- •Внешняя задача гидродинамики Движение тел в жидкостях
- •Сопротивление движению тел
- •Осаждение частиц под действием силы тяжести
- •Движение жидкости через неподвижные зернистые и пористые слои
- •Гидродинамика кипящих (псевдоожиженных) слоев
- •Гидродинамика двухфазных потоков
- •Барботаж
- •Пленочное течение жидкостей
- •Разделение неоднородных систем
- •Разделение жидких систем Материальный баланс процесса осветления (разделения)
- •Отстаивание
- •Коагуляция частиц дисперсной фазы
- •Типы отстойников
- •Расчет отстойников
- •Фильтрование
- •Уравнение фильтрования
- •Производительности фильтров
- •Фильтровальные перегородки
- •Устройство фильтров
- •Расчет фильтров
- •Центрифугирование
- •Фактор разделения
- •Процессы в центрифугах
- •Устройство центрифуг
- •Разделение газовых систем
- •Характеристика различных способов
- •3. Отражательная перегородка. 4. Дверцы для очистки.
- •Электрическая очистка газов Физические основы процесса
- •Устройство электрофильтров
- •Коагуляция взвешенных-
- •Перемешивание в жидких средах
- •Способы перемешивания
- •Механическое перемешивание
- •Мощность мешалки
- •Выбор числа оборотов мешалки
- •Конструкции мешалок
- •Пневматическое перемешивание
- •Схемы процессов
Перемешивание в жидких средах
Используется для приготовления гомо- и гетерогенных систем, для интенсификации химических, тепловых и массообменных процессов.
В первом случае целью является дробление дисперсной фазы. Необходимо обеспечить срезающие усилия, что обеспечивается увеличением градиента скорости.
Во втором случае необходимо обеспечить снижение градиента «С» или «Т», подвод вещества или энергии в реакционную зону или к поверхности тепло и массобмена.
Способы перемешивания
Различают 2 основных способа:
-
механический (мешалками);
-
пневматический (сжатым газом).
Кроме того, применяют перемешивание в трубопроводах и перемешивание с помощью сопел и насосов.
Характеристиками перемешивающих устройств являются:
-
эффективность – количественное выражение зависит от цели процесса (в ТО Кпер/Кбез пер, в приготовлении ГТГ систем – степень равномерности распределения твердой фазы).
-
интенсивность перемешивания – определяется временем достижения технологических результатов или числом оборотов мешалки при фиксированной продолжительности процесса. Количественно выражается количеством энергии N, приводимой к единице объема V перемешиваемой жидкости, или к единице массы:
При увеличении интенсивности возрастает расход энергии, однако, технологический эффект будет ограничен, поэтому оптимальный режим определяют, балансируя эти 2 показателя.
Механическое перемешивание
При работе мешалок с вращательным движением возникает сложное трехмерное течение жидкости: тангенциальное, радиальное, осевое (аксиальное). Первичным является тангенциальное течение, значение окружной скорости wт существенно превышает wр – значение радиальной и wа – аксиальной.
Для вращательного движения уравнение движения Навье-Стокса записывают в цилиндрических координатах.
Уравнение Навье-Стокса:
(75)
Для плоского вращательного движения система примет вид:
Решение этого уравнения позволило получить теоретическое выражение для wт в зависимости от радиуса для периферийной скорости:
(76)
rв – радиус вихря, который создается вокруг мешалки (wт=ω rв на границе зоны);
ω – угловая скорость (рад/сек);
Вне цилиндрического вихря:
(77)
Под действием центробежной силы жидкость стекает с лопастей в радиальном направлении. Дойдя до стенки сосуда, поток движется в двух направлениях: вниз и вверх.
Окружная скорость имеет наибольшее значение на периферии мешалки.
(рисунок)
Экспериментальное построение зависимости wт=f(r) показало наличие переходной области (II) между областью центрального вихря I и периферийной областью.
Наличие радиального течения привело к тому, что в переходной области создается зона пониженного давления, куда течет жидкость от светлой поверхности и от дна сосуда. Возникает осевой поток, движется сверху к мешалке и снизу к мешалке.
Объем циркулирующей в единицу времени жидкости в аппарате с мешалкой называется насосным эффектом V (чем выше насосный эффект, тем лучше перемешивание).
Для мешалок, создающих преимущественно радиальный поток:
(78)
- средняя радиальная скорость ≈dм·n;
dм – диаметр мешалки; в – высота мешалки.
Из геометрического подобия мешалок:
(79)
Ср – постоянная для мешалок данного типа.
В случае преимущественно аксиального (осевого) потока используются пропеллерные мешалки.
(80)
- средняя осевая скорость жидкости
≈n·S; S – шаг мешалки -
(аналогично для резьбы).
Значения С0 и Ср определяются экспериментально и существенно зависят от вязкости перемешиваемой жидкости.
Режим течения жидкости в процессе перемешивания определяют по модифицированному критерию Рейнольдса. Вместо линейной скорости в модифицированном критерии используют величину ndм, которая пропорциональна окружной или тангенциальной скорости:
(81)
n – частота вращения мешалки, об/мин.
Ламинарный режим наблюдается при Re<10 – наблюдается слаборазвитое трехмерное течение жидкости со свободной циркуляцией. Центральные вихри отсутствуют, т.к. их диаметр меньше диаметра вала мешалки, существуют периферийная и переходная зоны.
Переходный режим 10<Re<103 – вынужденная циркуляция, намечается область центральных цилиндрических вихрей.
Развитый турбулентный режим Reм>104 – вынужденная циркуляция обеспечивает интенсивное трехмерное течение всей массы жидкости в аппарате. Наблюдаются все 3 области.
Критические значения критерия Re определяются видом мешалки и аппарата.
При работе вращающихся мешалок на поверхности жидкости образуется воронка, которая снижает эффективность мешалки и устойчивость работы. Для предотвращения образования воронки у стенок аппаратов устанавливают 4 радиальные отражательные перегородки, ширина перегородок приблизительно 0,1 Dап.