учебник по ОПОВ

Мешалка является рабочим элементом устройства, закрепляемым на вертикальном, горизонтальном или наклонном валу. 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.

Рис. 2.5.3. Течения жидкостей, создаваемые мешалками.

В промышленных аппаратах с мешалками возможны различные сочетания этих основных типов течения. Тип создаваемого потока, а также конструктивные особенности мешалок 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.

141

Помимо этого, отражательные перегородки устанавливают во всех случаях при перемешивании в системах газ—жидкость.

Процесс перемешивания в гидродинамическом отношении сводится к внешнему обтеканию твердых тел потоком набегающей жидкости.

Лопасти мешалки при вращении выполняют работу, связанную с преодолением сопротивления сил инерции и сил трения перемешиваемой жидкости.

Удельное значение этих сил различно в пусковой и рабочий периоды работы мешалки. При пуске мешалки ее лопатки встречают особенно большое сопротивление со стороны жидкости, инерцию массы которой необходимо преодолеть. По мере приведения жидкости в движение работа мешалки все больше затрачивается на преодоление внутренних сопротивлений в жидкости (трения, вихревых движений, ударов жидкости о стенки и т. д.), поэтому пусковая мощность всегда превышает рабочую.

Эффективность перемешивания обеспечивается выбором параметров аппарата, перемешивающего устройства, числа оборотов мешалки, обеспечивающих равномерность концентрации смеси в аппарате с заданной интенсивностью (т.е. за заданное время).

Классификация мешалок по скорости вращения:

Быстроходные - окружная скорость ~10 м/с. Работают в турбулентном режиме. Это лопастные, пропеллерные, турбинные мешалки.

Тихоходные – окружная скорость ~1 м/с. Работают в ламинарном режиме. Это якорные, рамные мешалки.

2.5.1 Лопастные мешалки

Лопастными мешалками называются устройства, состоящие из двух или большего числа лопастей прямоугольного сечения, закрепленных на вращающемся вертикальном или наклонном валу. К лопастным мешалкам относятся также и некоторые мешалки специального назначения: якорные, рамные и листовые.

Лопастные мешалки создают в аппаратах тангенциальные и радиальные потоки, применяются для перемешивания взаимнорастворимых маловязких жидкостей (< 0.5 Па*с), суспензирования легких осадков, медленного растворения кристаллических веществ. Основные параметры: d = 80-2500 мм, h/d= 0.1, критерий гидродинамического подобия D/d = 1.5-2.5, частота вращения n = 15-80 1/мин, коэффициент гидравлического сопротивления ξ= 0.88.

К их достоинствам можно отнести простоту и низкую стоимость, надежность в работе, к недостаткам - малую интенсивность перемешивания густых и вязких жидкостей, непригодность для перемешивания легко расслаивающихся веществ.

142

Не пригодны для быстрого растворения, тонкого диспергирования и получения суспензий, содержащих твердую фазу с большим удельным весом.

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.

Рис. 2.5.5. Лопастные мешалки: а – с вертикальными лопостями; б, с – с наклонными лопостями

Мешалки с наклонными лопастями сообщают жидкости кроме вращательного значительное вертикальное перемещение: угол наклона лопастей 45°; полная длина (размах) лопастей 0,6 - 0,7D.

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°.

Рис. 2.5.6. Аппарат с многорядной лопастной мешалкой

2.5.2 Якорные и рамные мешалки

К лопастным мешалкам относятся также и некоторые мешалки специального назначения: якорные, рамные. 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. Рамные и якорные мешалки применяются для перемешивания вязких и тяжелых жидкостей (0.25 < μ <10 Па·с), суспензирования в вязких средах. Их использование для интенсификации теплообмена в аппаратах с рубашками или змеевиками предотвращает загрязнение теплопередающих поверхностей. Для рамных и якорных мешалок n= 10-60 1/мин, d = 200-2500 мм, ξ

= 1.28. Параметры рамных мешалок: Г = 1.1-1.3, h/d = 0.8-1, s/d = 0.07, якорных: Г = 1.15-1.5, h/d = 0.7, s/d = 0.1.

Рис. 2.5.7. Рамные мешалки

143

Их применяют для обработки вязких, загрязненных и застывающих жидкостей. Профиль мешалки повторяет поверхность аппарата: зазор между стенкой и мешалкой минимальный. Лопасти создают интенсивное перемешивание около стенок и очищают их от налипающих осадков. Минусами являются плохое перемешивание по вертикали и значительная пусковая мощность (больше рабочей в 3-4 раза). Не пригодны для взмучивания тяжелых осадков и для работы с расслаивающими жидкостями

2.5.3 Пропеллерные мешалки

Рабочей частью пропеллерной мешалки является пропеллер - 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

Рис. 2.5.8. Пропеллерная мешалка

Пропеллерные мешалки создают в аппарате преимущественно осевые потоки и применяются для интенсивного перемешивания маловязких жидкостей, взмучивания осадков (до 10% твердой фазы, размеры частиц до 0.15 мм), для приготовления суспензий и эмульсий. Основные параметры: d = 80-2500 мм, n=

100-1000 1/мин.

Для улучшения циркуляции жидкости мешалку иногда устанавливают внутри диффузора. Достоинства пропеллерных мешалок: высокая интенсивность перемешивания при умеренном расходе энергии, невысокая стоимость. Недостатки: малая эффективность перемешивания вязких жидкостей (μ >0.6 Па·с), ограниченный объем интенсивно перемешиваемой жидкости, непригодность для смешивания жидкостей с твердыми веществами большой плотности.

Применяются для интенсивного перемешивания маловязких жидкостей; взмучивания осадков; приготовления суспензий и эмульсий.

Не пригодны для совершенного смешивания жидкостей значительной вязкости [более 0,06 кг/(м/с)] или жидкостей, включающих твердую фазу большого удельного веса.

Создают значительные осевые потоки жидкости. Для улучшения циркуляции жидкости мешалки помещают в направляющие патрубки – диффузоры. Для обеспечения одинаковой осевой скорости во всех точках сечения лопасть

144

изгибают таким образом, чтобы угол наклона уменьшался по мере увеличения радиуса лопасти. Работают в интервале от 100 до 1000 об/мин. Диаметр 0,3 - 0,4D

2.5.4 Турбинные мешалки

Работают по принципу центробежного насоса: всасывают жидкость в середину и за счет центробежной силы отбрасывают её к периферии.

Бывают открытыми и закрытыми, одностороннего и двустороннего всасывания. Открытая турбинная мешалка состоит из цилиндрической втулки с кольцевым диском, на окружности которого расположены, как правило, 6 плоских лопастей. Скорость вращения от 100 до 1000

об/мин. В отличие от лопастной создает значительные Рис. 2.5.9. Турбинная радиальные потоки. Диаметр мешалки 0,3 – 0,4 D.

мешалка

Ваппаратах 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 в отличие от открытых 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.

Применяют для интенсивного перемешивания и смешения жидкостей с вязкостью до 1,0 кг/(м/с) для мешалок открытого типа и до 5,0 кг/(м /с) для мешалок закрытого типа; тонкого диспергирования; взмучивания осадков в жидкостях, содержащих до 60% твердой фазы (мешалки открытого типа) и более (мешалки закрытого типа); причем максимальные размеры твердых частиц до 1,5 мм для мешалок открытого типа и до 2,5 мм для мешалок закрытого типа.

2.5.5 Специальные мешалки

Специальные мешалки применяют в случаях, когда непригодны лопастные, пропеллерные и турбинные. Для перемешивания очень вязких жидкостей (50-100 Па·с) и пастообразных материалов используют ленточные мешалки (Рис. 2.5.10., а), которые при вращении очищают стенки реактора от налипающей реакционной массы.

Для проведения реакций между газом и жидкостью применяют мешалки барабанного типа (Рис. 2.5.10., б) с лопастным барабаном, имеющим форму беличьего колеса.

145

Рис. 2.5.10 Специальные мешалки: а – ленточная мешалка; б- мешалка барабанного типа; в – шнековая мешалка

Шнековые мешалки (Рис. 2.5.10, в) для перемешивания неньютоновских жидкостей. Шнековые машины нашли применение и используются в химической промышленности для дозирования, транспортировки продуктов.

2.5.6Контрольные вопросы по теме «Мешалки»

Какие виды течения жидкостей, создаваемые мешалками, вы знаете?

Как класифицируются мешалки по скорости вращения?

В чем преимущества и недостатки лопастных мешалок?

Для перемешивания каких сред используются рамные мешалки?

Какие виды специальных мешалок вы знаете?

146

2.6 Тепловые процессы и аппараты

Теплообменным называют процесс переноса тепла, происходящий между телами, имеющими разную температуру. Тела, которые участвуют в теплообмене, называются теплоносителями. Теплоноситель с более низкой температурой называется холодным, с более высокой температурой – горячим теплоносителем. Движущей силой теплообменных процессов является наличие разности температур теплоносителей (∆t).

2.6.1 Способы передачи теплоты

Различают три способа передачи теплоты (теплопередачи): теплопроводность,

конвекция, лучеиспускание (теплопередача излучением).

Теплопроводность – процесс передачи теплоты внутри тела от одних частиц к другим вследствие их движения и взаимного соприкосновения. Передача тепла только при помощи теплопроводности может происходить лишь в твердых телах и тонких пленках. Например, наружная поверхность стакана с горячей жидкостью становится горячей за счет протекания процесса теплопроводности внутри стенки стакана.

Конвекция – процесс распространения теплоты в результате движения и перемещения частиц жидкостей и газов. Перенос теплоты возможен в условиях естественной конвекции (разная плотность частиц) и принудительной конвекции при перемещении всей массы газа или жидкости. Примером передачи тепла конвекцией может служить обогрев комнаты с помощью радиаторных батарей. Процесс обогрева можно сделать более интенсивным с помощью вентилятора.

Лучеиспускание – процесс распространения теплоты с помощью электромагнитных волн, обусловленный только температурой и оптическими свойствами излучающего тела. При этом внутренняя энергия тела переходит в энергию излучения. Люди, животные, растения на Земле существуют только благодаря теплоте, получаемой от Солнца.

Вреальных процессах обычно все три способа теплообмена обычно сопутствуют друг другу.

Вбольшинстве случаев передача теплоты от одного теплоносителя к другому происходит в теплообменных аппаратах, и теплоносители разделены стенкой.

Перенос теплоты от поверхности твердого тела к жидкости или газу (или наоборот) называется теплоотдачей.

Уравнение теплового баланса

Для того, чтобы найти количество тепла, переданное в теплообменном аппарате, нужно составить уравнение теплового баланса. В теплообменном аппарате количество теплоты Q1, отдаваемое в единицу времени горячим теплоносителем, затрачивается на нагрев холодного теплоносителя Q2. Часть теплоты Qп

147

рассеивается в окружающую среду, т.е. теряется. Таким образом, уравнение теплового баланса можно записать следующим образом:

Количество теплоты, переносимое в единицу времени, называется тепловым потоком.

Если в процессе теплообмена теплоносители не меняют своего агрегатного состояния, т.е. не происходит их испарения или конденсации, то уравнение теплового баланса имеет вид:

где G1, G2 – массовые расходы веществ, участвующих в процессе теплообмена, кг/с;

c1, c2 – удельные теплоемкости этих веществ, Дж/ (кг · К);

Т1н, Т1к – начальная и конечная температуры горячего теплоносителя, К;

Т2н, Т2к – начальная и конечная температура холодного теплоносителя, К;

Qп – тепловые потери, Вт

Удельная теплоёмкость (с) – это количество теплоты, сообщаемой 1кг вещества для того, чтобы изменить его температуру на 1К.

Если при теплообмене происходит изменение фазового состояния веществ, т.е. происходит фазовый переход (кипение, конденсация), то в уравнении теплового баланса необходимо учитывать теплоту этого фазового перехода. Например, при написании уравнения теплового баланса для конденсатора, где происходит конденсация паров горячего теплоносителя вследствие нагревания холодного теплоносителя. Уравнение теплового баланса имеет вид:

где r1 – удельная теплота конденсации горячего теплоносителя, Дж/кг.

Удельная теплота конденсации – это количество теплоты, которое выделяется при конденсации 1кг теплоносителя.

Для уменьшения потерь теплоты в окружающую среду аппараты и трубопроводы покрывают теплоизоляционными материалами с низкой теплопроводностью. В качестве теплоизоляционных материалов используют стекловату, асбест, пробковые плиты, совелит, фаолит, алюминиевую фольгу и др. Изоляция должна быть термостойка, негигроскопична, дешева и долговечна.

Обычно, потери тепла для аппаратов разных типов составляют от 2 до 10%. Для снижения потерь теплоты в окружающую среду необходимо совершенствовать:

148

конструкцию аппарата с целью уменьшения его габаритов (уменьшается F);

тепловую изоляцию с целью уменьшения величины коэффициента теплопередачи, К, т.е. увеличения термического сопротивления стенки, равного 1/ К.

Передача тепла теплопроводностью

Твёрдые тела имеют упорядоченную молекулярную структуру. Теплота в них распространяется преимущественно теплопроводностью. Основной закон теплопроводности – закон Фурье.

Закон Фурье читается следующим образом: количество теплоты Q, передаваемое путем теплопроводности в единицу времени через плоскую стенку, прямо пропорционально её площади F и разности температур (Тст1 - Тст2) её поверхностей и обратно пропорционально толщине стенки δ:

где λ – коэффициент пропорциональности или коэффициент теплопроводности, Вт /(м2·К)

Коэффициент теплопроводности показывает, какое количество теплоты проходит вследствие теплопроводности в единицу времени через стенку толщиной 1 м, площадью 1м2 при разности температур её поверхности 1 К. λ зависит от природы вещества и его температуры.

Передача тепла конвекцией

Различают естественную и принудительную конвекцию. При естественной конвекции движение частиц обусловлено разностью плотностей жидкости или газа в различных точках объема вследствие разности их температур в этих точках. При принудительной конвекции перемещение жидкости (газа) проводят с помощью специальных устройств – мешалок, вентиляторов, насосов.

Основным законом конвекции является закон Ньютона. Согласно закону Ньютона количество теплоты Q, отдаваемое твердой стенкой жидкости (газу) в единицу времени прямо пропорционально площади F поверхности стенки и разности температур Тст - Тж стенки и жидкости:

где α – коэффициент пропорциональности или коэффициент теплоотдачи, Вт

/(м2·К)

Коэффициент теплоотдачи показывает, какое количество теплоты передается от 1 м2 поверхности стенки к жидкости (или от жидкости к стенке) в течение 1с при разности температур стенки и жидкости (газа) 1 К. Коэффициент теплоотдачи α не является величиной постоянной для данного вещества, а зависит от скорости

149