VI. ПЕРЕМЕШИВАНИЕ В ЖИДКИХ СРЕДАХ

Общие сведения

Перемешивание в жидких средах широко применяется в химической промышленности для приготовления эмульсий, суспензий 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 градиента скорости, В тех зонах аппарата, где градиент скорости жидкости имеет наибольшее 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- и массообмена,

Перемешивание применяют в процессах абсорбции, выпаривания, экстрагирования и других процессах химической технологии.

Способы перемешивания. 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 два основных спо­соба перемешивания в жидких средах: механический (с помощью мешалок различных конструкций) и пневматический (сжатым воздухом или инертным газом). Кроме того, применяют перемешивание в трубопроводах и перемешивание с помощью сопел и насосов.

Смешивание твердых сыпучих материалов является скорее механиче­ским, чем гидродинамическим процессом. Вследствие этого основные закономерности процесса, а также аппаратура, применяемая для сме­шивания, будут рассмотрены позже.

Эффективность и интенсивность перемешивания. Наиболее важными характеристиками перемешивающих устройств, которые могут быть по­ложены в основу их сравнительной оценки, являются: 1) эффективность перемешивающего устройства; 2) интенсивность его действия.

Эффективность перемешивающего устройства характеризует качество проведения процесса перемешивания и может быть выражена по-разному в зависимости от цели перемешивания. Например, в про­цессах получения суспензий эффективность перемешивания характери­зуется степенью равномерности распределения твердой фазы в объеме аппарата; при интенсификации тепловых и диффузионных процессов — отношением коэффициентов тепло- или массоотдачи при перемешивании и без него. Эффективность перемешивания зависит не только от конструк­ции перемешивающего устройства и аппарата, но и от величины энергии, вводимой в перемешиваемую жидкость.

Интенсивность перемешивания определяется временем дости­жения заданного технологического результата или числом оборотов мешалки при фиксированной продолжительности процесса (для механиче­ских мешалок). Чем выше интенсивность перемешивания, тем меньше времени требуется для достижения заданного эффекта перемешивания. Интенсификация процессов перемешивания приводит к уменьшению раз­меров проектируемой аппаратуры и увеличению производительности действующей.

Для экономичного проведения процесса перемешивания желательно, чтобы требуемый эффект перемешивания достигался за наиболее короткое время. При оценке расхода энергии перемешивающим устройством сле­дует учитывать общий расход энергии за время, необходимое для обеспе­чения заданного результата перемешивания.

Механическое перемешивание

Наибольшее распространение в химической промышленности получило перемешивание с введением в перемешиваемую среду механической энер­гии из внешнего источника. Механическое перемешивание осуществляется с помощью мешалок, которым сообщается вращательное движение либо непосредственно от электродвигателя, либо через редуктор или клиноременную передачу. Известны также мешалки с возвратно-поступательным движением, имеющие привод от механического или электромагнитного вибратора.

Процесс перемешивания механическими мешалками сводится к внеш­ней задаче гидродинамики — обтеканию тел потоком жидкости. Основные закономерности обтекания тел потоком жидкости, рассмотренные ранее, применимы также в условиях перемешивания.

Как уже отмечалось, при медленном движении в вязкой среде тела любой формы в тонком слое жидкости, примыкающем к его поверхности, образуется ламинарный пограничный слой, форма и толщина которого зависят от формы и размеров тела, скорости и физических свойств жидкости.

При увеличении скорости движения происходит отрыв пограничного слоя от поверхности тела в точках, где скорость жидкости является наи­большей, например, у кромок вертикальной пластины, и обра­зование турбулентного кормового следа за движущимся телом. Начало отрыва пограничного слоя характеризуется резким возрастанием сопро­тивления среды движению тела.

Окружная скорость имеет наибольшее значение на периферии мешалки, так как эта величина пропорциональна диаметру мешалки, У периферии мешалки, как следует из уравнения Бернулли, образуется зона понижен­ного давления, куда устремляется жидкость, находящаяся в аппарате. Это течение, а также радиальные потоки, возникающие под действием