CC BY
33
Инженерно-технические науки Engineering-technical sciences
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ПРОЦЕССА ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ЖИДКИХ СРЕД
Д.С. Бальмонт, П.П. Гуюмджян, Т.М. Бальмонт
Ивановский государственный архитектурно-строительный университет
Проведен анализ процессов перемешивания. Рассмотрена физико-химическая природа процессов перемешивания. Исследована зависимость эффективности перемешивания от частоты вращения мешалки. Разработана высокоскоростная мешалка гидродинамического типа.
Процесс перемешивания является одним из наиболее распространенных в химической технологии и смежных с ней отраслях промышленности. Перемешивание может протекать самопроизвольно или же принудительным путем вследствие подвода к системе извне механической энергии, например с помощью мешалок. Аппараты с перемешивающими устройствами используются для проведения весьма разнородных технологических процессов, таких как кристаллизация, абсорбция, экстрагирование, гомогенные и гетерогенные химические реакции и т. д.
Рассматривая физико-химическую природу этих процессов, можно выделить несколько групп явлений, которые непосредственно связаны с условиями перемешивания:
1) смешение взаимно растворимых жидкостей;
2) выравнивание температуры в объеме перемешиваемой среды;
3) распределение взвешенных час-
тиц в объеме жидкости или предотвращение их оседания;
4) диспергирование капель жидкости или пузырьков газа;
5) теплообмен;
6) массообмен.
По физическому механизму процессы, протекание которых ускоряется при перемешивании, можно подразделить на три основные группы.
Первую из них составляют процессы переноса растворенных веществ, взвешенных частиц и теплоты на расстояния, не слишком малые по сравнению с размерами аппарата.
Ко второй группе относятся процессы дробления капель и пузырьков. Размеры капель и пузырьков малы по сравнению с размерами аппарата, поэтому конечный результат перемешивания — диаметр образующихся капель и пузырьков мало зависит от макрохарактеристик потока. Он определяется главным образом интенсивностью микромасштабной турбулентности или величиной сдви-
говых усилий в малых элементах объема, сопоставимых по размерам с частицами дисперсной фазы. К данной группе следует также отнести случаи, когда выравнивание концентраций реагирующих веществ на макроуровне недостаточно для нормального протекания химических реакций. Здесь существенную роль играет скорость подвода или отвода веществ на микроуровне, вплоть до расстояний, на которых проявляются силы межмолеку-лярного взаимодействия. Хотя скорость переноса в элементах объема столь малых масштабов (явление микросмешения) определяется, в первую очередь, физико-химическими свойствами среды и диффундирующих веществ, на нее оказывает влияние и микромасштабная структура потока.
Третью группу образуют явления тепло- и массообмена на границах раздела жидкость — корпус аппарата, жидкость — внутренние устройства, жидкость — взвешенные частицы, капли, пузырьки. Основное влияние на скорость переноса теплоты или вещества при этом оказывают характеристики пограничного слоя, которые зависят от условий течения перемешиваемой среды в непосредственной близости к межфазной поверхности.
Во всех рассмотренных случаях интенсификация технологических процессов является результатом течения жидкости в аппарате, однако требования к характеристикам потока и конструкции аппарата могут быть различными в зависимости от особенностей интенсифицируемых явлений и характерного для них масштаба.
Наиболее важными характеристиками перемешивающих устройств, которые могут быть положены в основу их сравнительной оценки, являются:
1) эффективность перемешивающего устройства;
2) интенсивность его действия.
Эффективность перемешивающего устройства характеризует качество проведения процесса перемешивания и может быть выражена по-разному в зависимости от цели перемешивания. Например, в процессах получения суспензий эффективность перемешивания характеризуется степенью равномерности распределения твёрдой фазы в объёме аппарата; при интенсификации тепловых и диффузионных процессов - отношением коэффициентов тепло- и массоотдачи при перемешивании и без него. Интенсивность перемешивания определяется временем достижения заданного технологического результата или числом оборотов мешалки.
Продолжительность гомогенизации зависит от типа мешалки и частоты её вращения и определяется по эмпирическому уравнению
с,
т = — п
где Ст — константа, зависящая от типа мешалки (определяется экспериментально), для стандартных мешалок Ст приводится в справочной литературе; п — частота вращения мешалки, с-1.
Таким образом, эффективность перемешивающего устройства во многом зависит от частоты вращения мешалки.
В ходе исследования процессов перемешивания жидких и гетерогенных сред, а также аппаратов для их перемешивания была разработана высокоскоростная мешалка гидродинамического типа.
Общий вид высокоскоростной мешалки гидродинамического типа представлен на рис.1. Разрабатываемое устройство состоит из герметичной емкости (1) и электродвигателя (2), который закреплен на крышке (4). Основным рабочим органом аппарата является мешалка (5), которая закреплена неподвижно на валу (3) электродвигателя.
Рис. 1 Общий вид высокоскоростной мешалки
RESEARCH OF MECHANISMS OF THE LIQUID MEDIUMS AGITATING PROCESS
D.Balmont, P.Guyumdzhjan, D.Balmont
The article analyzes the agitating processes and considers their physical and chemical nature. The authors researched association of agitating efficiency from agitator rotating speed and have developed a high-speed agitator of hydrodynamic type.
