Перемешивание в жидкой среде

Лекция 15

 ПЕРЕМЕШИВАНИЕ

Перемешиванием называется процесс непрерывного обновления поверхностей взаимного соприкосновения материальных частиц.

В зависимости от агрегатного состояния и физических свойств фаз, участвующих в процессе перемешивания, различают:

– перемешивание в жидкой среде;

– перемешивание сыпучих тел;

– перемешивание пластических (пастообразных) тел;

– перемешивание газов (паров) и жидкостей.

Перемешивание сыпучих и пластических тел иногда называют смешением.

Цели процесса перемешивания:

– получение однородных гомогенных или гетерогенных систем – растворов, суспензий, эмульсий;

– интенсификация тепло- и массообменных процессов в гомогенных и гетерогенных системах;

– интенсификация химических реакций.

Процесс перемешивания характеризуется интенсивностью
и эффективностью, а также расходом энергии на его проведение.

Интенсивность перемешивания.Интенсивность перемешивания определяется количеством энергии, подводимой к единице объема (массы) перемешиваемой среды за единицу времени. Интенсивность перемешивания обусловлена характером движения среды в аппарате. Повышение интенсивности перемешивания всегда связано с увеличением энергозатрат, а технологический эффект от перемешивания имеет определенные пределы. Поэтому интенсивность перемешивания следует определять исходя из условий достижения максимального технологического эффекта при минимальных энергозатратах.

Эффективность перемешивания – это технологический эффект процесса перемешивания, характеризующий качество проведения процесса. В зависимости от назначения перемешивания эту характеристику выражают различным образом. При использовании перемешивания для интенсификации тепло-, массообменных и химических процессов его эффективность можно выражать соотношением кинетических коэффициентов при перемешивании и без него.
При получении однородных гомогенных и гетерогенных систем эффективность характеризуется равномерностью распределения (степени однородности) фаз в этих системах. Перемешивание резко увеличивает коэффициент тепло- и массоотдачи дисперсионной среды.

Оценим степень однородности системы. Пусть степень однородности системы характеризуется некоторым параметром x (например, температура или концентрация). При достижении полностью однородной массы этот параметр во всех точках объема был бы одинаковым, равным .
В действительности пробы, взятые в разных точках объема, могут иметь различные значения . Тогда в качестве характеристики неоднородности можно принять относительное значение среднеквадратичного отношения параметра x от  в пределах взятых проб.

                          (5.1)

Для вполне однородной массы .

В промышленности наибольшее распространение получил процесс перемешивания в жидкой среде.

Перемешивание в жидкой среде

Технологическое назначение перемешивания в жидкой среде разнообразно. Оно применяется для проведения с целью гомогенизации гидромеханических процессов (эмульгирование, суспендирование, диспергирование), массообменных (кристаллизация, растворение, экстракция, электролиз, абсорбция), теплообменных (выпаривание, нагревание, охлаждение) и химических процессов (гомогенные
и гетерогенные реакции).

Перемешивание в жидкой среде осуществляется тремя способами: механическим, пневматическим и гидравлическим.

Механическое перемешивание

Механическое перемешивание в жидкой среде осуществляется
с помощью мешалок различного типа (рис. 5.1). Мешалки состоят из комбинации лопастей, насаженных на вращающийся вал. Лопасти мешалок имеют разнообразную геометрическую форму и в зависимости от формы вращаются с разной угловой скоростью.

По скорости вращения мешалки условно разделяют на две группы:

– тихоходные (лопастные, якорные), у которых окружная скорость концов лопастей порядка 1 м/с.

– быстроходные (пропеллерные, турбинные), у которых окружная скорость порядка 10 м/с.

           а)                б)                 в)                     г)

Рис. 5.1. Схемы мешалок: а – лопастная; б – якорная;
в – пропеллерная; г – турбинная

Чтобы избежать вращения жидкости в аппарате вместе с лопастями мешалки, на внутренней поверхности мешалок устанавливают отражатели.

Простые лопастные мешалки применяются для перемешивания жидкостей малой вязкости. Для более вязких жидкостей рекомендуется использовать рамные, листовые мешалки. Якорные мешалки рекомендуется использовать для циркуляционного перемешивания суспензий.

Пропеллерные мешалки создают циркуляцию жидкости в осевом направлении. Они применяются для перемешивания мало- и средневязких жидкостей.

В турбинных мешалках жидкость с двух сторон вдоль оси всасывается в турбину и выбрасывается по радиусу вращения, образуя интенсивную циркуляцию. Турбинные мешалки применяются для перемешивания любых жидкостей и суспензий.

Движение жидкости в аппарате с мешалкой.При работе мешалок возникает сложное трехмерное движение жидкости: тангенциальное, радиальное и аксиальное. Тангенциальное движение является основным, первичным.

Под действием центробежной силы жидкость стекает с лопасти
в радиальном направлении. Дойдя до стенки аппарата, этот поток делится на два: один движется вверх, другой – вниз. За счет радиального течения жидкости в центральной части аппарата возникает зона пониженного давления. Туда, в центральную часть аппарата, устремляются потоки
от дна и свободной поверхности. Таким образом, возникает аксиальное течение жидкости, возникает устойчивая циркуляция жидкости во всем объеме аппарата. Циркуляционные потоки характеризуются скоростью вращения мешалок. Существенное влияние на них оказывает вязкость перемешиваемых жидкостей. С ростом вязкости циркуляционные потоки замедляются, что снижает эффективность процесса перемешивания.

Определим модифицированное число Рейнольдса для описания процесса перемешивания. Вместо линейной скорости жидкости, среднюю величину которой при перемешивании установить практически невозможно, возьмем nd, пропорциональную тангенциальной (окружной) скорости мешалок:

                                        (5.2)

где n – число оборотов мешалки, d – диаметр мешалки.

В качестве определяющего линейного размера возьмем диаметр мешалки d. Тогда получим:

.                                      (5.3)

При ламинарном движении жидкости  в аппаратах
с мешалкой возникает слаборазвитое трехмерное течение со свободной циркуляцией.

В переходной области  формируется вынужденная циркуляция, а при развитом турбулентном течении  вынужденная циркуляция обеспечивает интенсивное трехмерное течение всей массы жидкости в аппарате.

При работе мешалок на поверхности жидкости возникает воронка, глубина которой пропорциональна окружной скорости мешалки. Воронки снижают эффективность их работы. Для предотвращения образования воронки у стенок аппарата устанавливают радиальные отражательные перегородки.