебательного движения жидкости в другие его виды неподвижны и являются неотъемлемой частью аппарата.

Перемешивающие устройства на основе звуковых и ультразвуковых колебаний

Для генерирования звуковых и ультразвуковых колебаний среды в основном применяются пьезоэлектрические, магнитострикционные, аэро- и гидродинамические излучатели, отличающиеся друг от друга принципом действия и спектром излучаемых частот. Первые два вида излучателей, как правило, работают в узком ультразвуковом диапазоне частот и имеют высокую стоимость. Поэтому их использование в промышленности ограничено.

Гидродинамические излучатели нашли более широкое применение. В излучателях данного типа звуковые колебания генерируются с помощью роторно–пульсационных устройств (РПУ). Основными частями РПУ (рисунок 12) являются: статор и ротор, вращающийся относительно статора.

Рисунок 12 – Роторно – пульсационное устройство

Конструктивно они выполнены в виде набора коаксиально расположенных цилиндров, в стенках которых имеются прорези (щели). Прорези ротора перекрываются промежутками между щелями статора. Обрабатываемые жидкости при вращении РПУ поступают внутрь полости ротора, так как в центральной его части образуется зона разрежения. Затем, под влиянием центробежной силы, они проходят через прорези ротора и ударяются о промежутки между щелями статора, происходит гидравлический удар. Поэтому поток жидкости в полости ротора и камере аппарата имеет пульсирующий характер. В аппарате с РПУ сочетается принцип работы дисмембраторов, дезинтеграторов, центробежных насосов и коллоидных мельниц. Простота конструкции, надежность работы и невысокая стоимость таких аппаратов является их несомненным преимуществом перед другими. РПУ имеет широкий диапазон генерируемых частот, возможность плавной их регулировки путем изменения скорости вращения ротора. К недостаткам РПУ можно отнести невысокую частоту излучения упругих колебаний, что является одной из причин небольшого акустического к.п.д.

Перемешивание за счет подвода энергии вибрации

Перемешивание за счет подвода энергии вибрации осуществляется мешалками, совершающими периодическое возвратно – поступательное движение. В течение одной секунды положение мешалки в аппарате может изменится до 100 раз, амплитуда колебаний – до 20 мм. При этом обеспечивается интенсивное перемешивание жидкости. Известны две конструкции вибрационных мешалок:

• Плоский перфорированный диск, закрепленный на валу, совершающем возвратно – поступательное движение.

Для создания в аппарате, наряду с маломасштабной турбулентностью, также и общего циркуляционного течения в дисках (рисунок 13) имеются отверстия в форме усеченных конусов. Такая форма отверстий позволяет получить направленное течение. Его скорость зависит от угла конусности отверстий, их числа, а также амплитуды и частоты. Например, при амплитуде 2 мм и частоте 50 с -1 скорость выхода струи из отверстий может достигать 2 м/сек.

Рисунок 13 – Устройство дисков вибрационных мешалок

Преимущество этой конструкции, по сравнению с вращающимися мешалками, состоит в том, что в данном случае создается вертикальное знакопеременное движение жидкости, при котором отпадает необходимость в направляющих устройствах.

Кроме того, при вибрационном перемешивании не происходит образование воронки, а время, необходимое для проведения процесса, значительно сокращается. Энергетически эти мешалки очень экономичны, пригодны для проведения процессов эмульгирования и диспергирования. Особенно успешно их применяют в аппаратах, работающих под давлением, так, как вал, движущийся вертикальном направлении, уплотнить гораздо легче, чем вращающийся.

• Пластины, укрепленные на валу, совершающем частично вращательное движение и связанном с вибратором через привод.

Данная конструкция вибрационной мешалки лишена преимуществ вертикального движения и не обеспечивает особых выгод по сравнению с обычными механическими мешалками.

Мешалки, вызывающие последовательное передвижение перемешиваемых веществ вверх и вниз, являются лучшим типом вибрационных мешалок.

Перемешивание с помощью магнитного поля

Суть данного метода заключается в следующем. Сосуд с немагнитными и электронепроводящими стенками помещают в генератор переменного магнитного поля. В качестве генератора можно взять статор любой асинхронной машины, в котором индуцируется вращающееся магнитное поле. Сосуд заполняется веществами, которые необходимо перемешать, и ферромагнитными частицами.

Под действием внешнего магнитного поля на ферромагнитные частицы прикладывается сила и вращающий момент. Кроме того, в ферромагнитных частицах наводятся вихревые токи, которые образуют свое магнитное поле, также взаимодействующее с внешним магнитным полем. В результате этих взаимодействии частички начинают быстро двигаться и одновременно вращаются вокруг своей оси. Соударяясь между собой они перемещаются по сложным траекториям, образуя местные “вихри”.

Вследствие этого движения, среда, в которой находятся ферромагнитные частички, тщательно перемешивается в течение короткого промежутка времени.

Достоинства смесителей, в которых перемешивание производится магнитным полем:

1. Быстрота процесса.
2. Большая однородность смеси.
3. Простота конструкции.
4. 4.Возможность абсолютной герметизации объема, в котором производится перемешивание.
5. Малые габариты.
6. Высокий к.п.д.
7. Возможность производить непрерывный процесс смешения.

Перемешивание в статических смесителях

Перемешивание в статических смесителях основными элементами которых являются небольшие металлические спиральные ленты («винтовые элементы»). Их изготавливают путем скручивания плоской пластины на некоторый угол вдоль оси. Собранные элементы вставляют в цилиндрическую трубу (корпус смесителя) таким образом, чтобы лево- и правоизогнутые спирали чередовались по всей длине, а зазор между стенкой и боковыми гранями спирали отсутствовал (рисунок 14).

Рисунок 14 – Статический смеситель

Для осуществления процесса гомогенизации смешиваемые компоненты достаточно один раз пропустить через трубу с винтовыми элементами. Нужная степень гомогенизации смеси регулируется числом элементов. Статические смесители успешно используются в непрерывных линиях производства мармелада, безалкогольных напитков, пива.