ПЕРЕМЕШИВАНИЕ

способ получения однородных смесей и(или) интенсификации тепло- и массообмена в хим. аппаратуре. В соответствии с агрегатным состоянием B-B или материалов различают П. жидких сред, к-рому посвящена данная статья, и П. твердых сыпучих материалов (см. Смешение). П. 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 П. зависят от конструкций аппаратов и мешалок.

Способы П. и устройство аппаратов. Наиб. распространено механическое П., осуществляемое с помощью вращающихся мешалок в вертикальных цилиндрич. аппаратах (рис. 1) объемом от 10 дм ³ до 50 м ³ (иногда до 2000 м ³ и

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

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 П. 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.). П. нетоксичных, взрыво- и пожаро-безопасных жидкостей в открытых аппаратах объемом от 40 дм ³ до 10 м ³ 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 м ³ с тихоходными перемешивающими устройствами мощностью до 160 кВт. Для П. 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 м ³ 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.

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

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

Проектирование, расчет и выбор аппаратов. Интенсивность П., 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 П. 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 П. применительно к условиям, приведенным в таблице, можно пользоваться представленными ниже ф-лами.

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

где -плотность перемешиваемой среды (кг/м ³), n-частота вращения (с ^-1) мешалки, d _м -ее диаметр (м). Коэф. N при турбулентном режиме изменяется мало, при ламинарном режиме зависит от числа Рейнольдса для П. Re_M = nd² _м/, где -кинематич. вязкость среды (м ²/с). Для неньютоновских жидкостей , где Ки 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: N _пр=1,25 K _пN, где K _п -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)nd _м, для трехлопастных (0,3-0,1)nd _м, для рамных -(0,5-0,2) nd _м. При этом образуется воронка глубиной (м)

где g-ускорение своб. падения (м/с ²), K _в -коэффициент. Для нормальной работы аппарата расстояние между пов-стью жидкости и мешалкой должно быть не менее h _в. 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 жидкости (м ³/с)

где q коэф.; среднее значение коэф. турбулентной диффузии (м ²/с) :

где K _т константа.

П. и теплообмен. Коэф. теплоотдачи [Вт/(м ² град)] от перемешиваемой среды к стенке аппарата при турбулентном режиме определяется по ф-ле:

где С _p теплоемкость среды [Дж/кг