--PAGE_BREAK--
2. Устройство мешалок.
Механические мешалки разделяются по устройству лопастей на следующие группы:
1) лопастные — с плоскими лопастями,
2) пропеллерные — с винтовыми лопастями,
3) турбинные.
4) специальные (якорные и др.)
2.1 Лопастные мешалки.
Простейшие лопастные мешалки имеют две плоские лопасти, установленные в вертикальной плоскости, т. е. перпендикулярно к направлению вращения (рисунок 2.1).
Лопасти укреплены на вертикальном валу, который приводится во вращение от зубчатой или червячной передачи и делает 12-80 об/мин. Диаметр лопастей составляет примерно 0,7 диаметра сосуда, в котором вращается мешалка. При малых числах оборотов мешалки жидкость совершает круговое движение, то есть вращается по окружностям, лежащим в горизонтальных плоскостях, в которых движутся лопасти.
В этих условиях отсутствует смешивание различных слоев жидкости и интенсивность перемешивания низкая.
Интенсивное перемешивание достигается в результате появления вторичных потоков и вихревого движения жидкости. Вторичные потоки возникают под действием центробежных сил, вызывающих движение жидкости в плоскости вращения лопасти от центра сосуда к его стенкам. Вследствие этого в центре сосуда возникает пониженное давление, причем в область пониженного давления всасывается из слоев, лежащих выше и ниже лопасти. В результате в сосуде происходит циркуляция жидкости, показанная стрелками на рис. 2.2. Вторичные потоки, складываясь с основным круго\3ым движением жидкости, создают сложное движение, при котором происходит интенсивное перемешивание отдельных слоев. Интенсивность перемешивания возрастает с увеличением числа оборотов; однако еще быстрее увеличивается мощность, потребляемая мешалкой и при круговом движении жидкости на ее поверхности под действием центробежной силы, образуется воронка (рис. 2.2), глубина которой возрастает с увеличением числа оборотов. Образование воронки ведет к ухудшению использования емкости сосуда.
Рисунок 2.1- Стальная и чугунная лопастные мешалки
Рисунок 2.2 – Циркуляция жидкости при перемешивании лопастными мешалками
Для каждого случая опытным путем можно найти оптимальное число оборотов, при котором достигается необходимая эффективность перемешивания. Дальнейшее увеличение числа оборотов вызывает излишний расход энергии.
Вихревое движение жидкость приобретает при установке в сосуде с мешалкой отражательных перегородок в виде вертикально поставленных полос. При обтекании жидкостью перегородок за ними образуется зона пониженного давления, в которой возникают вихри. При возрастании числа оборотов вихри отрываются от перегородок и движутся в направлении вращения лопасти. В случае дальнейшего увеличения числа оборотов возникает беспорядочное вихревое движение жидкости, при этом вихри соударяются друг с другом по всему объему жидкости. В этих условиях достигается высокая равномерность и интенсивность перемешивания. В то же время при наличии перегородок, препятствующих вращению всей массы жидкости, резко снижается глубина воронки. Обычно достаточночетырех симметрично установленных радиальных перегородок для улучшения перемешивания. Однако с установкой перегородок возрастает расход энергии на перемешивание.
Для лучшего перемешивания всего объема жидкости в сосуде на валу устанавливают несколько пар горизонтальных лопастей, т. е. применяют многолопастные, а также рамные мешалки (рисунок 2.3), состоящие из нескольких горизонтальных и вертикальных, а иногда и наклонных плоских лопастей. Рамные мешалки отличаются прочностью и пригодны для перемешивания вязких жидкостей.
Рисунок 2.3- горизонтальные лопасти
Достоинства лопастных мешалок:
1) простота устройства и дешевизна изготовления,
2) вполне удовлетворительное перемешивание умеренно вязких жидкостей.
Недостатки:
1) малая интенсивность перемешивания вязких жидкостей,
2) непригодность для перемешивания легко расслаивающихся веществ.
Основные области применения лопастных мешалок:
1)Перемешивание жидкостей небольшой вязкости
2)Растворение и суспендирование твердых веществ, обладающих малой плотностью
3) грубое смешение жидкостей.
Лопастные мешалки простого типа наиболее эффективны при перемешивании маловязких сред (до 100 спз).
Для перемешивания жидкостей с вязкостью свыше 2500 спз более пригодны рамные мешалки или лопастные мешалки в сосудах с отражательными перегородками.
В указанных областях применения лопастные мешалки обеспечивают хорошее перемешивание при небольшом расходе энергии. Лопастные мешалки непригодны для быстрого растворения, тонкого диспергирования, а также для получения суспензий, содержащих твердую фазу большой плотности.
2.2 Пропеллерные мешалки
Лопасти пропеллерных мешалок изогнуты по профилю судового винта, то есть с постепенно меняющимся наклоном, почти от 00у оси до 900на конце лопасти. Вращаясь в жидкости, лопасти действуют наподобие винта, а жидкость, окружающая пропеллер, как бы является гайкой и перемещается в направлении оси мешалки. Это осевое движение складывается с круговым перемещением жидкости, благодаря чему возникает ее винтовое движение. Если винтовая поверхность пропеллера правая, а вращение его происходит по часовой стрелке, то осевое движение жидкости направлено вверх и в сосуде возникает циркуляция жидкости.
На валу, в зависимости от высоты слоя жидкости, устанавливают один или несколько пропеллеров. Диаметр лопасти пропеллера равен 0,25-0,3 диаметра аппарата. Скорость вращения пропеллера составляет 160-1000 06/мин.
Пропеллерные мешалки создают более интенсивные осевые потоки жидкости, чем лопастные, и, следовательно, более интенсивно перемешивают жидкость. Перемешивание пропеллерными мешалками улучшается при установке в аппарате отражательных перегородок или диффузора — короткого цилиндрического (иногда слегка конического) стакана, в котором помещается пропеллер.
Диффузор направляет циркуляцию жидкости в осевом направлении и благоприятно влияет на перемешивание в аппаратах с большим отношением высоты к диаметру, а также в аппаратах со змеевиками и другими внутренними устройствами.
Эффективность перемешивания в аппаратах большой емкости возрастает при эксцентричной установке пропеллеров или расположении вала пропеллерной мешалки под углом 10 — 200к вертикали.
Достоинства пропеллерных мешалок:
1) интенсивное перемешивание,
2) умеренный расход энергии, даже при значительном числе оборотов,
3) невысокая стоимость.
Недостатки:
1) малая эффективность перемешивания вязких жидкостей
2) Ограниченный объем интенсивно перемешиваемой жидкости
Пропеллерные мешалки применяются главным образом для следующих целей:
1) интенсивное перемешивание маловязких жидкостей;
2) приготовление суспензий и эмульсий;
3) взмучивание осадков, содержащих да 10% твердой фазы, состоящей из частиц размером до 0,15 мм.
Пропеллерные мешалки перемешивают жидкость быстрее и интенсивнее лопастных мешалок, при умеренном расходе энергии, превышающем, однако, расход ее для лопастных мешалок.
Пропеллерные мешалки пригодны для проведения непрерывных процессов, но неприменимы для гомогенного смешивания, для смешивания вязких жидкостей (более 6000 спз), а также для смешивания жидкостей с твердыми веществами большой плотности.
Рисунок 2.4-. Пропеллерная мешалка.
2.3 Турбинные мешалки
Турбинные мешалки бывают двух типов: открытые и закрытые (рисунок 2.5), имеющие лопастное колесо с каналами (наподобие рабочего колеса центробежного насоса). Турбинные мешалки работают при 100-350 об/мин. и производят интенсивное перемешивание жидкости.
Открытые турбинные мешалки представляют собой, по существу, усовершенствованную конструкцию простых лопастных мешалок. Вращение нескольких лопастей, расположенных под углом к вертикальной плоскости, создает наряду с радиальными потоками осевые потоки жидкости, что способствует интенсивному перемешиванию ее в больших объемах. Интенсивность перемешивания возрастает при установке в сосуде отражательных перегородок.
Закрытые турбинные мешалки обычно устанавливают внутри направляющего аппарата, который представляет собой неподвижное кольцо с лопатками, изогнутыми под углом 45-900 (рисунок 2.5). Закрытые турбинные мешалки создают преимущественно радиальные потоки жидкости при небольшой затрате кинетической энергии. Образующиеся радиальные потоки жидкости обладают достаточно большой скоростью и распространяются па всему сечению аппарата, достигая наиболее удалённых его точек. Жидкость входит в мешалку через центральное отверстие и выходит по касательной к колесу. В колесе жидкость плавно меняет направление от вертикального (па оси) до горизонтального (па радиусу) и выбрасывается из колеса с большой скоростью.
При таком направленном и многократно повторяющемся в единицу времени движении жидкости достигается быстрое и эффективное перемешивание ее во всем объеме сосуда.
Для улучшения и ускорения перемешивания (что особенно важно в аппаратах непрерывного действия) применяют турбинные мешалки с лопастями или колесами, расположенными на различной высоте.
Достоинства турбинных мешалок:
1) быстрота перемешивания и растворения,
2.) эффективное перемешивание вязких жидкостей
3) пригадн6сть для непрерывных процессов.
Недостатком турбинных мешалок является сравнительная сложность и высокая стоимость изготовления.
Области применения турбинных мешалок:
1) интенсивное перемешивание и смешивание жидкостей различной вязкости, которая мажет изменяться в широких пределах мешалки открытого типа до 105 спз, мешалки закрытого.
2) тонкое диспергирование и быстрое растворение
3) взмучивание осадков 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.
Нормализованные турбинные мешалки выпускают с диаметром турбины 300, 400, 500 и 600 мм.
Рисунок 2.5- турбинные мешалки
2.4 Специальные мешалки
Для перемешивания вязких жидкостей и пастообразных материалов применяют так называемые якорные мешалки с лопастями, изогнутыми по форме стенок и днища сосуда (рисунок 14). Якорные мешалки очищают стенки аппаратов от налипающего на них материала, благодаря чему улучшается теплообмен, и предотвращаются местные перегревы перемешиваемых веществ.
Барабанная мешалка представляет собой лопастной барабан в виде так называемого беличьего колеса. Мешалки этой конструкции создают большую подъемную силу и потому весьма эффективны при проведении реакций между газом и жидкостью а также при получении эмульсии, обработке быстро расслаивающихся суспензии и взмучивании тяжёлых осадков. Рекомендуемые условия применения барабанных мешалок: отношение диаметра барабана к диаметру сосуда от 1: 4 до 1: 6.
Рисунок 2.6- Специальные мешалки
Перемешивание сжатым воздухом
Перемешивание маловязких жидкостей иногда производят сжатым воздухом. Таким способом возможно лишь медленное перемешивание при сравнительно большом расходе энергии; кроме того, как указывалось, перемешивание воздухом может сопровождаться нежелательным окислением или испарением продуктов.
Обычно перемешивание сжатым воздухом проводят в аппаратах, снабженных барботером — трубой с отверстиями для выхода воздуха, или в аппаратах, работающих по принципу воздушных подъемников (эрлифтов). В последнем случае жидкость, смешанная с пузырьками воздуха, поднимается по центральной трубе, расположенной по оси аппарата, и опускается в кольцевом пространстве между трубой и стенками аппарата. Таким образом, жидкость циркулирует в аппарате и перемешивается в нем.
3. Блок-схема процесса
__
H
__ __
X
Y
__
Z
Контролируемые нерегулируемые факторы Х:
— температура окружающей среды;
— атмосферное давление;
— число оборотов мешалки;
— отношение твердой фазы к жидкой;
— плотность жидкости;
— вязкость жидкости;
— плотность твердой фазы;
— размеры твердых частиц;
— размеры аппарата;
— коррозия деталей;
— износ деталей;
— ширина и диаметр лопасти
Контролируемые регулируемые факторы Н:
— время перемешивания;
— скорость подачи суспензии;
— глубина погружения лопасти;
— количество жидкости;
— интенсивность перемешивания;
— неполное перемешивание;
Неконтролируемые нерегулируемые факторы
Z
:
— эксплутационные воздействия;
— человеческий фактор
— незначительное измельчение
— примеси
— отключение электроэнергии:
— перепады электроэнергии;
Выходы
Y
:
— степень гомогенизации;
— производительность;
4. Расчет аппарата
Изучить процесс смешения и разработать смеситель непрерывного действия, в котором необходимо равномерно суспезировать твердые частицы в жидкости плотностью Р и вязкостью µ. Наибольший размер твердых частиц d; плотность твердой фазы Ртв. Диаметр аппарата о; высота жидкости в нем H=D; ширина лопастей bмм; шаг изменения диаметра 100 мм;
Исходя из заданной мощности двигателя Р, определить оптимальный диаметр лопаток и число оборотов мешалки. Составить блок-схему алгоритма и программу расчета на ЭВМ. Исходные данные приведены в таблице 4.1:
Таблица 4.1 — Исходные данные
C
K
I
m
n
0,105
0,6
0,8
0,4
1,9
Таблица 4.2- Данные
D, мм d, мм b, мм μ, Н P, кг/м Pтв, кг/м3 Р., кВт
1650 1,5 100 0,03 1830 2350 3
4.1 Расчет оптимального диаметра лопаток и числа оборотов мешалки.
Для расчета определяющего числа оборотов мешалки находим значение критерия Рейнольдса по формуле:
Rem= = C∙ GAh∙( ρтв/ ρ)l( dч / d)m( D/ d)n; (4.1)
Где: GA= — критерий Галилея;
dч— диаметр твердой частицы;
Ρтв — плотность твердой фазы;
Значения коэффициента С и показателей степеней в уравнении (4.1) приводятся
ниже.
С= 0,105; k= 0.6; C= 0.8; m= 0.4; n= 1.9; (4.2)
Для расчета, определяющего числа оборотов nмешалки находим значения безразмерных величин, входящих в правую часть уравнения (4.1)
GA= = =;
;
Rem= 0.105(3650,3∙107d3)0.6∙(1,28)0.8( )0.4∙( )1.9=53446,88∙d-0.5;
Рассчитываем определяющее число оборотов мешалки :
n=
d=400мм. = 0,4 м.
n== = 8.6585 об/сек = 519.51 об/мин.
Rem=53446,88∙ 0.4-0.5= 84506.946=>С= 0,27
fd= ()0.93= 1,345
fn= 1;
C1= 0,27∙1,345∙1= 0,363;
NP=0,363∙0.45∙8,65853∙1830= 4415,559 Вт.
Nдв= = 5,887 кВт.
d= 500мм.= 0,5м.
n= = 4,965об/с = 297,9 об/мин.
Rem= 53446,88∙(0,5)-0,5= 75585,3 =>С= 0.29;
С1= С∙f∙fn∙fd;
fn= 1;
fd= ()0.93= 1,09268
С1=0.31∙1,09268∙1= 0,33873;
NP= C1d5 n3ρ
NP= 0,33873∙0.55∙4,9653∙1830= 2370,8961 Вт.
Nдв= = 3,161kВт.
d= 600мм.= 0,6м.
n= = 3,142 об/сек = 188,52 об/мин.
Rem= 53446.88∙(0,6)-0,5= 68999.6014=>С= 0,3;
С1= С∙f∙fn∙fd; fn= 1;
fd= ()0.93= 0,922266
С1== 0,27667
NP= C1d5П3ρ
NP=0,27667∙0,65∙ 3,1423∙1830= 1446,8876Вт.
Nдв= = 1,9292 kВт
продолжение
--PAGE_BREAK--