Устройства перемешивания в химической технологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Механические процессы химической технологии

2. Процессы перемешивания

2.1 Основные характеристики процесса перемешивания

2.2 Смеси

2.3 Способы перемешивания

3. Перемешивающие устройства

3.1 Лопастные мешалки

3.2 Листовые мешалки

3.3 Пропеллерные мешалки

3.4 Турбинные мешалки

3.5 Специальные мешалки

3.6 Выбор мешалки

Заключение

Список использованных источников

Приложения

Введение

Любая технология, в том числе и химическая, - это наука о методах переработки сырья в готовую продукцию. Методы переработки должны быть экономически и экологически выгодными и обоснованными.

Химическая технология возникла в конце 18 века и почти до 30-х годов 20 века состояла из описания отдельных химических производств, их основного оборудования, материальных и энергетических балансов. По мере развития химической промышленности и возрастания числа химических производств возникла необходимость изучения и установления общих закономерностей построения оптимальных химико-технологических процессов, их промышленной реализации и рациональной эксплуатации. В химической технологии необходимо четко выделять потоки веществ, с которыми происходит трансформация, сначала от сырья, затем постадийно образующимися промежуточными продуктами до получения конечного целевого продукта.

Основная задача химической технологии -- сочетание в единой технологической системе разнообразных химически превращений с физико-химическими и механическими процессами: измельчением и сортировкой твёрдых материалов, образованием и разделением гетерогенных систем, массообменном и теплообменом, фазовыми превращениями, и т.д.

Механические процессы занимают одно из главных мест на производстве, так как участвуют на каждой его стадии. В данной работе особое место отведено самому распространенному процессу - механическому перемешиванию. В зависимости от условий проведения процесса на производстве применяют емкости и аппараты с перемешивающими устройствами (мешалками) различных конструкций.

Главными целями работы являются подробное изучение основных механических процессов, перемешивающих устройств, их эксплуатация и технологическое назначение.

1. Механические процессы химической технологии

К механическим относят процессы, основу которых составляет механическое воздействие на продукт, а именно:

1.Сортирование.

Различают два вида разделения продукта: сортирование ни качеству в зависимости от органолептических свойств (цвет, состояние поверхности, консистенция) и разделение по величине на отдельные фракции (сортирование по крупицам и форме).

В первом случае операцию производят путем органолептического осмотра продуктов, во втором -- путем просеивания.

Сортирование путем просеивания применяют для удаления посторонних примесей. При просеивании через отверстия проходят частицы продукта, размеры которых меньше отверстий сит (проход), а на сите в виде отходов остаются частицы с размерами, превышающими размеры отверстий сит.

Для просеивания применяют: металлические сита со штампованными отверстиями; проволочные из круглой металлической проволоки, а также сита из шелковых, капроновых нитей и других материалов.

Сита из шелка обладают высокой гигроскопичностью и имеют сравнительно быструю изнашиваемость. Капроновые малочувствительны к изменению температуры, относительной влажности воздуха и просеиваемых продуктов; прочность капроновых нитей выше шелковых.

2. Измельчение.

Измельчением называют процесс механического деления обрабатываемого продукта на части с целью лучшего его технологического использования. В зависимости от вида сырья и его структурно-механических свойств используют в основном два способа измельчения: дробление и резание. Дроблению подвергают продукты с незначительной влажностью, резанию -- продукты, обладающие высокой влажностью.

Дробление с целью получения крупного, среднего и мелкого измельчения производят на размолочных машинах, тонкое и коллоидное -- на специальных кавитационных и коллоидных мельницах.

В процессе резания осуществляют разделение продукта па части определенной или произвольной формы (куски, пласты, кубики, брусочки и др.), а также приготовление мелкоизмельченных видов продуктов.

Для измельчения твердых продуктов, обладающих высокой механической прочностью применяют ленточные и дисковые пилы, куттеры.

3.Прессование.

Процессы прессования продуктов применяют в основном для разделения их на две фракции: жидкую и плотную. В процессе прессования разрушается структура продукта. Осуществляют прессование с помощью шнековых прессов непрерывного действия (экстракторы различных конструкций).

4.Перемешивание.

Перемешивание способствует интенсификации тепловых биохимических и химических процессов вследствие увеличения поверхностного взаимодействия между частицами смеси. От продолжительности перемешивания смесей зависят их консистенция и физические свойства.

5.Дозирование и формирование.

Производство продукции предприятий и ее отпуск осуществляются в соответствии с ГОСТами или ТУ или внутренними технологическими каратами и сборниками рецептур, с нормами закладки сырья и выхода готовой продукции (масса, объем). В связи с этим существенное значение имеют процессы деления продукта на порции (дозирование) и придания им определенной формы (формование). Процессы дозирования и формования осуществляются вручную или с помощью машин в зависимости от производства. [1]

2. Процессы перемешивания

2.1 Основные характеристики

Перемешивание - один из самых распространенных процессов на предприятиях пищевой и химической промышленности. При перемешивании частицы жидкости или сыпучего материала многократно перемещаются в объеме аппарата или емкости друг относительно друга под действием импульса, который передается перемешиваемой среде от механической мешалки или струи жидкости, газа или пара

Цели перемешивания:

- ускорение течения химических реакций или процессов;

- обеспечение равномерного распределения твердых частиц в жидкости;

- обеспечение равномерного распределения жидкости в жидкости;

- интенсификация нагревания или охлаждения;

- обеспечение стабильной температуры по всей жидкости.

Существует много конструкций перемешивающих устройств, но наиболее распространены механические мешалки с вращательным движением перемешивающих органов. Наряду с этим осуществляется перемешивание газом или паром, перемешивание циркуляцией жидкости, вибрационное или пульсационное перемешивание.

Каждый из перечисленных типов перемешивающих устройств имеет свои специфические преимущества и недостатки и определенную область применения.

При подборе перемешивающего устройства или способа перемешивания используются следующие основные понятия:

1. Степень перемешивания или степень взаимного распределения двух или более веществ или жидкостей после окончания перемешивания всей системы. Степень перемешивания, иногда называемая показателем однородности, определяется опытным путем на основании взятых проб и используется для определения эффективности перемешивания.

2. Интенсивность перемешивания, выражаемая с помощью определенных величин, таких как частота вращения мешалки, расходуемая на перемешивание мощность, приведенная к единице объема или плотности продукта. На практике интенсивность перемешивания определяется временем достижения конкретного технологического результата, т.е. равномерности перемешивания.

3. Эффективность перемешивания, определяемая возможностью достижения требуемого качества перемешивания за кратчайшее время и с минимальными затратами энергии. Таким образом, из двух аппаратов с мешалками более эффективно работает тот, в котором результат достигается с наименьшими затратами энергии. [2]

2.2 Смеси

Любое сырье и промежуточные продукты представляют собой определенные технические продукты, которые подвергаются переработке: разделение на чистые вещества или наоборот, добавление к ним других компонентов для создания новых смесей.

Смеси веществ делятся на гомогенные (однородные) и гетерогенные (неоднородные). В таблице-1 представлены примеры различных смесей.

Таблица 1 - Варианты смеси веществ в разных агрегатных состояниях

Агрегатное состояние составных частей (до образования смеси)	Гомогенная смесь (гомогенная система)	Гетерогенная смесь (гетерогенная система)
Твёрдое -- твёрдое	Твёрдые растворы, сплавы (например латунь, бронза)	Горные породы (например гранит, минералосодержащие руды и др.)
Жидкое -- жидкое	Жидкие растворы (например, уксус -- раствор уксусной кислоты в воде)	Двух- и многослойные жидкие системы, эмульсии (например, молоко -- капли жидкого жира в воде)
Агрегатное состояние составных частей (до образования смеси)	Гомогенная смесь (гомогенная система)	Гетерогенная смесь (гетерогенная система)
Твёрдое -- жидкое	Жидкие растворы (например, водные растворы солей)	Твёрдое в жидком -- суспензии или взвеси (например, частицы глины в воде, коллоидные растворы) Жидкое в твёрдом -- жидкость в пористых телах (например, почвы, грунты)
Твёрдое -- газообразное	Хемосорбированный водород в платине, палладии, сталях	Твёрдое в газообразном -- порошки, аэрозоли, в том числе дым, пыль, смог Газообразное в твёрдом -- пористые материалы (например, кирпич, пемза)
Жидкое -- твёрдое	Твёрдые жидкости (например, стекло -- твёрдое, но всё же жидкость)	Может принимать разную форму и фиксировать её (например, посуда -- разной формы и цвета)
Жидкое -- газообразное	Жидкие растворы (например, раствор диоксида углерода в воде)	Жидкое в газообразном -- аэрозоли жидкости в газе, в том числе туманы Газообразное в жидком -- пены (например, мыльная пена)
Газообразное -- газообразное	Газовые растворы (смеси любых количеств и любого числа газов), напр. воздух.	Гетерогенная система невозможна

В гомогенных смесях составные части нельзя обнаружить ни визуально, ни с помощью оптических приборов, поскольку вещества находятся в раздробленном состоянии на микроуровне. Гомогенными смесями являются смеси любых газов и истинные растворы, а также смеси некоторых жидкостей и твёрдых веществ, например сплавы. [3]

В гетерогенных смесях либо визуально, либо с помощью оптических приборов можно различить области (агрегаты) разных веществ, разграниченные поверхностью раздела; каждая из этих областей внутри себя гомогенна. Такие области называются фазой.

Гомогенная смесь состоит из одной фазы, гетерогенная смесь состоит из двух или большего числа фаз. Гетерогенные смеси, в которых одна фаза в виде отдельных частиц распределена в другой, называются дисперсными системами. В таких системах различают дисперсионную среду (распределяющую среду) и дисперсную фазу (раздробленное в дисперсионной среде вещество).

Необходимо различать смеси и сложные вещества. Смеси в отличие от сложных веществ:

- образуются с помощью физического процесса-смешивания чистых веществ;

- свойства чистых веществ, из которых составлена смесь, остаются неизменными;

- чистые вещества (простые и сложные) могут находиться в смеси в любом массовом соотношении. [3]

Смеси образуются в результате смешения различных компонентов. Смешение является одним из наиболее распространенных процессов химической технологии и смежных с ней отраслей промышленности. Смешение может протекать:

- самопроизвольно за счет диффузии смешиваемых компонентов;

- под действием внешних сил, создаваемых рабочими органами смесительных машин;

- в результате действия обоих факторов.

Смешение и перемешивание являются словами синонимами. Принято для твердых сыпучих и пастообразных материалов применять термин смешение. Для жидких сред и газообразных веществ используют термин перемешивание.

При смешении распределение частиц отдельных компонентов в смешиваемой среде случайно и происходит под действием множества сил, например сил тяжести, инерционных и различных гидродинамических и механических сил. При этом одновременно может происходить их дистанцирование и сегрегация, распределение в объеме и седиментация.

При перемешивании стремятся достигнуть совершенного взаимного распределения частиц. Совершенным, или полным, называют такое перемешивание, в результате которого бесконечно малые пробы смеси, отобранные в любом месте перемешиваемой системы, будут иметь одинаковый состав или одинаковую температуру. Поскольку достичь такого состояния не представляется возможным, на практике для качественной характеристики процесса смешения используют различные критерии качества смеси. [3]

Готовые смеси чаще всего представлены растворами, эмульсиями, суспензиями, пастами, зернистыми композициями, газожидкостными смесями.

Растворы - гомогенная (однородная) смесь, образованная не менее чем двумя компонентами, один из которых называется растворителем, а другой растворимым веществом, это также система переменного состава, находящаяся в состоянии химического равновесия.

Эмульсии - дисперсные системы с жидкой дисперсионной средой и жидкой (реже газовой) дисперсной фазой.

Суспензии - грубодисперсные системы с твёрдой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой.

Зернистые смеси - смеси, состоящие из большого количества зернистых частиц.

Газожидкостные смеси - многофазные дисперсные системы, физико-химические свойства которых зависят от объемного соотношения жидкой и газообразной фаз в смеси. [4]

2.3 Способы перемешивания

Способы перемешивания в зависимости от физического состояния перемешиваемых компонентов.

1. Циркуляционное и поточное перемешивание.

При транспортировании жидкости по данным трубам с большой скоростью происходит интенсивное перемешивание - турбулизация потока. Поэтому для перемешивания жидкостей, содержащихся в аппарате, достаточно поставить рядом с аппаратом циркуляционный насос, который в течение некоторого времени будет перекачивать жидкость. Такое перемешивание называют циркуляционным. Эффективность перемешивания значительно возрастает, если жидкость в аппарате распыляется или вводится тангенциально. Интенсивность циркуляционного перемешивания зависит от расхода жидкости в циркуляционном насосе и объёма самого аппарата. Для смешивания чистых жидкостей, например, спирта-сырца и воды при ректификации спирта, используют струйные насосы. При этом перемешивание происходит в потоке и называется поточным. Для перемешивания невязких жидкостей в трубопроводах устраивают смесители, рабочий орган которых выполнен из последовательно установленных разно закрученных шнеков или турбинок. Поточное перемешивание осуществляется за счёт кинетической энергии потоков. Эти же устройства можно использовать для перемешивания жидкостей и газов.

В бродильных производствах применяют полочные смесители. На полках смешивается патока и вода. При этом холодная и горячая вода подаётся на разные полки по зонам, что позволяет поддерживать заданную температуру.

2. Гравитационное перемешивание

В подготовительных цехах химических производств часто требуется составить смесь из нескольких сухих сыпучих компонентов. При этом твердый сыпучий материал поднимается на определенную высоту и опускается под действием сил тяжести, описывая более или менее сложные траектории, перемешиваясь при этом. Наиболее распространены для этих целей шнековые смесители, рабочим органом которых является один или несколько шнеков. Хорошее перемешивание сыпучих материалов достигается во вращающихся барабанах. Ось вращения барабана наклонена к горизонту, и это обеспечивает перемещение материала не только в вертикальной плоскости, но и вдоль оси барабана. Барабаны вращаются, как правило, с малой частотой (5…10 об/мин). Для увеличения высоты подъёма материала на внутренней поверхности барабана устраивают специальные лопатки. Процессы перемешивания сыпучих материалов можно интенсифицировать, применяя механические вибрации, сопровождающие перемешивание шнеками, или вращающимися на валу лопатками. Такие устройства называют вибросмесителями.

3. Механическое перемешивание.

Механическое перемешивание является самым распространенным способом перемешивания в жидких средах. Оно производится при помощи специальных устройств - пропеллерных, лопастных, турбинных, якорных и рамных мешалок. Как правило, технические жидкости имеют различные характеристики, поэтому и механизмы для перемешивания отличаются по своим характеристикам и рабочим параметрам.

4. Пневматическое перемешивание

Пневматическое перемешивание сжатым инертным газом или воздухом используют, когда перемешиваемая жидкость отличается большой химической активностью и быстро разрушает механические мешалки. Перемешивание сжатым газом является малоинтенсивным процессом. Расход энергии при пневматическом перемешивании больше, чем при механическом. Пневматическое перемешивание не применяют для обработки летучих жидкостей в связи со значительными потерями перемешиваемого продукта. Перемешивание воздухом может сопровождаться окислением или осмолением веществ. Перемешивание сжатым газом проводят в аппаратах, снабженных специальными устройствами -- барботером или центральной циркуляционной трубой. Барботер представляет собой расположенные по дну аппарата трубы с отверстиями, с помощью которых осуществляется барботаж газа через слой обрабатываемой жидкости. При циркуляционном (эрлифтном) перемешивании газ подают в циркуляционную трубу. Пузырьки газа увлекают за собой вверх по трубе жидкость, находящуюся в сосуде, которая затем опускается вниз в кольцевом пространстве между трубой и стенками аппарата, обеспечивая циркуляционное перемешивание жидкости. [5]

5. Электромагнитное перемешивание

Данный тип перемешивания может быть использован в способах интенсификации технологических процессов в жидких металлах. Согласно предлагаемому способу перемешивание электропроводных расплавов в миксерах, печах осуществляют одновременным воздействием бегущего электромагнитного поля и одного или нескольких пульсирующих электромагнитных полей, расположенных в зоне бегущего поля, действующих по всей высоте столба расплава с боковой стороны миксера. Воздействующие на расплав поля создают его движение в одну или попеременно в одну и другую стороны на протяжении всего времени перемешивания в плоскости, параллельной боковой стороне миксера или печи. Посредством варьирования интенсивности пульсирующих электромагнитных полей на входе и выходе бегущего электромагнитного поля, можно изменять траекторию движения электропроводного расплава в процессе перемешивания. Электромагнитное перемешивание в открытых либо закрытых стеклянных сосудах осуществляют часто с помощью электромагнитных мешалок. Принцип функционирования этих мешалок основан на том, что укрепленный на оси вертикально расположенного мотора электромагнит при вращении с частотой до 24с^-1 приводит в движение якорь из мягкого железа. Последний помещают в графитовую, стеклянную или полимерную ампулу, которую запаивают и помещают на дно аппарата. Электромагнитные мешалки применяют для перемешивания маловязких жидкостей (при гидрировании, электролизе, титровании и т.д.), при работе в глубоком вакууме и др. При необходимости изолировать реакционную смесь от действия воды и воздуха, а также для предотвращения утечки летучих веществ мешалки герметизируют резиновыми или корковыми пробками, жидкостными затворами (ртутными или глицериновыми), цилиндрическими стеклянными шлифами.

Недостатками данного способа являются:

1) низкая эффективность перемешивания расплава в "мертвой зоне" между входом и выходом канала и в углах миксера, печи;

2) устройства, реализующие способ, в частности тонкостенный канал или металлопрокат, имеют низкую надежность при воздействии на них высокотемпературных металлических расплавов. [7]

Способы перемешивания в зависимости от организации самого процесса.

1. При периодическом перемешивании все отдельные стадии процесса протекают последовательно, в разное время. Характер изменения концентраций реагирующих веществ одинаков во всех точках реакционного объема, но различен по времени для одной и той же точки объема. В таком процессе продолжительность реакции можно измерить непосредственно, так как время реакции и время пребывания реагентов в реакционном объеме одинаковы. Параметры процесса изменяются во времени.

2. При непрерывном перемешивании все отдельные стадии процесса биохимического превращения вещества (подача реагирующих веществ, биохимические реакции, вывод конечного продукта) осуществляются параллельно, одновременно. Характер изменения концентраций реагирующих веществ в реакционном объеме различен в каждый момент времени в разных точках объема аппарата, но постоянен во времени для одной и той же точки объема. Параметры процесса постоянны во времени.

3. При полунепрерывном перемешивании один из реагентов поступает непрерывно, а другой - периодически. Возможны варианты, когда реагенты поступают периодически, а продукты реакции выгружаются непрерывно. Данный способ применяется, когда изменение скорости подачи реагентов позволяет регулировать скорость процесса. [7]

сортирование смесь перемешивание мешалка

3. Перемешивающие устройства

Механические перемешивающие устройства состоят из трех основных частей: собственно мешалки, вала и привода. Мешалка является рабочим элементом устройства, закрепляемым на вертикальном, горизонтальном или наклонном валу. Привод может быть осуществлен либо непосредственно от электродвигателя (для быстроходных мешалок), либо через редуктор или клиноременную передачу. По устройству лопастей различают мешалки лопастные, листовые, пропеллерные, турбинные и специальные. По типу создаваемого мешалкой потока жидкости в аппарате различают мешалки, обеспечивающие преимущественно тангенциальное, радиальное и осевое течения. При тангенциальном течении жидкость в аппарате движется преимущественно по концентрическим окружностям, параллельным плоскости вращения мешалки. Перемешивание происходит за счет вихрей, возникающих на кромках мешалки. Качество перемешивания будет наихудшим, когда скорость вращения жидкости равна скорости вращения мешалки.

Радиальное течение характеризуется направленным движением жидкости от мешалки к стенкам аппарата перпендикулярно оси вращения мешалки. Осевое течение жидкости направлено параллельно оси вращения мешалки определяют области их применения.

При высоких скоростях вращения мешалок перемешиваемая жидкость вовлекается в круговое движение и вокруг вала образуется воронка, глубина которой увеличивается с возрастанием числа оборотов и уменьшением плотности и вязкости среды. Для предотвращения образования воронки в аппарате помещают отражательные перегородки, которые, кроме того, способствуют возникновению вихрей и увеличению турбулентности системы. Образование воронки можно предотвратить и при полном заполнении жидкостью аппарата, т. е. при отсутствии воздушной прослойки между перемешиваемой жидкостью и крышкой аппарата, а также при установке вала мешалки эксцентрично к оси аппарата или применении аппарата прямоугольного сечения. Помимо этого, отражательные перегородки устанавливают во всех случаях при перемешивании в системах газ--жидкость. Применение отражательных перегородок, а также эксцентричное или наклонное расположение вала мешалки приводит к увеличению потребляемой ею мощности. [5]

3.1 Лопастные мешалки

Лопастными мешалками называются устройства, состоящие из двух или большего числа лопастей прямоугольного сечения, закрепленных на вращающемся вертикальном или наклонном валу (рис. 1). К лопастным мешалкам относятся также и некоторые мешалки специального назначения: якорные, рамные и листовые. Вследствие незначительности осевого потока лопастные мешалки перемешивают только те слои жидкости, которые находятся в непосредственной близости от лопастей мешалки.

Развитие турбулентности в объеме перемешиваемой жидкости происходит медленно, циркуляция жидкости невелика. Поэтому лопастные мешалки применяют для перемешивания жидкостей, вязкость которых не превышает 103 мн. сек/м 2. Эти мешалки непригодны для перемешивания в протоке, например в аппаратах непрерывного действия. Некоторое увеличение осевого потока жидкости достигается при наклоне лопастей под углом 30--45° к оси вала. Такая мешалка способна удерживать во взвешенном состоянии частицы, скорость осаждения которых невелика. С целью увеличения турбулентности среды при перемешивании лопастными мешалками в аппаратах с большим отношением высоты к диаметру используют многорядные двухлопастные мешалки с установкой на валу нескольких рядов мешалок, повернутых друг относительно друга на 90°. Расстояние между отдельными рядами выбирают в пределах (0,3--0,8d) , где d -- диаметр мешалки, в зависимости от вязкости перемешиваемой среды.

Для перемешивания жидкостей вязкостью не более 104 мн. сек/м 2, а также для перемешивания в аппаратах, обогреваемых с помощью рубашки или внутренних змеевиков, в тех случаях, когда возможно выпадение осадка или загрязнение теплопередающей поверхности, применяют якорные (рис.2) или рамные (рис.3) мешалки. Они имеют форму, соответствующую внутренней форме аппарата, и диаметр, близкий к внутреннему диаметру аппарата или змеевика. При вращении эти мешалки очищают стенки и дно аппарата от налипающих загрязнений. [5]

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;

3) грубое смешение жидкостей. [6]

Рисунок 1 - Лопастная мешалка

Рисунок 2 - Якорная мешалка

Рисунок 3 - Рамная мешалка

3.2 Листовые мешалки

Листовые мешалки (рис.4) имеют лопасти большей ширины, чем у лопастных мешалок, и относятся к мешалкам, обеспечивающим тангенциальное течение перемешиваемой среды. Кроме чисто тангенциального потока, который является преобладающим, верхние и нижние кромки мешалки создают вихревые потоки, подобные тем, которые возникают при обтекании жидкостью плоской пластины с острыми краями. При больших скоростях вращения листовой мешалки на тангенциальный поток накладывается радиальное течение, вызванное центробежными силами. Листовые мешалки применяют для перемешивания маловязких жидкостей (вязкостью менее 50 мн. сек/м 2), интенсификации процессов теплообмена, при растворении. Для процессов растворения используют листовые мешалки с отверстиями в лопастях. При вращении такой мешалки на выходе из отверстий образуются струи, способствующие растворению твердых материалов. Основные размеры лопастных мешалок изменяются в зависимости от вязкости среды. Обычно для лопастных мешалок принимают следующие соотношения размеров: диаметр мешалки d = (0,66-0,9)D (D-- внутренний диаметр аппарата), ширина лопасти мешалки b = (0,1 - 0,2)D, высота уровня жидкости в сосуде H = (0,8-1,3)D, расстояние от мешалки до дна сосуда h d 0,3D. Для листовых мешалок d = (0,3-0,5) D, b = (0,5-1,0)D, h = (0,2-0,5) D. Окружная скорость лопастных и листовых мешалок в зависимости от вязкости перемешиваемой среды может изменяться в широких пределах (от 0,5 - 5,0 сек-1), причем с увеличением вязкости и ширины лопасти скорость вращения мешалки уменьшается. При высоких скоростях вращения лопастных мешалок в аппарате устанавливают отражательные перегородки. Листовые мешалки, как правило, без отражательных перегородок не применяют. [5]

Рисунок 4 - Листовая мешалка

3.3 Пропеллерные мешалки

Рабочей частью пропеллерной мешалки является пропеллер (рис.5) -- устройство с несколькими фасонными лопастями, изогнутыми по профилю гребного винта. Наибольшее распространение получили трехлопастные пропеллеры. На валу мешалки, который может быть расположен вертикально, горизонтально или наклонно, в зависимости от высоты слоя жидкости устанавливают один или несколько пропеллеров. Вследствие более обтекаемой формы пропеллерные мешалки при одинаковом числе Рейнольдса потребляют меньшую мощность, чем мешалки прочих типов.

Рисунок 5 - Пропеллерная мешалка



1-- корпус аппарата

2 -- вал

3 -- пропеллер

4 - диффузор

Рисунок 6 - Пропеллерная мешалка с диффузором:

Пропеллерные мешалки создают преимущественно осевые потоки перемешиваемой среды и, как следствие этого,-- большой насосный эффект, что позволяет существенно сократить продолжительность перемешивания. Их эффективность сильно зависит от формы аппарата и расположения в нем мешалки. Пропеллерные мешалки следует применять в цилиндрических аппаратах с выпуклыми днищами. При установке их в прямоугольных баках или аппаратах с плоскими или вогнутыми днищами интенсивность перемешивания падает вследствие образования застойных зон. [5]

Для улучшения перемешивания больших объемов жидкостей и организации направленного течения жидкости (при большом отношении высоты к диаметру аппарата) в сосудах устанавливают направляющий аппарат, или диффузор (рис. 6). Диффузор представляет собой короткий цилиндрический или конический стакан, внутри которого помещают мешалку. При больших скоростях вращения мешалки в отсутствие диффузора в аппарате устанавливают отражательные перегородки. Пропеллерные мешалки применяют для перемешивания жидкостей вязкостью не более 2.103 мн. сек/м 2, для растворения, образования взвесей, быстрого перемешивания, образования маловязких эмульсий и гомогенизации больших объемов жидкости. Для пропеллерных мешалок принимают следующие соотношения основных размеров: диаметр мешалки d= (0,2--0,5) D, шаг винта s=(1,0-- 3,0) D, расстояние от мешалки до дна сосуда h=(0,5--1,0) d, высота уровня жидкости в сосуде Н=(0,8--1,2)D. Число оборотов пропеллерных мешалок достигает 40 в секунду, окружная скорость -- 15 м/сек. [5]

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 до 10% твердой фазы, состоящей из частиц размером до 0,15 мм. [6]

3.4 Турбинные мешалки

Эти мешалки имеют форму колес водяных турбин с плоскими, наклонными или криволинейными лопатками, укрепленными, как правило, на вертикальном валу (рис. 7). В аппаратах с турбинными мешалками создаются преимущественно радиальные потоки жидкости. При работе турбинных мешалок с большим числом оборотов наряду с радиальным потоком возможно возникновение тангенциального (кругового) течения содержимого аппарата и образование воронки. В этом случае в аппарате устанавливают отражательные перегородки. Закрытые турбинные мешалки (рис. 7) в отличие от открытых (рис. 7 а, б, в) создают более четко выраженный радиальный поток. Закрытые мешалки имеют два диска с отверстиями в центре для прохода жидкости; диски сверху и снизу привариваются к плоским лопастям. Жидкость поступает в мешалку параллельно оси вала, выбрасывается мешалкой в радиальном направлении и достигает наиболее удаленных точек аппарата. Турбинные мешалки обеспечивают интенсивное перемешивание во всем объеме аппарата. При больших значениях отношения высоты к диаметру аппарата применяют многорядные турбинные мешалки. Мощность, потребляемая турбинными мешалками, работающими в аппаратах с отражательными перегородками, при турбулентном режиме перемешивания практически не зависит от вязкости среды. Поэтому мешалки этого типа могут применяться для смесей, вязкость которых во время перемешивания изменяется.

Турбинные мешалки широко применяют для образования взвесей (размер частиц для закрытых мешалок может достигать 25 мм.), растворения, абсорбции газов и интенсификации теплообмена. Для перемешивания в больших объемах (например, при гомогенизации жидкостей в хранилищах, объем которых достигает 2500 м3 и более) турбинные мешалки менее пригодны, чем пропеллерные мешалки или сопла. В зависимости от области применения турбинные мешалки обычно имеют диаметр d = (0,15--0,65) D при отношении высоты уровня жидкости к диаметру аппарата не более двух. При больших значениях этого отношения используют многорядные мешалки. Число оборотов мешалки колеблется в пределах 2--5 в секунду, а окружная скорость составляет 3--8 м/сек. [5]



а - открытая с прямыми лопатками

б - открытая криволинейными лопатками

в - открытая с наклонными лопатками

г - закрытая с направляющим аппаратом

1 - турбинная мешалка

2 - направляющий аппарат

Рисунок 7 - Турбинная мешалка

Достоинства турбинных мешалок:

1) быстрота перемешивания и растворения;

2) эффективное перемешивание вязких жидкостей;

3) пригодность 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 может изменяться в широких пределах (мешалки открытого типа до 105 спз., мешалки закрытого типа до 5 * 105 спз);

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.[6]

3.5 Специальные мешалки

К этой группе относятся мешалки, имеющие более ограниченное применение, чем мешалки рассмотренных выше типов.

Барабанные мешалки (рис. 8) состоят из двух цилиндрических колец, соединенных между собой вертикальными лопастями прямоугольного сечения. Высота мешалки составляет 1,5--1,6 ее диаметра. Мешалки этой конструкции создают значительный осевой поток и применяются (при отношении высоты столба жидкости в аппарате к диаметру барабана не менее 10) для проведения газожидкостных реакций, получения эмульсий и взмучивания осадков.

Рисунок 8 - Барабанная мешалка.

Дисковые мешалки (рис.9) представляют собой один или несколько гладких дисков, вращающихся с большой скоростью на вертикальном валу. Течение жидкости в аппарате происходит в тангенциальном направлении за счет трения жидкости о диск, причем сужающиеся диски создают также осевой поток. Иногда края диска делают зубчатыми. Диаметр диска составляет 0,1--0,15 диаметра аппарата. Окружная скорость равна 35 м/сек, что при небольших размерах диска соответствует очень высоким числам оборотов. Потребление энергии колеблется от 0,5 кВт для маловязких сред до 20 кВт для вязких смесей. Дисковые мешалки применяются для перемешивания жидкостей в объемах до 4 м3. [5]

Рисунок 9 - Дисковая мешалка

Вибрационные мешалки имеют вал с закрепленными на нем одним или несколькими перфорированными дисками (рис. 10). Диски совершают возвратно-поступательное движение, при котором достигается интенсивное перемешивание содержимого аппарата. Энергия, потребляемая мешалками этого типа, невелика. Они используются для перемешивания жидких смесей и суспензий преимущественно в аппаратах, работающих под давлением. Время, необходимое для растворения, гомогенизации, диспергирования при использовании вибрационных мешалок, значительно сокращается. Поверхность жидкости при перемешивании этими мешалками остается спокойной, воронки не образуется. Вибрационные мешалки изготовляются диаметром до 300 мм и применяются в аппаратах емкостью не более 3 м3. [5]

Рисунок 10 - Устройство дисков вибрационных мешалок

3.6 Выбор мешалки

Выбор того или иного типа мешалок определяется целевым назначением перемешивающих устройств и конкретными условиями протекания процесса. Какие-либо четкие рекомендации по этому вопросу пока не могут быть сформулированы. Поэтому при выборе того или иного типа перемешивающих устройств можно использовать ориентировочные характеристики условий целесообразного применения различных типов мешалок, приведенных в таблице 2. [6]

Таблица 2 - 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	<1,5	<5	< 0,01	1,7-5,0	0,3-1,35
Пропеллерные	<4,0	<10	<0,06	4,5-17,0	8,5-20,0
Турбинные: - Открытые - Закрытые	<10,0 <20,0	<60 60 и больше	<1,00 <5,00	1,8-13,0 2,1-8,0	0,7-10,0 1,7-6,0
Специальные	<20,0	<75	< 5,00	6,0-30,0	1,7-25,0

Заключение

В процессе перемешивания происходит тесное соприкосновение частиц и непрерывное обновление поверхности взаимодействия веществ. Вследствие этого при перемешивание значительно ускоряются процессы массообменная, например такие, как растворение в жидкости твердых веществ, протекание большинства химических реакций и процесс теплообмена. Перемешивание способствует процессу ускорения абсорбции, выпаривания и основных процессов химических технологий.

Перемешивание - это процесс многократного перемещения частиц неоднородной текучей среды друг относительно друга во всем объеме емкости или аппарата, происходящий за счет импульсов, среде с мешалкой, струей жидкости или газа. Перемешивание с помощью мешалки - обязательное условие успешного проведения многих самых разнообразных технологических операций. На производстве перемешивание с помощью мешалки осуществляют в целях:

а) обеспечения равномерного распределения и дробления, измельчения до заданной дисперсности (диспергирование) газа в жидкости или жидкости в жидкости, а также равномерного распределения твердых частиц в объеме жидкости;

б) интенсификации нагревания или охлаждения обрабатываемых масс в емкости или аппарате, а также обеспечения равномерного распределения температуры в перемешиваемой емкости или аппарате;

в) интенсификации массообмена в перемешиваемой среде, а также равномерного распределения растворенного вещества в перемешиваемой массе.

Таким образом, перемешивание с помощью механической мешалки оказывает решающее влияние и на скорость различных процессов химических превращений, поскольку в промышленных условиях скорость этих процессов определяется не только химической кинетикой, а в значительной мере условиями передачи теплоты и массы.

В зависимости от целей и условий проведения процесса применяют емкости и аппараты с перемешивающими устройствами различных конструкций.

Процесс перемешивания с помощью мешалки широко используется во многих отраслях промышленности в таких как химическая, лакокрасочная, энергетика, нефтяная, асфальтовая, пищевая и других для изготовления и приготовления суспензий, взвесей, растворов, реагентов и эмульсий, проведение реакций, гомогенизирование, суспендирование, растворение, смешение, взмучивание и т.п.

Список использованных источников

1. http://www.pitportal.ru/vestnik/section158/9006.html.

2. http://kpprom.narod2.ru/mixeq/.

3. Кафаров В.В., Дорохов И.Н., Арутюнов С.Ю., Системный анализ процессов химической технологии. М.: Химия, 1988. - 214-298 с.

4. http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/3246.html.

5. http://www.ecomash.ru/account/260/278/.

Приложение А

Таблица 1 - Варианты смеси веществ в разных агрегатных состояниях

Агрегатное состояние составных частей (до образования смеси)	Гомогенная смесь (гомогенная система)	Гетерогенная смесь (гетерогенная система)
Твёрдое -- твёрдое	Твёрдые растворы, сплавы (например латунь, бронза)	Горные породы (например гранит, минералосодержащие руды и др.)
Жидкое -- жидкое	Жидкие растворы (например, уксус -- раствор уксусной кислоты в воде)	Двух- и многослойные жидкие системы, эмульсии (например, молоко -- капли жидкого жира в воде)
Твёрдое -- жидкое	Жидкие растворы (например, водные растворы солей)	Твёрдое в жидком -- суспензии или взвеси (например, частицы глины в воде, коллоидные растворы) Жидкое в твёрдом -- жидкость в пористых телах (например, почвы, грунты)
Твёрдое -- газообразное	Хемосорбированный водород в платине, палладии, сталях	Твёрдое в газообразном -- порошки, аэрозоли, в том числе дым, пыль, смог Газообразное в твёрдом -- пористые материалы (например, кирпич, пемза)
Жидкое -- твёрдое	Твёрдые жидкости (например, стекло -- твёрдое, но всё же жидкость)	Может принимать разную форму и фиксировать её (например, посуда -- разной формы и цвета)
Жидкое -- газообразное	Жидкие растворы (например, раствор диоксида углерода в воде)	Жидкое в газообразном -- аэрозоли жидкости в газе, в том числе туманы Газообразное в жидком -- пены (например, мыльная пена)
Газообразное -- газообразное	Газовые растворы (смеси любых количеств и любого числа газов), напр. воздух.	Гетерогенная система невозможна

Приложение Б

Пример расчета материальных потоков при смешивании растворов

Задача. Смешивают 50 мл 45 % -го раствора NaOH ( = 1,480 г/мл) и 70 мл 1,8Н раствора Na₂CO₃ ( = 1,180 г/мл). Рассчитать материальный поток.

Решение.

г.

г.

моль.

г.

моль

г

моль

моль/л

моль/л

моль/кг

моль/кг

моль•экв/л

моль•экв/л

Наименование компонента	Масса, г	n, моль	щi, %	чi, %
NaOH	33,300	0,833	21,3	11,8
Na2CO3	13,356	0,126	8,5	1,8
H2O	109,944	6,108	70,2	86,4
Итого	156,600	7,067	100	100

Материальный баланс смешивания растворов

загружено	получено
наименование компонента	масса, г.	наименование компонента	масса, г.
	техническая	в 100% исчисления		техническая	в 100% исчисления
А) Сырье, в том числе: 1) р-р NaOH H2O 2)р-р Na2CO3 H2O	74,000 82,600	33,300 40,700 13,356 69,244	А) Готовый продукт - раствор .а в нем:: NaOH Na2CO3 H2O	156,600	33,300 13,356 109,944
Итого	156,600	156,600	Итого	156,600	156,600

Приложение В

Лопастные и пропеллерные мешалки

Приложение Г

Внутреннее строение аппаратов

Приложение Д

Специальные мешалки

Листовая мешалка

1 - корпус аппарата; 2 - вал; 3 - пропеллер; 4 - диффузор.

Пропеллерная мешалка с диффузором:

Барабанная мешалка Дисковая мешалка.

Размещено на Allbest.ru