Лекция 16. Смешение и аппараты для проведения процессов смешения

Раздел 7. Процессы химической технологии.

Контрольные вопросы

1. Какие виды зубчатых передач вы знаете? Каковы их достоинства и недостат­ки?

2. Почему зацепление зубчатых колес называется эвольвентным? Назовите основные

параметры эвольвентного зацепления.

3. Какие виды разрушения зубьев бывают?

4. Какие силы действуют в цилиндрических зубчатых передачах?

5. По каким напряжениям выполняют расчет зубчатых передач?

6. Какие силы действуют в прямозубой конической передаче?

7. Какие виды червячных передач вы знаете? Какие бывают червяки?

8. Какой материал используют для изготовления червяка и колеса?

9. Назовите основные геометрические параметры.

10. Какие силы действуют в зацеплении червячной передачи?

11. По каким напряжениям проводят расчет червячных передач?

12. Какие зубчатые передачи называют планетарными?

Назовите их достоинства и недостатки.

Процессы смешения широко используются в химической промышленности для приготовления эмульсий, суспензий и получения гомогенных систем (растворов), а также для интенсификации химических тепловых и диффузионных процессов. В последнем случае перемешивание осуществляют непосредственно в предназначенных для проведения процессов аппаратах, снабженных перемешивающими устройствами.

Цель перемешивания определяется назначением процесса. При приготовлении эмульсий для интенсивного дробления дисперсной фазы необходимо создавать в перемешиваемой среде значительные срезающие усилия, зависящие от величины градиента скорости.

В случае гомогенизации, приготовления суспензий, нагревания и охлаждения перемешиваемой гомогенной среды целью перемешивания является снижение концентрационного или температурного градиента в объеме аппарата.

При использовании перемешивания для интенсификации химических процессов в гетерогенных системах создаются лучшие условия для подвода вещества в зону реакции, к граням раздела фаз или к поверхности теплообмена.

Перемешивание применяют в процессах абсорбции, выпаривании экстрагирования и других процессах химической технологии.

Способы перемешивания. Способы перемешивания и выбор аппаратуры для его проведения определяются целью перемешивания и агрегатным состоянием перемешиваемых материалов. Широкое распространение в химической промышленности получили процессы перемешивания в жидких средах.

Независимо от того, какая среда смешивается с жидкостью -жидкость или твердое сыпучее вещество, различают два основных способа перемешивания в жидких средах: механический (с помощи мешалок различных конструкций) и пневматический (сжатым воздухом или инертным газом).

Механическое перемешивание

Наибольшее распространение в химической промышленности получило перемешивание с введением в перемешиваемую среду механической энер­гии из внешнего источника. Механическое перемешивание осуществляется с помощью мешалок, которым сообщается вращательное движение либо непосредственно от электродвигателя, либо через редуктор или клиноременную передачу.

По устройству лопастей различают мешалки трехлопастные, турбинные, лопастные, рамные, винтовые и т.д.

Смешение твердых материалов

Конструкции аппаратов для смешения твердых (сыпучих) материа­лов - смесителей в основном зависят от метода смешения (пе­ресыпка, перелопачивание, псевдоожижение и др.) физико-механиче­ских, химических и других свойств отдельных компонентов и их смесей, а также от требуемого качества и интенсивности смешения.

При смешении любого числа компонентов анализ качества смеси обычно проводят путем оценки распределения одного («ключевого») компонента в остальной системе методами статистического анали­за.

Устройство смесителей. Ниже рассматриваются некоторые типы смесителей периодического и неп­рерывного действия, применяемые в химической промышленности.

Смесевые барабаны. Смесевый барабан (рис.7.1) представляет собой цилиндричес­кий корпус /, вращающийся на опорных роликах 2. Барабан снабжен внутренними спиральными ребрами 3 и полками 4 для луч­шего перемешивания материала. Смесевый барабан является аппа­ратом периодического действия. Загрузка и выгрузка материала про­изводится с помощью шнека 5.

Смесевые барабаны выполняются также с корпусом другой формы (призматической, цилиндро-конической и др.), вращающимся в цапфах на горизонтальном валу.

Эти смесители просты по устройству, но пригодны лишь для смеше­ния сухих порошкообразных материалов и требуют значительного вре­мени смешения. Поэтому аппараты такого типа в настоящее время вытес­няются более эффективными смесителями.

Смесители с вращающимися лопастными рабо­чими органами (рис.7.2) применяются не только для смешения сухих твердых материалов, но также для приготовления густых и вязких каше­образных и тестообразных масс и паст.

К таким смесителям относится конструкция, показанная на рис.7.2 а. Смеситель представляет собой корпус 1 с двумя полуцилиндрическими днищами, в котором вращаются навстречу друг другу два горизонтальных вала 2с лопастями, перемешивающими материал. Раз­личные конструкции этих смесителей отличаются главным образом дли­ной корпуса аппарата и конфигурацией лопастей.

В шнековых лопастных смесителях рабочими сме­шивающими органами являются валы-шнеки с Т-образными (рис.7.3), винтовыми лопастями или лопастями другой формы. Большинство шнековых лопастных смесителей имеют один вал, вращающийся в корыто­образном корпусе. Для улучшения качества смешения в некоторых кон­струкциях одновальных смесителей используют привод, который осу­ществляет вращение и одновременно возвратно-поступательное движение вала.

Кроме одновальных, применяются также двухвальные лопастные смесители. Двухвальный противоточный смеситель состоит из корыта и двух вращающихся в нем шнековых валов.Лопасти на валах установлены таким образом, чтобы один вал подавал материал к разгру­зочному отверстию смесителя, а другой - в обратную сторону. Вследствие того, что число оборотов вала первого вала боль­ше числа оборотов второго,материал, интенсивно перемешиваясь, перемеща­ется к разгрузочному отверстию.

Вследствие небольшой скорости вращения смесительных валов (п = = 10—15 мин'¹) процесс смешения в аппаратах с вращающимися лопаст­ными, рабочими органами относительно продолжителен. Однако в этих смесителях с помощью валов можно создать однонаправленное движение материала вдоль корпуса, что позволяет использовать их для непрерыв­ной работы.

Высокоэффективными аппаратами для смешения сыпучих материалов являются непрерывно действующие смесители с псевдоожи­жением материала быстровращающимся ротором.

В корпусе 1 аппарата (рис.7.4)на консольном валу 2 быстро вра­щается ротор, состоящий из верхнего диска 3 (с центральным отверстием) и нижнего диска 4 (с загнутыми кверху краями). При вращении в аппарате создается интенсивная циркуляция сыпучего материа­ла (направление циркуляции показано стрелками), который переходит в состояние, близкое к псевдоожижению. В промышленных аппаратах такого типа применяют различные конструкции быстровращающихся роторов.

Интенсивная циркуляция сыпучего материала, необходимая для эффек­тивного смешения, достигается также в смесителях центро­бежного действия с враща­ющимся конусом (рис.7.5). В корпусе 1 аппарата на валу 2 вра­щается полый усеченный конус 3 с двумя симметрично расположенными окнами 4. При вращении конуса 3 частицы материа­ла под действием центробежных сил дви­жутся по внутренней поверхности конуса вверх, сбрасываются в пространство меж­ду конусом и корпусом и через окна 4 вновь поступают в конус 3. Проходу материала через окна 4 способствует лопастная мешалка 5, вращающаяся вместе с конусом.

Процесс смешения осуществляется при подъеме материала по конусу вследствие разных скоростей его частиц, а также в пространстве между конусом и корпусом при падении частиц и при перемешивании их лопаст­ной мешалкой. Для материалов с плохой сыпучестью в корпусе устана­вливают раму 6; последняя движущимся материалом вовлекается в сво­бодное вращение, скорость которого регулируют ленточным тормозом 7. Рама 6создает дополнительные завихрения в движущемся материале, что способствует лучшему его смешению. Загрузка и разгрузка материа­ла производится через люки соответственно в крышке и днище корпуса.

В описанном аппарате достигается быстрое и эффективное смешение. Последовательная установка нескольких таких аппаратов (каскадом) позволяет организовать непрерывный процесс смешения.

Кроме описанных типов смесителей применяются также вибро­смесители, в которых необходимая циркуляция сыпучего материа­ла создается с помощью вибраций высокой частоты.