Содержание
Введение
1. Лопастные мешалки
2. Пропеллерные мешалки
3. Турбинные мешалки
4. Специальные мешалки
5. Выбор мешалки
Список использованных источников
Введение
Для приготовлениясуспензии, эмульсий и однородных физических смесей в химической промышленностишироко применяют процессы перемешивания. Перемешивание способствуетинтенсификации процессов тепло- и массообмена, сопутствующих перемешиванию илинеобходимых для успешного проведения многих химических реакций [1-3].
Наиболее распространенныйспособ перемешивания в жидких средах — механическое перемешивание; производятиногда и пневматическое перемешивание, однако в связи с присущими этому способуспецифическими недостатками применение его в химической промышленностиограничено.
Механические мешалкиразделяются по устройству лопастей на следующие группы: 1) лопастные — сплоскими лопастями, 2) пропеллерные — с винтовыми лопастями, 3) турбинные, 4)специальные (якорные и др.).
В данной работерассматриваются основные виды механических мешалок.
1. Лопастныемешалки
Простейшие лопастныемешалки имеют две плоские лопасти, установленные в вертикальной плоскости, т.е. перпендикулярно к направлению вращения (рисунок 1). Лопасти укреплены навертикальном валу, который приводится во вращение от зубчатой или червячнойпередачи и делает 12 — 80 об/мин. Диаметр лопастей составляет примерно 0,7диаметра сосуда, в котором вращается мешалка. При малых числах оборотов мешалкижидкость совершает круговое движение, т. е. вращается по окружностям, лежащим вгоризонтальных плоскостях, в которых движутся лопасти. В этих условиях отсутствуетсмешивание различных слоев жидкости и интенсивность перемешивания низкая [1].
Интенсивное перемешиваниедостигается в результате появления вторичных потоков и вихревого движенияжидкости. Вторичные потоки возникают под действием центробежных сил, вызывающихдвижение жидкости в плоскости вращения лопасти от центра сосуда к его стенкам.Вследствие этого в центре сосуда возникает пониженное давление, причем вобласть пониженного давления всасывается жидкость из слоев, лежащих выше и нижелопасти. В результате в сосуде происходит циркуляция жидкости, показаннаястрелками на рисунке 2 [2]. Вторичные потоки, складываясь с основным круговымдвижением жидкости, создают сложное движение, при котором происходитинтенсивное перемешивание отдельных слоев. Интенсивность перемешиваниявозрастает с увеличением числа оборотов; однако еще быстрее увеличиваетсямощность, потребляемая мешалкой.
/>
Рисунок 1 — Лопастныемешалки а — стальная; б — чугунная
. />
Рисунок 2 — Циркуляция жидкости при перемешиваниилопастными мешалками
При круговом движениижидкости на ее поверхности под действием центробежной силы образуется воронка(рисунок 2), глубина которой возрастает с увеличением числа оборотов.Образование воронки ведет к ухудшению использования емкости сосуда.
Для каждого случаяопытным путем можно найти оптимальное число оборотов, при котором достигаетсянеобходимая эффективность перемешивания. Дальнейшее увеличение числа оборотоввызывает излишний расход энергии.
Вихревое движениежидкость приобретает при установке в сосуде с мешалкой отражательныхперегородок в виде вертикально поставленных полос (рисунок 3). При обтеканиижидкостью перегородок за ними образуется зона пониженного давления, в которойвозникают вихри. При возрастании числа оборотов вихри отрываются от перегородоки движутся в направлении вращения лопасти. В случае дальнейшего увеличениячисла оборотов возникает беспорядочное вихревое движение жидкости, при этомвихри соударяются друг с другом по всему объему жидкости. В этих условияхдостигается высокая равномерность и интенсивность перемешивания. В то же времяпри наличии перегородок, препятствующих вращению всей массы жидкости, резкоснижается глубина воронки. Обычно достаточно четырех симметрично установленныхрадиальных перегородок для улучшения перемешивания. Однако с установкойперегородок возрастает расход энергии на перемешивание.
/>
Рисунок 3 — Перемешиваниежидкости в сосудах с перегородками
Для лучшего перемешиваниявсего объема жидкости в сосуде на валу устанавливают несколько паргоризонтальных лопастей, т. е. применяют многолопастные, а также рамные мешалки(рисунок 4), состоящие из нескольких горизонтальных и вертикальных, а иногда инаклонных плоских лопастей. Рамные мешалки отличаются прочностью и пригодны дляперемешивания вязких жидкостей [3, 4].
Достоинства лопастныхмешалок:
1) простота устройстваи дешевизна изготовления;
2) вполнеудовлетворительное перемешивание умеренно вязких жидкостей.
Недостатки:
1) малаяинтенсивность перемешивания вязких жидкостей,
2) непригодность дляперемешивания легко расслаивающихся веществ.
/>
Рисунок 4 — Рамнаямешалка
Основные областиприменения лопастных мешалок:
1) перемешиваниежидкостей небольшой вязкости;
2) растворение исуспендирование твердых веществ;
3) грубое смешениежидкостей.
Лопастные мешалкипростого типа наиболее эффективны при перемешивании маловязких сред (до 100спз).
Для перемешиванияжидкостей с вязкостью свыше 2500 спз более пригодны рамные мешалки илилопастные мешалки в сосудах с отражательными перегородками.
В указанных областяхприменения лопастные мешалки обеспечивают хорошее перемешивание при небольшомрасходе энергии. Лопастные мешалки непригодны для быстрого растворения, тонкогодиспергирования, а также для получения суспензий, содержащих твердую фазубольшой плотности.
Диаметры лопастейнормализованных лопастных мешалок: 400, 500, 550, 700, 850, 950, 1000 и 1400 мм[1].
Рамные мешалкивыпускаются с рамами следующих размеров: 550X550; 650X600; 750X650; 950X850;1140X900; 1340X950; 1540X1000; 1740X1200 мм (первая цифра — диаметр рамы D.,вторая — высота рамы Н).
2.Пропеллерные мешалки
Лопасти пропеллерныхмешалок (рисунок 5) изогнуты по профилю судового винта, т. е. с постепенноменяющимся наклоном, почти от 0° у оси до 90° на конце лопасти. Вращаясь вжидкости, лопасти действуют наподобие винта, а жидкость, окружающая пропеллер,как бы является гайкой и перемещается в направлении оси мешалки. Это осевоедвижение складывается с круговым перемещением жидкости, благодаря чемувозникает ее винтовое движение. Если винтовая поверхность пропеллера правая, авращение его происходит по часовой стрелке, то осевое движение жидкостинаправлено вверх и в сосуде возникает циркуляция жидкости, показанная нарисунок 5 (справа) [4].
Пропеллер имеет обычнотри лопасти, причем на вертикальном валу, в зависимости от высоты слояжидкости, устанавливают один или несколько пропеллеров. Диаметр лопастихвеществ, обладающих малой плотностью; пропеллера равен 0,25—0,3 диаметрааппарата. Скорость вращения пропеллера составляет 160—1000 об/мин.
/>
Рисунок 5 — Пропеллерная мешалка
/>
Рисунок 6 — Пропеллернаямешалка с диффузором
Пропеллерные мешалкисоздают более интенсивные осевые потоки жидкости, чем лопастные, и,следовательно, более интенсивно перемешивают жидкость. Перемешиваниепропеллерными мешалками улучшается при установке в аппарате отражательныхперегородок или диффузора — короткого цилиндрического (иногда слегкаконического) стакана, в котором помещается пропеллер (рисунок 6). Диффузорнаправляет циркуляцию жидкости в осевом направлении и благоприятно влияет наперемешивание в аппаратах с большим отношением высоты к диаметру, а также ваппаратах со змеевиками и другими внутренними устройствами [2].
Эффективностьперемешивания в аппаратах большой емкости возрастает при эксцентричнойустановке пропеллеров или расположении вала пропеллерной мешалки под углом 10 — 20° к вертикали.
Достоинства пропеллерныхмешалок:
1) интенсивноеперемешивание,
2) умеренный расходэнергии, даже при значительном числе оборотов,
3) невысокаястоимость.
Недостатки:
1) малаяэффективность перемешивания вязких жидкостей,
2) ограниченныйобъем интенсивно перемешиваемой жидкости.
Пропеллерные мешалкиприменяются главным образом для следующих, целей:
1) интенсивноеперемешивание маловязких жидкостей;
2) приготовлениесуспензий и эмульсий;
3) взмучиваниеосадков, содержащих до 10% твердой фазы, состоящей из частиц размером до 0,15мм.
Пропеллерные мешалкиперемешивают жидкость быстрее и интенсивнее лопастных мешалок, при умеренномрасходе энергии, превышающем, однако, расход ее для лопастных мешалок.
Пропеллерные мешалки пригодны для проведения непрерывных процессов, нонеприменимы для гомогенного смешивания, для смешивания вязких жидкостей (более6000 спз), а также для смешивания жидкостей с твердыми веществами большойплотности.
Нормализованные пропеллерные мешалки выпускают сдиаметром пропеллера 150, 200, 250, 300, 400, 500 и 600 мм [1].
3. Турбинныемешалки
Турбинные — мешалки бывают двух типов: открытые(рисунок 7, а и б) и закрытые (рисунок 7, в), имеющие лопастное в: колесо сканалами (наподобие рабочего колеса центробежного насоса). Турбинные мешалкиработают при 100 — 350 об/мин и производят интенсивное перемешивание жидкости.
/>
Рисунок 7 — Турбинныемешалки: а и б — открытые; в — закрытая с направляющим аппаратом
Открытые турбинныемешалки представляют собой, по существу, усовершенствованную конструкциюпростых лопастных мешалок. Вращение нескольких лопастей, расположенных подуглом к вертикальной плоскости, создает наряду с радиальными потоками осевыепотоки жидкости, что способствует интенсивному перемешиванию ее в большихобъемах. Интенсивность перемешивания возрастает при установке в сосудеотражательных перегородок.
Закрытые турбинныемешалки обычно устанавливают внутри направляющего аппарата, которыйпредставляет собой неподвижное кольцо с лопатками, изогнутыми под углом 45—90°(рисунок 7, в). Закрытые турбинные мешалки создают преимущественно радиальныепотоки жидкости при небольшой затрате кинетической энергии. Образующиесярадиальные потоки жидкости обладают достаточно большой скоростью ираспространяются по всему сечению аппарата, достигая наиболее удаленных еготочек. Жидкость входит в мешалку через центральное отверстие и выходит покасательной к колесу. В колесе жидкость плавно меняет направление отвертикального (по оси) до горизонтального (по радиусу) и выбрасывается изколеса с большой скоростью. При таком направленном и многократно повторяющемсяв единицу времени движении жидкости достигается быстрое и эффективноеперемешивание ее во всем объеме сосуда (рисунок 8). Для улучшения и ускоренияперемешивания (что особенно важно в аппаратах непрерывного действия) применяюттурбинные мешалки с лопастями или колесами, расположенными на различной высоте[3].
Достоинства турбинныхмешалок:
1) быстротаперемешивания и растворения,
2) эффективноеперемешивание вязких жидкостей,
3) пригодность длянепрерывных процессов.
Недостатком турбинныхмешалок является сравнительная сложность и высокая стоимость изготовления.Области применения турбинных мешалок:
1) интенсивноеперемешивание и смешивание жидкостей различной вязкости, которая можетизменяться в широких пределах (мешалки открытого типа до 105 спз, мешалкизакрытого типа до 5 • 105 спз);
2) тонкоедиспергирование и быстрое растворение;
3) взмучиваниеосадков в жидкостях, содержащих 60% и более твердой фазы (для открытых мешалок— до 60%); допустимые размеры твердых частиц: до 1,5 мм для открытых мешалок,до 25 мм для закрытых мешалок.
/>
Рисунок 8 — Перемешиваниетурбинной мешалкой.
Нормализованные турбинныемешалки выпускают с диаметром турбины 300, 400, 500 и 600 мм [5].
4.Специальные мешалки
Для перемешивания вязкихжидкостей и пастообразных материалов применяют так называемые якорные мешалки слопастями, изогнутыми по форме стенок и днища сосуда. Якорные мешалки очищаютстенки аппаратов от налипающего на них материала, благодаря чему улучшаетсятеплообмен и предотвращаются местные перегревы перемешиваемых веществ[2, 4].
Барабанная мешалка (рисунок 9) представляет собой лопастной барабан ввиде так называемого беличьего колеса. Мешалки этой конструкции создают большуюподъемную силу и потому весьма эффективны при проведении реакций между газом ижидкостью, а также при получении эмульсий, обработке быстро расслаивающихсясуспензий и взмучивании тяжелых осадков [1, 3].
/>
Рисунок 9 — Барабаннаямешалка
Рекомендуемые условияприменения барабанных мешалок: отношение диаметра барабана к диаметру сосуда от1:4 до 1:6, отношение высоты жидкости к диаметру барабана не менее 10.
5.Выбор мешалки
Выбор того или иного типа мешалок определяется целевымназначением перемешивающих устройств и конкретными условиями протеканияпроцесса. Какие-либо четкие рекомендации по этому вопросу пока не могут бытьсформулированы. Поэтому при выборе того или иного типа перемешивающих устройствможно использовать ориентировочные характеристики условий целесообразногоприменения различных типов мешалок, приведенных в таблице 1 [3].
Таблица 1 –Ориентировочные характеристики для выбора мешалки Тип мешалок
Объем жидкости, перемешиваемой одной мешалкой, м3 Содержание твердой фазы при суспенди ровании, % Динамическая вязкость перемешиваемой жидкости, кг/(м*с) Окружная скорость мешалки, м/с Частота вращения мешалки Лопастные До 1,5 До 5 До 0,01 До 1,7-5,0 0,3-1,35 Пропеллерные До 4,0 До 10 До 0,06 До 4,5-17,0 8,5-20,0 Турбинные: — Открытые До 10,0 До 60 До 1,00 До 1,8-13,0 0,7-10,0 — Закрытые До 20,0 До 60 и больше До 5,00 До 2,1-8,0 1,7-6,0 Специальные До 20,0 До 75 До 5,00 До 6,0-30,0 1,7-25,0
Списокиспользованных источников
1 А.Н. Плановский, В.М. Рамм, С.З.Каган. Процессы и аппараты химической технологии. — М., Издательство„Химия" 1967. -
2 Н.И. Гельперин Основные процессы иаппараты химической технологии. В двух книгах.- М.: Химия, 1981 — 812 с.
3 Ф. Стренк Перемешивание и аппаратыс мешалками. — «Химия», 1975. -384 с.
4 Ф. Холланд, Ф. Чапман Химическиереакторы и смесители для яшдкофазных процессов. М., «Химия», 1974. — 208 с.
5 А.Н. Плановский, П.И. Николаев Процессы и аппараты химической инефтехимической технологии: Учебник для вузов. — М.: Химия, 1987. – 496 с.