Анализ конструктивных особенностей процесса перемешивания в химических реакторах

Средства для выпрямления  потока применяются не только при образовании центральной воронки, но и при использовании мешалок с тангенциальным потоком. В этом случае можно опасаться, что при каких-то размерах мешалки и определенном числе оборотов ее жидкость в сосуде будет вращаться с такой же мгновенной скоростью, как и мешалка. Очевидно, что в этих условиях перемешивание окажется совершенно неэффективным [1].

 

1.4.1 Интенсивность перемешивания при образовании воронки

 

Для анализа влияния воронки, образующейся при работе мешалки, на интенсивность перемешивания используем снова схемы линий тока, которые можно получить при киносъемке движения тонких полосок окрашенного полихлорвинила в сосуде с мешалкой. При пуске мешалки полоски полихлорвинила, осевшие на дно сосуда, начинают кружиться по дну, затем они постепенно отрываются от него и подсасываются (поднимаются) к мешалке. Оттуда частицы с потоком жидкости, стекающей с мешалки, попадают в объем жидкости и распределяются в ней соответственно характеру потока, образованного мешалкой. При перемешивании жидкости пропеллерными мешалками частицы поднимаются прямо к поверхности жидкости, а при перемешивании турбинными мешалками отлетают к стенкам сосуда, откуда вместе с потоком жидкости возвращаются к оси сосуда и снова засасываются турбинкой. Если число оборотов мешалки возрастает, скорость движения частиц жидкости увеличивается, и кратность прохождения их через мешалку повышается. Твердые частицы распределяются в жидкости при этом приблизительно равномерно. При дальнейшем увеличении числа оборотов возникает воронка, которая вначале имеет переменную форму и глубину, однако через определенное время устанавливается на определенной глубине и приобретает типичную форму. Как показано на рисунке 3, суспендирование частиц происходит наиболее интенсивно только в той части жидкости, которая находится ниже вершины воронки [2].

 

 

Рисунок 3 – Перемешивание при образовании центральной воронки

 

 

При дальнейшем увеличении числа оборотов воронка углубляется настолько, что достигает мешалки. Как изображено на рисунке 4, интенсивность перемешивания в этом случае ничтожна, и частицы, как и при малых числах оборотов, будут только перемещаться по дну сосуда.

Рисунок 4 – Перемешивание при центральной воронке, достигающей мешалки

 

Кроме того, в результате ударов, получаемых мешалкой при работе в смеси жидкости и воздуха, т. е. в среде переменной плотности, вал мешалки начинает колебаться. Подобный опыт можно произвести и с двумя взаимно – несмешивающимися жидкостями. В этом случае за всем процессом можно проследить непосредственно. При образовании воронки более легкая жидкость подсасывается к центру сосуда и дробится мешалкой на крупные капли, распределяющиеся в более тяжелой жидкости. Большие капли, однако, тотчас же всплывают и возвращаются в слой легкой жидкости. Диспергирование при образовании воронки ничтожно. Центробежная сила, возникающая за счет спирально-кругового движения содержимого сосуда, еще более способствует разделению обеих жидкостей. [1]

При вращательном движении жидкости в аппаратах с незначительным сопротивлением внутренних устройств  наблюдается образование центральной  воронки, сопровождающееся подъёмом жидкости у стенки аппарата. В результате внутренние кромки лопастей верхней мешалки могут обнажиться, что приведёт к существенному уменьшению крутящего момента, приложенного к среде [3].

B									φ1
24
20
16
12
8
4
0
-1,5	-1	-0,5		0		0,5      1		1,5

Рисунок 3 – График зависимости  параметра глубины воронки В от окружной скорости φ₁

 

Отрицательные воздействия, связанные с образованием воронки, практически исключаются, если вершина  воронки располагается выше ступицы  мешалки. Поэтому одним из условий  приемлемости перемешивающего устройства вертикального емкостного аппарата является:

 ,     (25)  

где – глубина центральной воронки в аппарате, т.е. расстояние от свободного уровня жидкости при отсутствии перемешивания до нижней точки воронки, возникающей при работе мешалки; В(φ₁) – параметр глубины воронки, значение которого определяется по графику, представленному на рисунке 5; h_м – минимально допустимая высота расположения верхней мешалки над днищем аппарата [3].

Список использованных источников

 

1. Штербачек З., Тауск П. Перемешивание в химической промышленности. Чехия, пер. с чешского под ред. Павлушенко И.С. Л., Госхимиздат, 1963 г. 416 с.

2. Стренк Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками. Польша, 1971. Пер. с польск. под ред. Щупляка И.А. Л., «Химия», 1975.

3. Карпушкин С.В. Расчёты и выбор механических перемешивающих устройств вертикальных емкостных аппаратов: учебное пособие / С.В. Карпушкин, М.Н. Краснянский, А.Б. Борисенко. – Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2009. – 168 с.