Аппараты для перемешивания жидкостей.

Аппараты для перемешивания жидкостей по динамике перемешивающих органов делятся на аппараты статического и динамического принципа действия.

Статические смесители (рис. 2) представляют собой устройства с не-              ­подвижными перемешивающими эле­ментами 1, встроенными в цилиндри­ческую трубу 2. Перемешивание и диспергирование жидкостей и суспен­зий осуществляется за счет использо­вания энергии потока при его многократном делении на элементарные струйки и их переориентации.

Рис.2.Схема статического смесителя.

 

Преимущества статических смеси­телей перед емкостной аппаратурой с пере-мешивающими устройствами и динамическими (вибрационными) смесителями, при сопоставимых результатах по качеству получаемых сме­сей, связано с низкой энерго- и метал­лоемкостью, простотой изготовления и обслуживания, компактностью и де­шевизной. Статические смесители на­ходят широкое применение при эмульгировании жидкостей.

Аппараты с мешалками. Механическое перемешивание производят в аппаратах динамического принципа действия, носящих общее название аппаратов с мешалками, В частных слу­чаях они носят названия, исходя из конкретного назначения аппа­рата (реактор, экстрактор, репульпатор, каустификатор и т. д.). Перемешивание производят с целью создания однородных раство­ров и суспензий и интенсификации процессов тепло- и массообмена (физического или в сочетании с химической реакцией). Для достижения указанных целей используют мешалки и ап­параты различных конструкций с учетом особенностей каждого конкретного процесса.

       Сосуды для аппаратов с мешалками имеют цилиндрическую форму и плоское, коническое либо эллиптическое днище. Обычно их устанав­ливают вертикально. В на-стоящее время химическое машинострое­ние изготовляет 10 типов стандар-тизированных сосудов для аппа­ратов с мешалками (ГОСТ 20680-75) вместимостью от 0,01 до 100 м³ и диаметром от 273 до 3200 мм. Они могут работать под вакуумом и под давлением до 6,4 МПа. Корпуса аппаратов изго­тавливают в 22-х исполнениях. Индекс стандартного аппарата обозначают по ГОСТ 25167-82 следующим образом. Например, индекс 1110-25-0,6У-001-У2 озна­чает, что аппарат имеет эллиптическое днище и приварную эллип­тическую крышку - первая цифра (1); гладкую приварную ру­башку - вторая цифра (1); рамную мешалку (10); вместимость 25 м³; может работать под давлением 0,6 МПа; выполнен из угле­родистой стали - буква У; номер модели - 001; следующая буква У указывает климатическое исполнение, а последняя цифра (2)- ка­тегорию размещения.

Выбор и заказ стандартных аппаратов с мешалками произво­дят по каталогам.

Корпус аппарата может быть изготовлен цельносварным (рис.3,а) или со съемной крышкой (рис.3,б). На крышке аппарата располагают штуцеры для напол-нения, монтажа конт­рольно-измерительных приборов, смотровые окна и люк, служа-щий для осмотра внутренней поверхности и ремонта. По требованию монтажных условий аппараты изготовляют с боковыми лапами и нижним штуцером для опорож-нения (рис.3,б) или на стой­ках, приваренных к днищу и с трубой для передавливания (рис.3,а) сжатым воздухом или инертным газом. Аппараты последней конструкции используют обычно для периодического процесса.

Внутри корпуса аппарата могут быть смонтированы перего­родки для предот-вращения завихрения жидкости и образования воронки. Наличие отражательных перегородок в аппарате вызы­вает значительное увеличение потребляемой мешалкой мощности, но мало влияет на интенсивность массообмена. Поэтому размеще­ние  их  в

растворителях и кристаллизаторах считается нецелесооб­разным.

В зависимости от условий ведения технологического процесса аппараты изго-

        

 

Рис. 3. Реакторы с мешалками:

а - периодического действия с рамной мешалкой и трубой передавливания; б-непрерывного действия с пропеллерной мешалкой и диффузором. 1 - электродвигатель; 2 - редуктор; 3 - сальниковые уплотнения;  4 - люк; 5 - термометр; 6 - штуцер для подачи пара; 7 - штуцер для конденсата; 8 - опорная лапа; 9 - воздуш­ник; 10 - труба передавливания; 11- штуцеры для подачи реагентов; 12 - сливной шту­цер; 13 - диффузор;                 14 - штуцер опорожнения.

 

 

товляют с теплообменной рубашкой или без нее. Если разбавление раствора не играет существенной роли, нагрев его можно производить острым паром, подаваемым через  эжектор, введенный в раствор. Использовать аппараты со змеевиками в про­изводстве кристаллических веществ нежелательно из-за быстрого их обрастания осадком и затруд-нения очистки.

При необходимости быстрого смешения двух растворов шту­церы ввода обоих рас-творов размещают в верхней части централь­ной трубы, охватывающей вал мешалки. Верхняя часть трубы вы­ступает из раствора, а нижняя подходит к пропеллерной мешалке, толкающей раствор вниз. Такая конструкция аппарата позволяет быстро смешивать концентрированные растворы, не разбавляя их прореагировавшим раствором, что важно при проведении процесса с целью получения высокодисперсного осадка (например, в произ­водствах сульфата и карбоната бария).

Быстрое снижение пересыщения (при получении крупнокри­сталлического осадка) достигается за счет разбавления исходных реагентов прореагировавшей смесью. Для этого растворы вводят в реактор через погружные штуцера до нижнего среза диффузора, в котором расположена пропеллерная мешалка, толкающая раствор вверх (рис.3, б). Имеющаяся в реакторе твердая фаза может служить затравкой для вновь кристаллизую­щегося вещества.

Хотя конструкции аппаратов с мешалками и относятся к аппа­ратам идеального смешения, в непрерывных процессах полное смешение не может быть достигнуто в оди- ночном аппарате. Кроме того, при ведении процессов массообмена (растворение, кристал­лизация и т. д.), в нем трудно обеспечить необходимое время пре­бывания твердых частиц. Поэтому аппараты смешения объединяют в многоступенчатые системы, в которых рас-твор перетекает из одного аппарата в другой самотеком. Конструктивно многосту- пенчатые системы оформляют или в виде каскада последовательно соединенных            аппаратов (рис.4) или в виде горизонтального аппарата, разделенного на секции                                пе­регородками (рис.5).

 

Рис.4. Каскад аппаратов с мешалками (батарея кристаллизаторов).

 

 

Рис.5. Реакторы производства экстракционной фосфорной кислоты.

а – цилиндрический секционный экстрактор; б – прямоугольный секционный экстрактор

 

В аппаратах (секциях) большой вместимости для создания интенсивного перемешивания во всем объеме следует устанавли­вать несколько мешалок (рис. 5, а).

В случаях, когда выравнивание концентрации раствора по всему объему аппа-рата несущественно, но необходимо продолжи­тельное пребывание частиц (медленно оседающих) в аппарате, используют обычно аппараты с большим отношением высо-ты сосуда H к его диаметру D, снабжен­ные рамными или лопастными мешалками, создающими интен­сивную окружную циркуляцию (например, смеситель известного молока с фильтровой жидкостью содового производства или кау­стификатор первой ступени каустификации в производстве едкого натра известковым способом).

При абсорбции газов можно использовать аппараты, высота которых в несколь-ко раз превосходит диаметр, а на валу распо­ложены несколько турбинных мешалок на расстоянии 0,8 D друг от друга. Такое решение дает возможность обеспечить интен-сив­ное перемешивание во всем объеме, добиться большого и точно определенного време-ни контакта, что в итоге позволяет достичь большой движущей силы процесса. Расход энергии в этом случае ниже, чем в аппарате большего диаметра с одной мешалкой. При установке на одном валу нескольких мешалок расстояние между ними не должно быть менее диаметра мешалки d и обычно не превышает 3d. Уровень жидкости над верхней мешалкой составляет (1,5 2,0) d.

Конструкция мешалки, как и тип сосуда, играют наиболее важную роль в процессе перемешивания. Так, аппарат с отража­тельными перегородками обеспечивает режим перемешивания иной, чем аппарат без перегородки, даже если в них установлена одна и та же мешалка.

В основной неорганической технологии используют пропеллер­ные, турбинные, лопастные и рамные мешалки. ГОСТ 20680-75 регламентирует 12 основных типов ме­шалок. Наиболее часто применяемые типы мешалок показаны на рис.6.     .                                  

Рис.6. Типы мешалок:

а, б – турбинные с наклонными лопатками; в - трехлопастная; г, д - турбинные с пря­мыми лопастями; е - лопастная; ж-u - рамные.

 

В наиболее общем случае их можно разделить на быстроходные и тихоходные.      К быстроходным относят пропеллерные и турбинные мешалки схема работы которых показана на рис.7. Эти мешалки в зависимости от формы лопастей и способа их уста­новки могут создавать радиальный, осевой и радиально-осевой по­токи жидкости.

Быстроходные мешалки обычно работают в аппа­ратах с отражательными пере-городками. Отсутствие перегородок приводит к завихрению жидкости и образованию воронки (рис. 7, в). При этом жидкость плохо перемешивается, снижается турбулент­ность потока и полезный объем аппарата. Число перегородок в аппаратах составляет обычно четыре, а их ширина - В   0,1D. В случае жидкостей, имеющих вязкость, близкую к вяз- кости воды, перегородки располагают у самой стенки аппаратов. Для жидкостей  с  повы-

шенной вязкостью (  > 7 Па·с) такое расположение перегородок приводит к образо-ванию застой­ных зон вокруг перегородок, поэтому в этом случае их распола­гают на не-котором расстоянии (0,2  0,5) В от стенки аппарата. Роль перегородок, предот-вращающих образование воронок, могут исполнять стойки змеевиков, гильзы термо-метров, погруженные патрубки наполнения и т. д.

 К тихоходным относят лопастные и рамные мешалки. Они соз­дают в основном окружной поток жидкости.                               

 

Рис. 7. Схема работы турбинной и пропеллерной мешалок:

а - турбинная, аппарат с перегородками; б - пропеллерная, аппарат с перегородками;   в­ – пропеллерная, аппарат без перегородок.

 

Например, смеситель содового производства и каустификаторы 1 ступени в произ-водстве едкого натра снаб­жены рамными мешалками, а сборники  и  напорные  баки  из-вест­кового  молока - лопастными;  пропеллерные мешалки применяют в реакторах и вакуум-кристаллизаторах производства соединений бария, экстракторы фосфорной кислоты оборудованы турбинными мешалками.  

Вибросмесители осуществляют перемешивание жидких сред турбулентными струями, возникающими при осевом движении диска (рис. 8) в перемешиваемой среде [5].      Схема конструкции вибросмесителя показана на рис. 8. В корпусе вибро-смесителя помещен перфорированный диск, укрепленный на штоке и совершающий колебания посредством вибровозбудителя. Последний изолирован от опорной конс-трукции при помощи упругой подвески. Для перемешивания пульп диск устанав-ливают на небольшом рас­стоянии от дна аппарата колебательном движении перфори-рованного (0,3 0,5 длины струи, определяемой опытным путем) для размыва образу-ющегося на дне осадка из наиболее тяжелых частиц пульпы. Конус перфорации при этом направлен большим основанием вниз. Оптимальный угол раство­ра конуса составляет 97⁰. Диаметр диска обычно не превышает 700 ­800 мм, при больших диаметрах необходимы конструктивные решения, повышающие жесткость диска. Диаметр штока в современных аппаратах ограничивается размером око­ло 70 100 мм, его длина - 4,5 м. Герметизация крышки ап­парата, через которую проходит шток, обеспечивается диафраг­мами из листовой резины.                                                                               В химической промышленности используют  вибросмесители с объемом аппаратов 0,2 3 м³. 

Рис.8. Вибросмеситель для перемешивания жидкостей: 1- корпус; 2 - перфорированный диск; 3 - шток; 4 - вибровозбудитель; 5- упругая подвеска.

Корпус аппарата изготавли-вают из стали, для агрессивных сред - из нержавеющей. Внутрен-няя поверхность может быть футе-рована кислотоупорным кирпи-чом, свинцом или резиной. Дно аппарата для перемешивания жид-костей и легких пульп делают плоским или сферическим, для тяжелых пульп - кони­ческим.         В качестве материала штока для уменьшения массы колеблю-щихся частей целесообразно при-менение титана. Число дисков на штоке и число штоков зависит от размеров аппарата.       В качестве привода вибро-смесителей используют электро­магнитные и дебалансные вибро-возбудители, причем примене­ние первых предпочтительнее из-за большего ресурса работы, возмож-

ности   управления       амплитудой колебаний и лучшей уравновешенности системы

2.1. Выбор мешалки [1]

В настоящее время не выработан универсальный критерий, позволяющий выбрать оптимальный вариант мешалки. При выборе мешалки часто руковод-ствуются результатами лабораторных и промышленных опытов. Предварительный выбор мешалки можно сделать по рис. 9, где соответствующая кривая показывает верхнюю границу работы данного типа мешалки.

Рис.9.Диапазон применения различ-ных типов ­мешалок: I – модифицированные лопастная  и рам­ная;  II –  лопастная  и рамная;  III - турбинная;    IV–пропеллерная.

Рис.10. Пропеллерная (вин-товая) мешалка.   Пропеллерные (винтовые) ме­шалки (рис.10) считаются наибо­лее эффективными, когда необхо­димо со-здать в аппарате значитель­ную осе-вую циркуляцию при мини­мальном расходе энергии. Отношение диа-метра мешалки к диаметру аппарата составляет d/D = 0,20 0,33; окружная скорость концов лопастей - u = 3,6 16 м/с.

Одной из наиболее важных характеристик винтовой мешалки является ее шаг, свя-

занный с углом наклона  лопасти на ра­диусе r зависимостью:

                                                              а = 2 r tg .                                                                 Обычно эти мешалки конструируют с неизменным шагом по радиусу. Наклон лопастей меняется.  Минимальный наклон - на наружной поверхности, максимальный - у втулки. Наиболее рас­пространены мешалки с шагом а = d   или =18⁰. Встречаются также мешалки, имеющие угол наклона конца лопастей 45⁰.  Эти мешалки имеют шаг        а = d.  Они обеспечивают лучшую циркуля­цию жидкости в аппарате. Иногда пропеллерные мешалки снабжают диффузором (цирку­ляционной трубой), который дает возможность обеспечить явно осевую циркуляцию жидкости в аппарате и позволяет устанавли­вать пропеллер выше, что сокращает длину вала. Пропеллерные мешалки имеют от 2 до 4 лопастей (чаще 3) и частоту вращения  7  40 с^-1.  При   отношении   a/d =  пропел­лерная мешалка превращается в турбинную мешалку с прямыми лопат­ками эллиптической конфигурации.

Пропеллерные мешалки наиболее эффективны при необходи­мости создания значи-тельной циркуляции жидкости в аппарате, особенно в сосудах с выпуклым дном. В аппа-ратах с плоским дном применять их не следует. Диаметр дисперсных частиц не должен превышать 0,5 мм, а их объемная доля 10 %. При перемешивании в очень больших емкос-тях пропеллерные мешалки дают больший эффект, чем турбинные, но они неприем­лемы для диспергирования газа в жидкости. Ввиду сложности изготовления винтовых мешалок рекомен­дуется вместо них использовать трехлопастные мешалки с углом наклона лопаток к плоскости вращения 24⁰ и их шириной b = 0,2 d (см. рис. 6, в). Эти мешалки имеют характеристики, близкие с винтовыми.                                           Турбинные мешалки снабжены 4-8 лопатками (обычно - 6). Отношение d/D, как и для пропеллерных, составляет 0,20 0,33. Частота вращения п = 2  20 с^-1, так что окружная скорость и= dп концов лопаток колеблется в пределах 3 16 м/с.

Турбинные мешалки с прямыми лопатками (см. рис.6 г,д)создают в основном радиальный поток жидкости, а мешалки с на­клонными лопатками (см. рис. 6 а, б) - радиально-осевой поток. Угол наклона лопаток составляет обычно 45⁰.

Рекомендуется использовать турбинные мешалки для процес­сов растворения, теплообмена, суспензирования, абсорбции газов и проведения химических реакций.

В процессах с использованием суспензий предпочтительно при­менять турбинные мешалки с наклонными лопастями, предупреж­дающими седиментацию частиц.

Быстроходные мешалки устанавливают в сосуде на высоте 0,3 D. Высота жидкости в аппарате составляет (1,0 1,3) D.

Лопастные мешалки (см. рис. 6, е)отличаются от турбинных отношением d/D, частотой вращения и числом лопастей. Диаметр d и ширину лопастей b обычно прини-мают в пределах d = (0,5  0,8) D и b = 0,l d. Высота установки от дна сосуда h =(0,1 0,3) D, а высота жидкости в сосуде Н = (0,8  1,3) D. Число лопастей состав-ляет обычно 2, редко - 4. Для перемешивания в высоких аппаратах на одном валу можно установить несколько мешалок по высоте, расстояние между которыми выбирают равным 0,3 0,8 d. Окружная скорость их находится в пределах 1,5 5 м/с. Лопасти мешалок располагают обычно вертикально или с накло­ном в 45⁰. Наклонные лопасти более интенсивно перемешивают жидкость, чем прямые.

Лопастные мешалки из-за простоты изготовления применяются в тех случаях, когда нет необходимости в интенсивной радиально-осевой циркуляции жидкости в аппа-рате. Они создают главным образом окружную циркуляцию жидкости и лишь незна-чительную радиаль­но-осевую. Их недостаток - слабая интенсивность перемешивания.

Рамные мешалки ( см. рис. 6 ж – и) отличаются низкими значениями частоты вра-щения (0,3 1 с^-1)  и окружной скорости (0,5 2,5 м/с). Диаметр мешалок приближается к диаметру аппа­рата, и зазор между лопастью и стенкой сосуда обычно находится в пре-делах (0,005 0,1) D; b = 0,06 d. Рамные мешалки можно ис­пользовать для перемешивания жидкостей (суспензий) с высокой вязкостью (до 100 Па·с).

Для усиления турбулентности жидкости и интенсивности перемешивания во всем объеме аппарата внутри рамы могут уста­навливаться дополнительные мешалки, лучше всего с наклонными лопастями (см. рис. 6, з).

Используют рамные мешалки при необходимости создания интенсивного переме-шивания за счет окружной циркуляции. Они препятствуют (замедляют) обрастанию сте-нок аппарата твердыми частицами вследствие высоких скоростей жидкости вдоль стенок.

Вибросмесители по сравнению с лопастными смесителями конструктивно более просты и надежны, имеют более высокую производительность, меньшие экс-плуатационные расходы и дают лучшее ка­чество смешения. Так, например, эмульсия парафинового масла в воде, приготовленная в вибросмесителе, начинает расслаи-ваться че­рез 360 с, тогда как та же эмульсия, получен­ная во вращающемся механическом смесителе, расслаивается через 180 с.

Смесители этого типа можно также успешно использовать при проведении тех-нологи­ческих процессов (растворения, выщелачивания, диспергирова­ния и т. д.), при которых необходима подача газообразного компонента. При этом в 2 10 раз улуч-шается абсорбция газа жидкостью (например, хлора известковым молоком) На­прав-ление колебаний перфорированных дисков - вертикальное. При частоте 50 100 Гц амплитуда колебаний равна 2 4 мм,  для частот 25 30 Гц - 3 4 мм.

Вибросмесители особенно при­годны для суспензий с микробиологичес- кими структурами. Для этой цели выпускается ряд контактных аппаратов объемом от 1 6 л (лабораторный вариант) до 5000 л. Аппараты снабжаются необходимыми изме-рительными устройствами (датчиками рН, рО₂ и т. д.), рубашкой с теплоносителем для под­держания рабочей температуры, приборами для автоматического управления.