Глава XIX

Перемешивание

1. СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА И ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ

Процесс перемешивания применяют для получения однород­ных или гетерогенных смесей: растворов, зяульсий, суспензий. При перемешивании достигается равномернее распределение фаз во всем объеме и их тесное взаимодействие. 8 результате переме­шивания получают смесь, которую используют в качестве конеч­ного продукта или реагента для других ста^й технологического процесса. При перемешивании могут протекагь другие процессы: теплообменные, массообменные, химические, которые интенси­фицируются при осуществлении этого процесса.

В зависимости от целевого назначения процесса перемешивания его эффективность определяется по разному. Гак, если перемеши­вание используют для проведения химической реакции, то оце­нивают влияние перемешивания на выход и избирательность проводимого процесса. При приготовлении эмульсий имеет зна­чение достигаемая однородность и стабильность эмульсии. В тепло- обменных процессах имеет значение повышение коэффициента теплопередачи и т. п.

Для проведения процесса перемешивания используют следую­щие основные способы: 1) механический, при котором перемеши­вание осуществляют различными вращающимися устройствами; 2) барботажный, осуществляемый пропусканием газа через слой жидкости; 3) гидравлический, осуществляемый смешением пото­ков при их совместном движении в канале иля при перекачивании перемешиваемых сред насосом. Используемые для процесса пере­мешивания аппараты называют смесителями.

2. МЕХАНИЧЕСКОЕ ПЕРЕМЕШИВАНИЕ

При механическом перемешивании интенсивное движение сред в аппарате осуществляется специальным усгройством, получаю­щим вращательное или более сложное движение от внешнего при­вода.

Механические смесители можно разделить на лопастные, про­пеллерные и турбинные. .

аппарата, что обеспечивает высокую турбулентность потока вблизи стенок аппарата.

Для интенсивного перемешивания во всем объеме, обеспечивае­мого внутренней рециркуляцией жидкости, применяют пропел­лерные мешалки (рис. XIX-5). Смесительное устройство этого типа выполнено в виде винта с двумя или большим числом лопастей. Для упорядочения циркуляции жидкости в корпусе аппарата про­

Рис. XIX-3. Рамная мешалка.

Рис. XIX-4. Якорная мешалка.

Рис. XIX-5. Пропеллерная мешалка / — пропеллер; 2 — направляющая труба.

Расход энергии на перемешивание. При вращении мешалки затрачивается энергия на преодоление сопротивления движению ^ лопастей в жидкости. Окружные скорости перемещения w_r различных участков лопасти, определяющие величину силы со­противления, будут разными. Для расчета мощности, затрачивае­мой на вращение лопаток, рассмотрим элементарный участок ло­патки высотой h и шириной dr (рис. XIX-7). Мощность, затрачи­ваемая на перемещение элементарного участка лопасти, будет равна

dN = w_r dP (XIX,1)

где dP — сила сопротивления, приложенная к данному участку лопасти.

Согласно закону Ньютона, сила сопротивления среды движу­щемуся в ней телу равна

dP = l^-df (XIX,2)

где" £ — коэффициент сопротивления; £ = / (Re); df=hdr= Kd_Mdr — элемен­тарная площадь лопатки, м²; р — плотность среды.

Линейная скорость для рассматриваемого участка лопатки равна

w_r = cor = 2лгп (XIX,3)

где п — число оборотов мешалки в секунду; со — угловая скорость.

Из уравнений (XIX, 1)—(XIX, 3) получим

dN = apn³d_Mr*dr

где а — коэффициент.

Проинтегрировав это выражение в пределах от 0 до dJ2, получим

N =K_Npn4l (XIX,4)

Отсюда приходим к выражению для Kn> получившему наименова­ние критерия мощности

K_N=N/pn4l (XIX,5)

Величина критерия мощности Kn> ^как это следует из вывода основного уравнения, зависит от физических свойств жидкости (главным образом, от вязкости и плотности), скорости вращения мешалки и размеров аппарата. Зависимость Км ^от определяющих факторов можно представить в следующем виде:

'Ц* ц

(XIX,6)

где Re_u = рЫм/|Д. — модифицированное число Рейнольдса; Fr = n²djg — мо­дифицированное число Фруда.

Коэффициент А и показатели степени а и Ъ определяются экс­периментально для данного типа мешалок. Если воронка отсут­ствует или мала (силой тяжести можно пренебречь), то число

Рис. XIX-6. Турбинная мешалка: / — колесо; 2 — направляющий аппарат.

Рис. XIX-7. К расчету мощности на перемешивание жидкости.

сЬ/2

r=d/2

dr

Фруда можно исключить из уравнения (XIX, 6). С увеличением числа Re₄ величина Kn убывает, стремясь к постоянной вели­чине около 0,005.

3. БАРБОТАЖНОЕ ПЕРЕМЕШИВАНИЕ

Этот способ перемешивания применяют для маловязких жид­костей. В 'качестве перемешивающего агента используют воздух, водяной пар, азот и другие газы. При перемешивании этим спо-

собом в нижней части аппарата устанавливают барботер—устрой­ство, обеспечивающее распределение газа (пара) по площади по­перечного сечения аппарата (рис. XIX-8). Обычно в качестве бар- ботера используют перфорированные трубы. Выходное сечение отверстий для выхода газа должно быть меньше сечения коллек­тора в несколько десятков раз, чтобы обеспечить достаточное со­противление на выходе газа в жидкость и его более равномерное распределение по отдельным отверстиям. Желательно упорядо­чить движение жидкости, создавая восходящий поток в централь­ной части аппарата и нисходящий (опускной) поток у стенок ап­парата. Для этого в центре аппарата необходимо установить спе­циальную подъемную трубу.

Необходимое давление газа на входе в барботер р определяют по формуле

Р - Ро + Рж§Н + ^ Е "нг¹ (^Х1Х>⁷>

где р₀ — давление над слоем жидкости в аппарате; Н — высота слоя жидкости над барботером; £ g — суммарный коэффициент сопротивления барботера; а>ог — скорость газа на выходе из барботера.

Ро

Рис. XIX-8. Схема барботажного смесителя.

Рис. XIX-9. Диафрагмовый смеси- тель.

При использовании того или иного газа в качестве барботи- рующего агента необходимо учитывать возможность образования взрывоопасных смесей, а также взаимодействия перемешиваемого продукта с барботирующим газом.

4. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ СПОСОБ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ

При гидравлическом способе перемешивания используют диа- фрагмовые, инжекторные и циркуляционные смесители.

Диафрагмовые смесители (рис. XIХ-9) представляют собой систему диафрагм, установленных в трубопроводе, по которому

}

t

Рис. XIХ-10. Инжекторный многотруб­ный смеситель.

Рис. XIX-11. Смеситель циркуляцион­ного типа:

1 — циркуляционный насос: 2 — ое- зервуар. *

_жаЮщем сопла пространстве. Сюда подсасывается вторая ^В °^К ость которая интенсивно перемешивается с первой. Ско- ^ЖИДК жидкости в соплах должна быть достаточно большой, чтобы полечить необходимую подачу второй жидкости.

ТТиокуляционное перемешивание (рис. XIX-11) широко при­ют в различных технологических системах. Циркуляционный ^МеНос забирает жидкость из резервуара (аппарата) и возвращает нас- ^ _{тот же сосуд>} Поскольку насос может обеспечить вы-