Перемешивающие устройства

В химической технологии перемешивание применяют для улучшения тепло - и массообмена, получения равномерных смесей нескольких жидкостей, жидкости и твердого тела, жидкости и газа. Хотя основной задачей перемешивания в большинстве случаев является равномерное распределение вещества или температуры в перемешиваемом объеме, иногда задача перемешивания заключается в создании высоких скоростей среды около теплообменных поверхностей с целью интенсификации теплообмена.

Способы перемешивания. Известны несколько видов перемешивания:

- механическое;

- циркуляционное;

- барботажное.

Барботажное перемешивание осуществляется путем барботажа инертного газа или газообразных веществ через жидкость.

Циркуляционное перемешивание происходит за счет больших скоростей движения (насосом). Это перемешивание целесообразно применять в том случае, когда имеется необходимость отвода тепла через развитую поверхность теплообмена, т.е. через выносной теплообменник.

Механическое перемешивание в жидкой среде, а также в пастообразных и вязких материалах осуществляется с помощью мешалок, которые по конструктивной форме, в зависимости от устройства лопастей, разделяются на: 1) лопастные; 2) листовые; 3) якорные; 4) рамные;5) турбинные; 6) пропеллерные; 7) специальные.

Все они состоят из трех основных частей: вала, на котором закреплена мешалка; мешалки, являющейся рабочим элементом; и привода, с помощью которого вал приводится в движение за счет механической энергии.

В зависимости от числа оборотов мешалки условно делят на тихоходные и быстро

ходные. К тихоходным относят лопастные, рамные, якорные и листовые, имеющие скорость более 80 - 100 об/мин. К быстроходным - турбинные и пропеллерные.

При выборе типа мешалки и ее параметров учитывают требования технологического процесса, свойства жидкости, наличие осадков, форму аппарата и другие факторы. К сожалению, отсутствуют единые критерии для выбора мешалки. Обычно при этом руководствуются производственным опытом или лабораторными исследованиями. В некоторой степени можно предложить следующие рекомендации.

Лопастные мешалки (рис. 13.9) применяются при перемешивании жидких неодно-

родных систем с вязкостью до 15 Па∙с и имеющих плотность до 2000 кг/м³.

Рис. 13.9. Основные части мешалок: 1 - вал, 2 - втулка, 3 - лопасть	Основные соотношения размеров для аппаратов с плоским днищем dм = 0,7D, h = 0,1dм, hм = 0,14dм. По данным НИИХИММАШ (Харьков) рекомендуются следующие предельные значения окружных скоростей конца лопасти мешалки в зависимости от вязкости среды:
Вязкость среды, Па с	0,001	40-80	80-150
Окружная скорость, м/с	3,0 - 2,0	2,5 - 1,5	1,5 - 1,0

При высоте сосуда, превышающей диаметр, или при перемешивании вязкой жидкости устанавливают несколько пар лопастей по высоте вала. При перемешивании очень вязких жидкостей на стенках сосуда устанавливают радиально расположенные перегородки, над которыми проходят лопасти мешалки. При этом поток дробится и повышается эффективность работы мешалки. Максимальный эффект турбулизации потока достигается при применении 4-х перегородок высотой (0,11 - 0,13)∙D, где D - диаметр аппарата. Перегородки препятствуют образованию центральной воронки, а также увлечению жидкости вращающимися лопастями, что может привести и к прекращению эффекта перемешивания. Установка слишком длинных лопастей нерациональна, так как с возрастанием линейных размеров лопасти быстро растет потребляемая мощность.

Нормализованные диаметры мешалок от 700 до 2100 мм. Недостатки таких мешалок - малая интенсивность перемешивания и отсутствие значительных вертикальных потоков, вследствие чего их не рекомендуется применять для взмучивания тяжелых осадков и работы с расслаивающимися жидкостями. Достоинство мешалок - они просты по конструкции, обеспечивают удовлетворительное перемешивание при работе с вязкими жидкостями, могут применяться в аппаратах значительного объема.

Рамные мешалки. Они представляют собой комбинацию лопастных мешалок с вертикальными и наклонными лопастями. Внешний вид таких мешалок показан на рис. 13.10.

Рис. 13.10. Рамные мешалки

Рис. 13.11. Якорные мешалки

Эти мешалки применяются в тех же случаях, что и лопастные, а также при перемешивании значительных объемов вязких материалов. Нормализованные диаметры мешалок до 2520 мм. Эти мешалки используют в реакторах с большой емкостью (до 100 м³).

Якорные мешалки. Они по своей форме соответствуют сосуду, в котором они работают. Расстояние между лопастью и стенкой реактора обычно выбирают в пределах 25 - 140 мм. На рис. 13.11 представлены конструкции якорных мешалок. Якорные мешалки предназначены для перемешивания жидкостей вязкостью

300 Па∙с и выше, особенно при нагревании среды через стенку реактора. Вследствие небольшого зазора между лопастью и стенкой сосуда возникает сильное турбулентное движение, препятствующее выпадению на стенках осадка и перегреву среды. НИИХИММАШ рекомендует для якорных мешалок те же скорости, что и для лопастных. Следует отметить, что при перемешивании очень вязких жидкостей якорные мешалки снабжаются дополнительными вертикальными лопастями - пальцами.

Листовые мешалки. Их применяют сравнительно редко, в основном для маловязких жидкостей, при интенсификации теплообмена, взвешивании твердого вещества. Конструкция мешалки приведена на рис. 13.12.

Рис. 13.12. Листовая мешалка

Рис. 13.13. Пропеллерные мешалки

Пропеллерные мешалки (рис. 13.13). Они представляют собой обычный гребной винт с числом лопастей от двух до четырех. При работе мешалки осуществляется интенсивная циркуляция жидкости с сильным вихреобразованием. Их рекомендуют использовать для перемешивания сред вязкостью до 2 Па∙с и плотностью до 2000 кг/м³.

Окружную скорость мешалки рекомендуется выбирать в пределах 1,6 - 4,8 м/с. Чтобы избежать образования воронки, вал мешалки смещают по отношению к оси аппарата на величину до 0,25 мм, либо устанавливают его с наклоном 10 - 20° к оси сосуда.

Для трудно смешиваемых вязких жидкостей применяются мешалки, состоящие из 2-х пропеллеров, установленных на одном валу. Оба пропеллера толкают жидкость в одну сторону или навстречу друг другу. Нормализованные диаметры мешалок - от 300 до 700 мм.

Турбинные мешалки. Как уже отмечалось ранее, они относятся к быстроходным мешалкам. На рис. 13.14 приведены конструкции турбинных мешалок.

Эти мешалки работают по принципу центробежного насоса, т.е. всасывают жидкость в середину и за счет центробежной силы отбрасывают ее к периферии. Их делают открытыми и закрытыми. Закрытые мало отличаются по конструкции от колеса центробежного насоса и подразделяются, в свою очередь, на мешалки одно-

Рис. 13.14. Турбинные мешалки откры того (а) и закрытого (б) типа

стороннего и двустороннего всасывания. Открытая мешалка представляет диск с радиально расположенными лопатками. Они более просты по конструкции и поэтому чаще применяются в технике. Турбинные мешалки обеспечивают весьма интенсивное перемешивание. Их рекомендуют применять для интен-

сивного перемешивания жидкостей вязкостью до 45 Па∙с и плотностью до 2000 кг/м³. Окружная скорость концов лопастей - 2÷7 м/с, причем скорость мешалок с диаметром до 300 мм берется болъшей, чем при диаметре свыше 300 мм. Ниже приведена зависимость окружной скорости турбинной мешалки от вязкости среды:

Вязкость среды, Па∙с	0,001 - 5	5 - 15	15 - 25
Окружная скорость, м/с	7 - 4,2	4,2 - 3,4	3,4 - 2,3

Не рекомендуется их использовать в реакторах большой емкости. В аппаратах с турбинными мешалками обязательна установка отражательных перегородок. При отсутствии такой перегородки образуется глубокая воронка, иногда доходящая до основания мешалки и перемешивание резко ухудшается (обычно устанавливают четыре перегородки).

Конструирование и изготовление мешалок. Мешалки изготавливают из различных металлических и неметаллических материалов, обладающих достаточной механической прочностью. Наиболее распространены сварные перемешивающие устройства, выполненные из легированной стали. Мешалки сложной конструкции отливают из чугуна. В простейших конструкциях лопасти приваривают непосредственно к валу. Однако, как правило, рабочие элементы крепятся на валу с помощью разъемных соединений.

Обычно к ступице приваривают лопасти. Ступица крепится на валу с помощью шпонки и стопорных устройств, препятствующих осевому смещению. В случае установки мешалки в середине вала ее закрепляют стопорным винтом, как показано на рис. 13.15,а, при установке на конце вала - концевой гайкой (рис. 13.15,б).

Рис. 13.15. Крепление мешалок к ступице: а - стопорным винтом; б - торцевой гайкой

При конструировании мешалок необходимо учитывать условия их монтажа. Мешалки небольших аппаратов (диаметр 1200 мм и менее) обычно собирают совместно с крышкой и вместе с ней устанавливают в реактор. Мешалки для крупногабаритных аппаратов целесообразно делать разъемными из частей таких размеров, ко-

которые можно пронести через лаз аппрата. Это дает возможность разбирать ме-

шалку при ремонтных и монтажных работах, не снимая крышку и привод.

В цельносварных аппаратах мешалка обязательно должна быть разборной.

Необходимо иметь в виду, что резьбовые соединения внутри химических реакторов работают в очень тяжелых условиях. Резьба легко загрязняется и корродирует даже при действии слабых агрессивных сред. Поэтому во многих случаях части мешалок изготавливают из нержавеющей стали.

Открытые турбинные мешалки выполняют сварными. Лопасти приваривают к диску, который, в свою очередь, сварен со ступицей. Применение полимерных материалов для мешалок ограничено их низкой механической прочностью. Более распространены стальные мешалки, защищенные антикоррозионными покрытиями, или комбинированные из стального вала и неметаллических лопастей.

Несколько слов о мешалках специальных типов. К ним относятся импеллерные мешалки, которые применяют для обеспечения хорошего контакта газа с жидкостью при одновременном интенсивном перемешивании. Вал мешалки помещен внутри трубы, по которой подается воздух под небольшим избыточным давлением. На мешалке имеется ряд лопастей, а на конце трубы установлен статор с лопастями. Наличие двух рядов лопастей - подвижного и неподвижного - обеспечивает хорошее перемешивание жидкости и газа.

Приводы мешалок. Быстроходные мешалки при 400 - 500 об/мин и выше соединяются с электродвигателем через клиноременную передачу, а в некоторых случаях могут быть установлены и на одном валу с электродвигателем. Однако обычно привод осуществляется от электродвигателя через редуктор. Приводы мешалок могут быть с конической, червячной, цилиндрической или планетарной передачей. Конические и червячные приводы имеют горизонтальный быстроходный вал, соединенный с электродвигателем через муфту или клиноременную передачу. Конические и особенно червячные приводы до недавнего времени широко применялись для аппаратов с мешалками.

В настоящее время выпускают планетарные приводы. Они компактны, надежны в работе, имеют высокий КПД и работают в значительном диапазоне частоты вращения и мощностей. Но эти приводы не дают возможности изменять частоту вращения мешалки во время работы, что является существенным их недостатком.

Изменение числа оборотов мешалки необходимо во многих случаях: при изменении консистенции перемешиваемой массы, при отработке нового, еще неизученного процесса, а также, когда режим перемешивания должен меняться во времени. Приводы мешалок во взрывоопасных цехах снабжают взрывобезопасными электродвигателями. В помещениях, содержащих особо взрывоопасные вещества, установка электродвигателей иногда вообще исключается. Двигатель приходится выносить в соседнее взрывобезопасное помещение, передача осуществляется с помощью горизонтального вала, проходящего через стену, разделяющую помещения. Вал в стене уплотняют сальниками. Приводы мешалок устанавливают на стойку, которую, в свою очередь, крепят к аппарату, для чего к его крышке приваривают толстые пластины. Стойки делают чугунными или стальными, сварными.

Для улучшения работы вала мешалки устанавливают концевой подшипник (подпятник) или промежуточные подшипники в верхней части вала мешалки.

С точки зрения распределения нагрузок наиболее рациональны приводы с концевыми подшипниками, однако во многих случаях из-за коррозионного или абразивного действия среды их нельзя использовать. В полимерной среде - также нельзя устанавливать подшипники.

Крутильные колебания вызывают износ подшипников и воздействуют на сальник. Концевой подшипник устраняет крутильные колебания, улучшая работу сальника и подшипников. Его применение необходимо при большой длине или высокой частоте вращения.

Расчет мешалок. Заключается в определении потребляемой мощности, выборе двигателя, прочностном расчете мешалки и вала. Мощность, потребляемая мешалкой, Вт:

N = К_N∙ρn³d_м,

где К_N - критерий мощности, величина которого выбирается по соответствующим таблицам и номограммам в зависимости от типа мешалки и числа Рейнольдса;

ρ - плотность жидкости, кг/м³; n - частота вращения мешалки, с^-1; d_м - диаметр мешалки, м.

Мощность двигателя определяют из соотношения

N_дв = (N + N_с)/η

где N - мощность, потребляемая мешалкой, кВт;N_c - потери на трение в сальни-

ке, кВт; η - КПД привода.

По величине N_дв подбирают привод. Мощность, расходуемая на трение в сальнике для уплотнения с мягкой набивкой

N_с = 1,48f nd²_мl_р,

где f - коэффициент трения вала по мягкой набивке, равный 0,2;dм - диаметр вала, м; n - частота вращения мешалки; l - длина набивки, м; р - рабочее давление в аппарате, Па.

Лопасти мешалки рассчитывают на изгиб. Для лопастей прямоугольной формы равнодействующая сил сопротивления приложена в точке, расстояние которой от оси

r₀ = 3(R⁴ – r⁴)/4(R³ – r³),

где R - радиус лопасти, м; r - радиус ступицы, м.

Величина равнодействующей силы

Р = М_кр/r₀z,

где М_кр - крутящий момент на валу; z - число лопастей на валу.

Рис. 13.16. К расчету лопасти мешалки

Для наклонной лопасти (рис. 13.16) сила Р, действующая перпендикулярно плоскости лопасти, равна P1 = P/cosα, где α - угол наклона лопасти. Изгибающий момент определяется уравнением

М_изг = Р(r₀ - r).

Момент сопротивления лопасти определяют из условия прочности

W = М_изг /[σ].

Отсюда толщина лопасти

S = (6W/b)^1/2,

где b - ширина лопасти мешалки.

Имеется нормаль НИИХИММАШ для расчета мешалок на прочность.