Перемешивание в жидких средах. Механическое перемешивание. Мощность перемешивания. Перемешивание в статических смесителях, страница 7

Cопла для перемешивания жидкостей обычно используют в сочетании с насосом, который всасывает жидкость из сосуда и нагнетает ее обратно в емкость через трубу, заканчивающуюся соплом, погруженным в жидкость. Для увеличения эффективности подсоса жидкости сопло снабжают также диффузором или направляющим аппаратом.

Следует отметить, что пневматическое перемешивание является мало интенсивным процессом. Расход энергии при нем больше, чем при механическом. Применяют этот метод в основном в процессах массообмена между жидкостью и паром (газом), где благодаря диспергированию последних достигается большая поверхность массопередачи, а также в системах аэрации воды для насыщения ее кислородом и доокисления вредных примесей.

При проектировании аппаратов для пневматического перемешивания необходимо обеспечить такое расположение устройств для ввода газа, чтобы путь движения пузырьков был максимальным. Лучший результат перемешивания и соответственно меньший расход газа будет в высоких сосудах, чем в низких. Диаметр отверстий в барботажных устройствах обычно составляет 3÷5 мм. Отверстия меньшего диаметра легко засоряются, а большего – ухудшают перемешивание.

14.5 Перемешивание в статических смесителях

Одним из эффективных способов перемешивания является перемешивание в статических смесителях. Статические смесители выгодно отличаются от других конструкций отсутствием движущихся элементов и сочетают в себе одновременно высокую производительность, эффективность, низкую энергоемкость, небольшие габариты, простоту конструкции, возможность изготовления из самых разнообразных конструкционных материалов (металлов, полимеров, керамики и т.п.), надежность в эксплуатации.

Самым простым статическим смесителем можно считать обычный трубопровод. При движении жидкостей в турбулентном режиме по трубопроводам под действием турбулентных пульсаций происходит перемешивание среды, и при длине трубопровода более чем 100 диаметров (т.е. l/d ≥ 100) смесь гомогенизируется. Для сокращения длины, а следовательно, и времени перемешивания, в трубопроводе устанавливают различные турбулизирующие вставки (рис. 14.14).

Выбор типа вставок зависит от физико-химических свойств перемешиваемых сред и цели перемешивания. Для смешения и диспергирования маловязких сред с вязкостью до 1 Па×с целесообразно использовать турбулизирующие вставки (рис. 14.14, а, б), для более вязких – вставки, работающие по принципу закручивания потока жидкости в различных направлениях, разделения потока на части с последующим их объединением и т.п. (рис. 14.14, в, г, д).

Наличие турбулизирующих вставок приводит к сложной структуре потока в смесителе. За турбулизатором образуется циркуляционная зона, аналогичная той, которая возникает за лопастью вращающейся мешалки, в которой жидкости интенсивно смешиваются. Размеры циркуляционной зоны достигают максимума на некотором расстоянии от вставки, а затем уменьшаются. Профили пульсационных скоростей резко неоднородны в пределах циркуляционной зоны, но по мере удаления от турбулизатора они постепенно сглаживаются. Радиальные составляющие осредненной (по времени) скорости значительны в небольшой окрестности турбулизатора и в конце циркуляционной зоны. В остальном объеме аппарата они малы. Это приводит к тому, что при расстояниях между турбулизаторами, превышающих длину циркуляционной зоны, основной вклад в радиальное смешение вносит турбулентная диффузия.

    

а                                                                                       б

в

    

г                                                                                                    д

Рисунок 14.14 – Основные типы вставок

Основными характеристиками смесителей с турбулизирующими элементами, определяющими эффективность их работы, является длина, на которой достигается заданная степень перемешивания, и затраченная при этом энергия. При прочих равных условиях предпочтительно использовать менее энергоемкий аппарат способный обеспечить смешение на меньшей длине. На практике возникает необходимость минимизировать либо длину смесителя, либо энергозатраты, которые в статическом смесителе равны перепаду давления. При одинаковых значениях плотности среды и скорости ее движения перепад давления определяется значением коэффициента гидравлического сопротивления.