Неорганическая
Органическая
Коллоидная
Биологическая
Биохимия
Токсикологическая
Экологическая
Химическая энциклопедия
Советская энциклопедия
Справочник по веществам
Гетероциклы
Теплотехника
Углеводы
Квантовая химия
Моделирование ХТС
Номенклатура
Таблица Менделеева
Неорганические реакции
Органические реакции
Молярные массы
Форматирование формул
Редактор формул
Уравнивание реакций
Электронное строение атомов
Игра «Таблица Менделеева»
Термодинамические свойства
Конвертер величин
Гальванопара
Поиск репетиторов
Форум
Лекарства
Фармацевтика
Термины биохимии
Коды загрязняющих веществ
Стандартизация
Каталог предприятий


ПЕРЕМЕШИВАНИЕ

ПЕРЕМЕШИВАНИЕ, способ получения однородных смесей и(или) интенсификации тепло- и массообмена в хим. аппаратуре. В соответствии с агрегатным состоянием B-B или материалов различают перемешивание жидких сред, к-рому посвящена данная статья, и перемешивание твердых сыпучих материалов (см. Смешение). Перемешивание производится преим. в емкостных аппаратах с перемешивающими устройствами (обычно мешалками). Процесс заключается в распределении растворенных в-в, взвешенных частиц и теплоты, а также в диспергировании капель и пузырьков в жидкости путем приведения ее в вынужденное движение. При этом возникает циркуляц. течение жидкости по окружности и(или) в меридиональном направлении, сопровождающееся появлением напряжений сдвига. Характер и интенсивность перемешивания зависят от конструкций аппаратов и мешалок.

Способы перемешивания и устройство аппаратов. Наиб. распространено механическое перемешивание, осуществляемое с помощью вращающихся мешалок в вертикальных цилиндрич. аппаратах (рис. 1) объемом от 10 дм3 до 50 м3 (иногда до 2000 м3 и

3531-30.jpg

более). Аппараты изготовлены, как правило, из углеродистых, низколегированных, Ni- и Mg-содержащих сталей (в т. ч. двуслойных), реже - из чугуна или Ti и его сплавов; для защиты деталей от коррозии применяют также стеклоэмале-вые покрытия, гуммирование, футеровку керамич. плитками или полимерными пленками. Аппараты для работы при атм. давлении снабжены плоскими днищами и крышками, под давлением или в вакууме (для давлений до 0,6 M Па выпускаются серийно, до 4 МПа и более, иногда до 100-200 МПа-по спец. разработкам)-эллиптическими. Для нагревания или охлаждения жидкостей при давлении теплоносителя до 0,4 МПа служат приварные рубашки, при более высоких давлениях-рубашки из полутруб либо внутр. змеевики; теплоносители - вода, водяной пар, высокотом-пературные орг. жидкости, напр. смесь дифенил-дифенило-вый эфир, используется также электроподогрев.

ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТОВ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ

3532-1.jpg

Для видоизменения структуры потоков с созданием гл. обр. меридиональной циркуляции жидкости и исключения образования воронок в стальных аппаратах устанавливают отражат. перегородки, в аппаратах с неметаллич. покрытия-ми-отражатели из сплющенных труб. В произ-вах особо чистых B-B и мед. препаратов внутр. пов-сть аппаратов в ряде случаев полируют. Конструкции наиб. часто применяемых мешалок показаны на рис. 2, области их использования, соотношения осн. размеров и др. данные, необходимые для расчетов, приведены в таблице.

Приводом мешалок служит обычно редуктор, соединенный с электродвигателем (мотор-редуктор) и размещенный на стойке, к-рая устанавливается на крышке аппарата. Мощность приводов стандартных аппаратов 0,75-55 кВт; частота вращения мешалок 0,4-4 с-1, при необходимости ее плавного регулирования в пределах 0,15-1,5 с-1 используют моторы-вариаторы мощностью 1,5-8,5 кВт. Герметизация валов при давлениях выше 0,6 МПа, а также при перемешивании токсичных, взрыво- и пожароопасных в-в осуществляется торцевыми уплотнениями, в менее ответств. случаях-сальниками. Надежная работа уплотнений обеспечивается подачей смазывающей или уплотняющей жидкости (вода, масло, глицерин и др.). Перемешивание нетоксичных, взрыво- и пожаро-безопасных жидкостей в открытых аппаратах объемом от 40 дм3 до 10 м3 производится переносными мешалками, устанавливаемыми на корпусе аппарата посредством струбцин либо на штативах с подъемником. В пром-сти минер. удобрений, при переработке горнохим. сырья и т.п. применяют открытые резервуары объемом 200-2500 м3 с тихоходными перемешивающими устройствами мощностью до 160 кВт. Для перемешивания в сооружениях еще больших размеров (напр., при очистке сточных вод) используют перемешивающие устройства, размещаемые на понтонах.

Наряду с аппаратами универс. назначения эксплуатируется ряд спец. конструкций. Для интенсификации теплообмена в высоковязких средах применяют аппараты со скребковыми мешалками; гомогенизацию многокомпонентных смесей, содержащих агрегирующиеся частицы (напр., при приготовлении красок), проводят в диссольверах - аппаратах объемом 0,5-2 м3 с быстроходными мешалками и приводами мощностью до 90 кВт; для полной герметизации аппаратов при обработке особо опасных в-в используют приводы с экранирующей гильзой или магн. муфтами.

3532-2.jpg

3532-3.jpg

Рис. 2. Конструкции мешалок: а турбинная; б трехлопастная; в фрезерная; г - якорная; д - рамная; е- ленточная; ж- шнековая.

Кроме механического перемешивания вращающимися мешалками применяют и др. способы. Напр., в процессах микробиол. синтеза, когда по технол. условиям жидкость взаимод. с большим кол-вом газа, перемешивание осуществляется самим газом (пневматическое перемешивание) путем его подвода в циркуляционную трубу (газлифтное перемешивание) или распределения по сечению аппарата с помощью барботеров (барботажное перемешивание). Смеси взаимно р-римых жидкостей приготовляют в непрерывно действующих смесителях, выполненных в виде элементов трубопроводов с турбулизирующими вставками. Перемешивание производится также посредством струй жидкости, вводимых в аппарат со скоростью 6 12 м/с непрерывно или пульсациями (струйное перемешивание), вибрационных мешалок перфориров. пластин, совершающих возвратно-поступат. движение с частотой 10 100 с 1 (вибрационное перемешивание). Конкурентоспособность этих способов перемешивания по сравнению с механическим пока не подтверждена.

Проектирование, расчет и выбор аппаратов. Интенсивность перемешивания, достаточная для проведения технол. процессов, достигается на практике обычно при использовании типовых аппаратов с перемешивающими устройствами, выбираемых по техн. каталогам. Стоимость таких аппаратов и трудоемкость их обслуживания, как правило, в 2-3 раза ниже, а надежность-в 1,5-3 раза выше, чем аппаратов, изготовляемых по спец. разработкам. Если же проектирование необходимо, его целесообразно производить с макс. применением стандартных узлов для обеспечения высокой надежности оборудования.

Механическое перемешивание изучено сравнительно полно: имеются методики и мат. модели, отражающие физ. механизм процесса и позволяющие осуществлять расчеты гидродинамики, теплообмена и массообмена со взвешенными частицами и др. с учетом св-в среды, конструкций мешалок и размеров аппаратов; созданы системы автоматизир. расчета и оптим. выбора оборудования из каталогов. Менее разработаны, однако, проблемы диспергирования капель и пузырьков в жидкости, массообмена в системах жидкость жидкость и газ жидкость, а также выравнивания концентраций перемешиваемых в-в в микроскопич. объемах (микроперемешивание). При оценочных расчетах перемешивания применительно к условиям, приведенным в таблице, можно пользоваться представленными ниже ф-лами.

Мощность мешалок и приводов. Расчет мощности (Вт), потребляемой на перемешивание, производится по ф-ле:

3532-4.jpg

где3532-5.jpg-плотность перемешиваемой среды (кг/м3), n-частота вращения (с-1) мешалки, dм-ее диаметр (м). Коэф. KN при турбулентном режиме изменяется мало, при ламинарном режиме зависит от числа Рейнольдса для перемешивания ReM = nd2м/3532-6.jpg, где 3532-7.jpg -кинематич. вязкость среды (м2/с). Для неньютоновских жидкостей 3532-8.jpg , где К и m-константы, определяемые св-вами среды, g = An (A-константа)-скорость сдвига при обтекании лопастей (с-1). Мощность привода мешалки (Вт) выбирается с учетом его кпд (ок. 0,8) и кратковрем. повышения мощности в период пуска: Nпр= 1,25 KпN, где Kп- коэффициент.

Скорость и циркуляц. расход жидкости при турбулентном режиме. В аппаратах без неподвижных внутр. устройств реализуется преим. окружное течение. Для турбинных мешалок скорость жидкости (м/с) уменьшается в направлении к стенке аппарата в пределах (0,5-0,15)ndм, для трехлопастных (0,3-0,1)ndм, для рамных -(0,5-0,2) ndм. При этом образуется воронка глубиной (м)

3532-9.jpg

где g -ускорение своб. падения (м/с2), Kв- коэффициент. Для нормальной работы аппарата расстояние между пов-стью жидкости и мешалкой должно быть не менее hв. В аппаратах с отражат. перегородками, отражателями и внутр. змееви-

ками наблюдается, как правило, меридиональное течение, и воронка не образуется. В аппаратах с мешалками циркуляц. расход жидкости3/с)

3532-10.jpg

где Kq коэф.; среднее значение коэф. турбулентной диффузии2/с) :

3532-11.jpg

где Kтконстанта.

Перемешивание и теплообмен. Коэф. теплоотдачи [Вт/(м2 град)] от перемешиваемой среды к стенке аппарата при турбулентном режиме определяется по ф-ле:

3532-12.jpg

где Сp теплоемкость среды [Дж/кг· град)], 3532-13.jpg число Прандтля, 3532-14.jpg теплопроводность среды [Вт/(м · град)], V объем жидкости3).

Перемешивание взаимно р-римых жидкостей проводят в аппаратах с мешалками всех типов. Время (с)выравнивания концентраций перемешиваемых в-в 3532-15.jpg , где 3532-16.jpg коэффициент.

Перемешивание и массообмен в гетерог. и гомог. системах. В первом случае при разности плотностей дисперсной и сплошной фаз 3532-17.jpg перемешивание осуществляют в аппаратах с отражат. перегородками; при 3532-18.jpg экономичнее аппараты без неподвижных внутр. устройств. При перемешивании взаимно нерастворимых жидкостей в отсутствие ПАВ средний диаметр капель (м) ,

3532-19.jpg

где s-коэф. поверхностного натяжения (Н/м), f объемная концентрация дисперсной фазы; в обычных условиях dк3532-20.jpg0,4-1мм. Равномерное распределение взвешенных частиц или капель в аппарате достигается при DT3532-21.jpg3Hw где H высота заполнения аппарата (м), w-скорость осаждения (всплывания) частиц (м/с). Условие распределения частиц при ламинарном режиме: 3532-22.jpg , где dапдиаметр аппарата (м). Наиб. размер частиц при перемешивании суспензий не должен превышать 1-2 мм. Коэф. массопередачи (м/с) от перемешиваемой жидкости к взвешенным частицам рассчитывается по ф-ле:

3532-23.jpg

где Sc = v/DM- число Шмидта, Dм-коэф. диффузии2/с) Обычно b3532-24.jpg5· 10-5, для капель b = (1 - 2)· 10-4 м/с.

При перемешивании в системах газ-жидкость расход газа3/с) не должен превышать значения 3532-25.jpg= 0,15nd3м. При N/3532-26.jpgV= 1 — 3 кВт/кг и 43532-27.jpg/pd2 = 0,001-0,005 м/с уд. газосодержание смеси в аппарате

3532-28.jpg

Средний диаметр пузырьков газа (м)

3532-29.jpg

Для расчета массообмена между газом и жидкостью обычно используют объемный коэф. массопередачи (с-1)

3532-30.jpg

где fуд -уд. пов-сть контакта фаз (м2).

При проведении в реакторах гетерог. р-ций, скорость к-рых лимитируется массообменом, интенсификация перемешивания приводит к повышению скорости превращения. При осуществлении гомог. р-ций перемешивание способствует распределению концентраций и т-ры, приближающемуся к равномерному (идеальное перемешивание). Степень близости к нему определяется отношением среднего времени пребывания среды в реакторе к времени выравнивания концентраций; это отношение принимается равным 10 и более и увеличивается с повышением скорости р-ции, ее порядка и теплового эффекта.

В лаб. практике применяют в осн. те же способы перемешивания, что и в пром-сти. Наиб. предпочтительно механическое перемешивание при относительно высокой регулируемой частоте вращения мешалок. Для перемешивания в открытых сосудах из стали и др. материалов обычно используют стеклянные и металлич. (большие кол-ва жидкости, вязкие среды, тяжелые осадки, напр. цинковая пыль или амальгама Na) мешалки разл. формы; частота вращения 5 125 с-1, потребляемая мощность до 60 Вт. Мешалки приводятся во вращение от электрич. и воздушных пневмоприводов, а также от водяных турбинок (при работе с легковоспламеняющимися жидкостями, напр. CS2 или эфиром). Перемешивание в открытых либо закрытых стеклянных сосудах осуществляют часто с помощью электромагн. 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 Fe. Последний помещают в графитовую, стеклянную или полимерную ампулу, к-рую запаивают и помещают на дно смесителя. Электромагн. мешалки применяют для перемешивания маловязких жидкостей (при гидрировании, электролизе, титровании и т.д.), при работе в глубоком вакууме и др. При необходимости изолировать реакц. смесь от действия воды и воздуха, а также для предотвращения утечки летучих B-B мешалки герметизируют резиновыми или корковыми пробками, жидкостными затворами (ртутными или глицериновыми), цилиндрич. стеклянными шлифами.

При приготовлении р-ров, взбалтывании смесей, перемешивание содержимого бутылей, колб и т.п., встряхивании делительных воронок, пробирок и пипеток используют разл. вибрационные и встряхивающие устройства. Для исследований при высоких давлениях перемешивание легкотекучих сред в малоинтенсивных режимах обеспечивается в автоклавах-качалках или вращающихся автоклавах в случае заполнения их жидкостью на 50 60%.

Лит Вертикальные стальные сварные аппараты с перемешивающими устройствами. Каталог, M.. 1978: Васильцов Э. А , Ушаков В. Г., Аппараты для перемешивания жидких сред. Л., 1979; Брагинский Л. H., Бегачев В. И , Барабаш В И , Перемешивание в жидких средах, M., 1984. Л. H. Брагинский

___

     © ХиМиК.ру




Реклама   Обратная связь   Дизайн