Аппараты для перемешивания жидкостей

СМЕСИТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Общие сведения

Под процессом смешивания (или сме­шения) понимают такой механический процесс, в результате которого первоначально находящиеся раздельно компоненты после равномер­ного распределения каждого из них в смешиваемом объеме образуют однородную смесь.

Обратным процессу смешивания является процесс сегрегации, при­водящий к разделению смеси на отдельные компоненты.

Перемешивание ускоряет все операции, связанные с передачей теплоты или массы (нагревание или охлаждение, суспензирование, растворение, кристаллизация, адсорбция и другие гетерофазные процессы). Оно приводит к повышению темпера-турных и концен­трационных градиентов у поверхности раздела взаимодействую­щих фаз из-за снижения их в объеме аппарата и уменьшения тол­щины пограничного слоя.

При производстве и переработке материалов в химических технологиях применяют раз­личные смесительные машины и аппа­раты.                  

По технологическому назначе­нию смесители разделяются на маши­ны для   перемешивания жидких сис­тем, твердых сыпучих материалов, вязких и пластических масс.

По организации технологического процесса делятся на смесители непре-рывного и периодического действия.

Смесители непрерывного действия превосходят по производительности смеси-тели периодического действия, позволяют полностью автоматизировать процесс смешения, имеют небольшие энергозатраты на единицу продукции и металлоемкость. Непрерывно действующие смесители позволяют также выполнять несколько процес-сов одновременно, например: смешивание и грану­лирование; смешивание, гранули-рование и сушку; смешивание, гра­нулирование и классификацию; смешивание и из-мельчение и т.п. Од­нако при всех своих преимуществах по сравнению со смесителя-ми пе­риодического действия здесь возникают сложности по дозированию материа-лов в строго заданных количествах. Поэтому для приготовления многокомпонентных смесей и смесей высокой однородности используются смесители периодического действия.

Для перемешивания материалов используют пневмати­ческий, гидравлический, гравитационный  механичес­кий,  а также комбинированный способы.                          

Пневматический способ перемешивания заключается в про­пускании струи воздуха или другого газа через слой перемешиваемой системы  (барботиро­вание).                   Гидравлический способ перемешива­ния осуществляется циркуляцией жид­кости при помощи на­соса, который откачивает жидкость из одной части объема аппа-рата и по­дает ее под давлением в другую часть, а также перемешиванием в тру­бопроводах при турбулентном течении жидкости или инжектированием, при котором жидкость прокачивается че­рез сопло инжектора (при этом соз­дается пониженное давление, подса­сывается второй жидкий компонент и происходит перемешивание).             Механи­ческий способ перемешивания заключается в создании сложного интенсивного движения перемешиваемых материалов при помощи различных устройств, обес­печивающих перемещение среды в различных направлениях. Переме­шивающие устройства выполняют в виде лопастных, рамных, якорных, пропел-лерных, турбинных, планетар­ных, шнековых, вибрационных  и других мешалок.

Гравитационное пере­мешивание осуществляется различны­ми механическими приспособлениями, при помощи которых материал поднимается на опреде­ленную высоту и опускается под дей­ствием сил тяжести, описывая более или менее сложные траектории.                                                                                                                                  Процесс перемешивания часто характеризуют степенью смешения, интенсив-ностью и эффективностыо перемешивания.                                                  Степень (однородность)смешения характеризует распределение концентрации смешиваемого вещества в разных частях аппарата.

В любом микрообъеме идеально однородной смеси с феноменоло­гической точ-ки зрения должны находиться частицы всех компонентов в количествах, опреде-ляемых заданным их соотношением. Однако та­кое идеальное расположение частиц в объеме смеси в действительности не наблюдается. В произвольно выбранных микро-объемах смеси возможно большое число сочетаний относительных долей различных компонентов, т.е. их распределение в смеси случайно. Поэтому большинство мето­дов оценки однородности (или качества) смеси основаны на методах статистического анализа.

Для упрощения расчетов все смеси условно считаются двухкомпо­нентными, состоящими из так называемого ключевого компонента и условного, включающего все остальные компоненты смесей. Подоб­ный прием позволяет оценивать одно-родность смеси параметрами распределения одной случайной величины – содер-жанием ключевого компонента в пробах смеси. В качестве ключевого компонента обыч­но выбирают такой компонент, который легко подвергается количест­венному анализу, либо его распределение в смеси строго регламенти­ровано техническими требованиями на готовую смесь.

Оценку однородности смеси производят по анализу проб, отбираемых в опре-деленный момент перемешивания из различных частей объема аппарата. В роли количественного показателя однородности смешения  наиболее часто используется степень смешения I или коэффициент вариации k _c, которые выражают в долях от единицы или процентах.

Степень смешения I рассчитывают по фор­муле [1]:

I=(x₁+x₂+... +x_n)/n.                                                                                            (1)            Здесь n - число проб; x₁, …, x_n – относительные (объемные или массовые) концентрации вещества в пробах, определяемые по формулам:                                          x_i =  (при ) и  (при ),                       где с_i - концентрация ключевого компонента в i – ой пробе смеси, %;  - среднее арифметическое значение концентрации ключевого компонента во всех пробах смеси, %;

Чем ближе величина степени смешения к единице (), тем больше однородность распределения концентрации ключевого компонента в смеси.

Коэффициент вариации k_c, применительно к процессу смешивания дисперсных материалов, называют коэффициентом неоднородности. Он выражается соотношениями [2]

 или .                 (1а)

С уве­личениемкоэффициентом неоднородности смеси ее концентрационная неоднородность возрастает. Для одной и той же смеси значение коэффициентанеоднородности зависит от массы проб и их числа. Чем меньше масса отбираемых проб, тем больше зна­чение k _c. Если, например, объем пробы взять равным объему аппарата, то в любой момент времени средняя концентрация ключевого компонента в пробе равна средней его концентрации в аппарате. Если объемы проб сопоставимы с размерами молекул, то вследствие молекулярных флуктуаций идеальная однородность распределения в объеме аппарата вообще недостижима. Число проб n, отбираемых из смеси и подвергаемых затем количественному анализу на содержание в них ключевого компонен­та, определяет надежность оценки качества смеси.

Если исследуемый показатель содержания ключевого компонента в смеси подчиняется нормальному закону распределения, что обычно бывает на практике, то можно оценить доверительную вероятность  того, что значение отличается от истинного значения c _иc на величи­ну, меньшую чем с:

.

Обычно ограничиваются доверительной вероятностью 0,9 или 0,95; точность оценки определяется формулой

,

где - статистическое среднеквадратическое отклонение;               t_c = _с / с –  коэффициент Стьюдента, который зависит от объема выборки n  и заданной доверительной вероятности  (табл. 1).

Таблица 1

Значения коэффициента Стьюдента

 

n	Значения t c при				n	Значения t c при
	0,90	0,95	0,98	0,99		0,90	0,95	0,98	0,99
2 3 4 5 6 7 8	6,31 2.92 2.35 2.13 2.01 1.94 1.90	12,71 4,30 3,18 2,78 2,57 2,45 2,36	31,82 6,96 4,54 3,75 3,65 3,14 2,97	63,66 9,92 5,84 4,60 4,03 3,71 3,56	9 10 15 20 30 40	1,86 1,84 1,76 1,73 1,70 1,67 1,65	2.31 2,26 2,14 2,09 2,04 2,00 1,96	2.90 2,76 2,60 2,53 2,46 2,39 2,33	3.36 3,25 2,98 2,86 2,76 2,66 2,58

 

В целом ряде случаев при экспериментальных исследованиях необ­ходимо определить минимальный объем выборки n (число опытов), ко­торый с заданной точностью с и доверительной вероятностью поз­волит определить искомую величину. При распределении случайной величины по нормальному закону, что часто встречается на практике, и, при известном среднеквадратиче­ском отклонении _с или коэффициенте вариации k _c, объем выборки вычисляется из соотношения

,

где =  - относительная точность измерения;

Если _с или k _c неизвестны, то их определяют по результатам пред­варительных исследований.

  Для сыпучего материала минимально допустимая масса пробы G _m, выраженная в граммах, определяется из формулы [3]:

G _m=1,2 10⁴ ,

где d _э - эквивалентный диаметр частицы, см; _ч - плотность материала частицы, г/см³; с ₀ - концентрация ключевого компонента в смеси, %.                                                                                                 

Для порошкообразных материалов масса проб обычно составляет 1-5 г.

Для смесей высокой однородности коэффициент неоднородности - k _c < 2%, хо-рошего качества - 2% < k _c  < 5%, низкого качества - 5% < k _c  < 8%.  В промышленных смесителях не удается получать смесь со зна­чениями    k _c < 1,5% (при массе           пробы 1 г).

При периодическом процессе смешивания экспериментальные зави­симости k _c  от времени смешивания t, полученные для различных кон­струкций смесителей и режимов их работы, называются кинетически­ми кривыми смешения. Эти кривые имеют три характерных участка (рис.1), каждый из которых соответствует определенному по вре­мени периоду смешивания [4].

В периоде I преобладает процесс смешивания по сравнению с про­цессом сегрегации. За счет уменьшения агрегатов из одинаковых час­тиц и конвективного пере­носа их по внутреннему объему смесителя происхо­дит резкое снижение коэф­фициента неоднородности.

В периоде II скорость процесса смешивания ста­новится соизмеримой со скоростью сегрегации, поэ­тому значения k_c от момен­та t_k со временем  изменяют­ся  незначительно. Процесс смешивания реализуется в основном  за  счет переме­щения и

Рис.1. Кинетическая кривая процесса смешивания материалов в смесителе периодического действия.

перераспределе­ния отдельных час-тиц одна относительно  другой и по­лу-чил название диффузи­онного смеши-вания. В периоде III элементарные про-цессы смешивания (конвективное и диффузионное смешива­ние) по скорос-ти равны процессу сегрегации, поэтому в некоторый момент времени t см, назы-ваемым оптимальным временем смеши-ва­ния, коэффициент неоднородности k c становится постоянным. Предельно достижимое значение коэффициента неоднородности k c кон-кретной смеси определяется экспери-ментально и зависит от многих фак-торов: физико-механических свойств смеси, конструкции смесителя и режима его работы.

Кинетику процесса периодического смешивания чаще всего опи­cывaют урав-нением типа:

k _c(t)= a k _co  при ,

где k _c(t) - коэффициент неоднородности смеси к моменту времени t;    а – коэффициент пропорциональности; k _co - коэффициент неодно­родности смеси в начальный момент смешивания (определяется соот­ношением компонентов смеси); Ф_t - функция (или параметр), завися­щая от физико-механических свойств смеси, геометрических разме­ров и технологических параметров работы смесителя и имеющая раз­мерность, обратную времени.

Время смешения(гомогенизации) - это период времени, необходимый для достижения технологически необходимой степени однородно­сти системы. Знание его необходимо при ведении обменных реакций и процессов кристаллизации, пригото-влении растворов, сус­пензий, а также сухих смесей. Оно особо важно при проведении непрерывных процес­сов. Кроме того, время смешения может служить критерием  для сравнения интенсивности работы различных аппаратов.

 Если параметры периодического процесса смешения не меняются, то прологарифмировав уравнение (1), после преобразований получим выражение для времени смешения:

,

где k_см - максимальное значение коэффициента неоднородности, определенное техническими условиями на готовую смесь.

При непрерывном процессе смешивания поступление компонентов на смеше-ние и выдача готовой смеси осуществляются непрерывно. Качество приготовленной смеси в таких смесителях зависит не только от процесса смешивания, но и от харак-теристик питающих по­токов и их дозирования. Практически ни один питатель или дозатор не может обеспечить непрерывное поступление материала в строго за­данном количестве в каждый момент времени. Следовательно, на ос­новную задачу смесите-ля (качественное смешивание поступающих компонентов) накладывается дополнительное условие, по сглаживанию флуктуаций питающих потоков.

Время пребывания элементарного объема реакционной массы в реакторе (каскаде реакторов) непрерывного действия является характеристикой вероятностной.

При достаточно интенсивном перемешивании практически во всем объеме ре-актора достигается устойчивый турбулентный режим. Движение отдельного элемента объема жидкости (твердой частицы) имеет чрезвычайно сложный характер. В этих условиях любой элемент объема за сравнительно короткое время может оказаться в любой точке реактора, причем невозможно заранее предсказать траекторию его дви-жения. Любая из находящихся в реакторе частиц или молекул с равной вероятностью может оказаться в любой точ­ке реактора, в том числе и на выходе из него. Наряду с этим в реакторе имеются частицы, которым за очень продолжительное время не уда-лось попасть к выходу из реактора. Таким образом, время  пребывания частицы в реакторе есть случайная величина, которая может принимать значения от 0 до беско-нечности. Здесь процесс смешения характеризуют среднестатистической величиной времени пребывания массы в реакторе, определяемой с некоторой доверительной вероятностью.

Интенсивность перемешивания оценивают скоростью изменения во времени степени смешения  или коэффициента неоднородности dk _c/ dt.                        Эффективность перемешивания определяется количеством энергии, затра-чиваемой на него для достижения заданного техно­логического эффекта. Из двух аппаратов более эф­фективно будет работать тот, в котором достигается требуемый технологический эффект при меньших затратах энергии и/или времени.

Существуют различные подходы теоретического анализа работы непрерывно действующих смесителей от практических рекомендаций, базирующихся на инженерном опыте осуществления процессов сме­шивания на смесителях различной конструкции, до детерминированного математического описания.

При недостаточной информации о физической сущности происхо­дящих явле-ний или при не возможности составить их детерминированную модель в виде функ-циональных зави­симостей, отображающих физическую природу явлений, используют экспериментально-статистические методы. В результате математиче­ское описание процесса смешивания осуществляется на уровне эмпи­рических соотношений, связы-вающих основные характеристики процесса смешивания. В рамках рассматриваемого подхода нередко про­водят чисто формальную обработку опытных данных, используя соот­ношения (типа регрессионных моделей и др.) вне физических пред­ставлений о механизме протекания процесса смешивания и тем самым заведомо ограничивая возмож-ность использования расчетного урав­нения узкими рамками проведенного эксперимента.

Аппараты для перемешивания жидкостей.

Аппараты для перемешивания жидкостей по динамике перемешивающих органов делятся на аппараты статического и динамического принципа действия.

Статические смесители (рис. 2) представляют собой устройства с не-              ­подвижными перемешивающими эле­ментами 1, встроенными в цилиндри­ческую трубу 2. Перемешивание и диспергирование жидкостей и суспен­зий осуществляется за счет использо­вания энергии потока при его многократном делении на элементарные струйки и их переориентации.

Рис.2.Схема статического смесителя.

 

Преимущества статических смеси­телей перед емкостной аппаратурой с пере-мешивающими устройствами и динамическими (вибрационными) смесителями, при сопоставимых результатах по качеству получаемых сме­сей, связано с низкой энерго- и метал­лоемкостью, простотой изготовления и обслуживания, компактностью и де­шевизной. Статические смесители на­ходят широкое применение при эмульгировании жидкостей.

Аппараты с мешалками. Механическое перемешивание производят в аппаратах динамического принципа действия, носящих общее название аппаратов с мешалками, В частных слу­чаях они носят названия, исходя из конкретного назначения аппа­рата (реактор, экстрактор, репульпатор, каустификатор и т. д.). Перемешивание производят с целью создания однородных раство­ров и суспензий и интенсификации процессов тепло- и массообмена (физического или в сочетании с химической реакцией). Для достижения указанных целей используют мешалки и ап­параты различных конструкций с учетом особенностей каждого конкретного процесса.

       Сосуды для аппаратов с мешалками имеют цилиндрическую форму и плоское, коническое либо эллиптическое днище. Обычно их устанав­ливают вертикально. В на-стоящее время химическое машинострое­ние изготовляет 10 типов стандар-тизированных сосудов для аппа­ратов с мешалками (ГОСТ 20680-75) вместимостью от 0,01 до 100 м³ и диаметром от 273 до 3200 мм. Они могут работать под вакуумом и под давлением до 6,4 МПа. Корпуса аппаратов изго­тавливают в 22-х исполнениях. Индекс стандартного аппарата обозначают по ГОСТ 25167-82 следующим образом. Например, индекс 1110-25-0,6У-001-У2 озна­чает, что аппарат имеет эллиптическое днище и приварную эллип­тическую крышку - первая цифра (1); гладкую приварную ру­башку - вторая цифра (1); рамную мешалку (10); вместимость 25 м³; может работать под давлением 0,6 МПа; выполнен из угле­родистой стали - буква У; номер модели - 001; следующая буква У указывает климатическое исполнение, а последняя цифра (2)- ка­тегорию размещения.

Выбор и заказ стандартных аппаратов с мешалками произво­дят по каталогам.

Корпус аппарата может быть изготовлен цельносварным (рис.3,а) или со съемной крышкой (рис.3,б). На крышке аппарата располагают штуцеры для напол-нения, монтажа конт­рольно-измерительных приборов, смотровые окна и люк, служа-щий для осмотра внутренней поверхности и ремонта. По требованию монтажных условий аппараты изготовляют с боковыми лапами и нижним штуцером для опорож-нения (рис.3,б) или на стой­ках, приваренных к днищу и с трубой для передавливания (рис.3,а) сжатым воздухом или инертным газом. Аппараты последней конструкции используют обычно для периодического процесса.

Внутри корпуса аппарата могут быть смонтированы перего­родки для предот-вращения завихрения жидкости и образования воронки. Наличие отражательных перегородок в аппарате вызы­вает значительное увеличение потребляемой мешалкой мощности, но мало влияет на интенсивность массообмена. Поэтому размеще­ние  их  в

растворителях и кристаллизаторах считается нецелесооб­разным.

В зависимости от условий ведения технологического процесса аппараты изго-

        

 

Рис. 3. Реакторы с мешалками:

а - периодического действия с рамной мешалкой и трубой передавливания; б-непрерывного действия с пропеллерной мешалкой и диффузором. 1 - электродвигатель; 2 - редуктор; 3 - сальниковые уплотнения;  4 - люк; 5 - термометр; 6 - штуцер для подачи пара; 7 - штуцер для конденсата; 8 - опорная лапа; 9 - воздуш­ник; 10 - труба передавливания; 11- штуцеры для подачи реагентов; 12 - сливной шту­цер; 13 - диффузор;                 14 - штуцер опорожнения.

 

 

товляют с теплообменной рубашкой или без нее. Если разбавление раствора не играет существенной роли, нагрев его можно производить острым паром, подаваемым через  эжектор, введенный в раствор. Использовать аппараты со змеевиками в про­изводстве кристаллических веществ нежелательно из-за быстрого их обрастания осадком и затруд-нения очистки.

При необходимости быстрого смешения двух растворов шту­церы ввода обоих рас-творов размещают в верхней части централь­ной трубы, охватывающей вал мешалки. Верхняя часть трубы вы­ступает из раствора, а нижняя подходит к пропеллерной мешалке, толкающей раствор вниз. Такая конструкция аппарата позволяет быстро смешивать концентрированные растворы, не разбавляя их прореагировавшим раствором, что важно при проведении процесса с целью получения высокодисперсного осадка (например, в произ­водствах сульфата и карбоната бария).

Быстрое снижение пересыщения (при получении крупнокри­сталлического осадка) достигается за счет разбавления исходных реагентов прореагировавшей смесью. Для этого растворы вводят в реактор через погружные штуцера до нижнего среза диффузора, в котором расположена пропеллерная мешалка, толкающая раствор вверх (рис.3, б). Имеющаяся в реакторе твердая фаза может служить затравкой для вновь кристаллизую­щегося вещества.

Хотя конструкции аппаратов с мешалками и относятся к аппа­ратам идеального смешения, в непрерывных процессах полное смешение не может быть достигнуто в оди- ночном аппарате. Кроме того, при ведении процессов массообмена (растворение, кристал­лизация и т. д.), в нем трудно обеспечить необходимое время пре­бывания твердых частиц. Поэтому аппараты смешения объединяют в многоступенчатые системы, в которых рас-твор перетекает из одного аппарата в другой самотеком. Конструктивно многосту- пенчатые системы оформляют или в виде каскада последовательно соединенных            аппаратов (рис.4) или в виде горизонтального аппарата, разделенного на секции                                пе­регородками (рис.5).

 

Рис.4. Каскад аппаратов с мешалками (батарея кристаллизаторов).

 

 

Рис.5. Реакторы производства экстракционной фосфорной кислоты.

а – цилиндрический секционный экстрактор; б – прямоугольный секционный экстрактор

 

В аппаратах (секциях) большой вместимости для создания интенсивного перемешивания во всем объеме следует устанавли­вать несколько мешалок (рис. 5, а).

В случаях, когда выравнивание концентрации раствора по всему объему аппа-рата несущественно, но необходимо продолжи­тельное пребывание частиц (медленно оседающих) в аппарате, используют обычно аппараты с большим отношением высо-ты сосуда H к его диаметру D, снабжен­ные рамными или лопастными мешалками, создающими интен­сивную окружную циркуляцию (например, смеситель известного молока с фильтровой жидкостью содового производства или кау­стификатор первой ступени каустификации в производстве едкого натра известковым способом).

При абсорбции газов можно использовать аппараты, высота которых в несколь-ко раз превосходит диаметр, а на валу распо­ложены несколько турбинных мешалок на расстоянии 0,8 D друг от друга. Такое решение дает возможность обеспечить интен-сив­ное перемешивание во всем объеме, добиться большого и точно определенного време-ни контакта, что в итоге позволяет достичь большой движущей силы процесса. Расход энергии в этом случае ниже, чем в аппарате большего диаметра с одной мешалкой. При установке на одном валу нескольких мешалок расстояние между ними не должно быть менее диаметра мешалки d и обычно не превышает 3d. Уровень жидкости над верхней мешалкой составляет (1,5 2,0) d.

Конструкция мешалки, как и тип сосуда, играют наиболее важную роль в процессе перемешивания. Так, аппарат с отража­тельными перегородками обеспечивает режим перемешивания иной, чем аппарат без перегородки, даже если в них установлена одна и та же мешалка.

В основной неорганической технологии используют пропеллер­ные, турбинные, лопастные и рамные мешалки. ГОСТ 20680-75 регламентирует 12 основных типов ме­шалок. Наиболее часто применяемые типы мешалок показаны на рис.6.     .                                  

Рис.6. Типы мешалок:

а, б – турбинные с наклонными лопатками; в - трехлопастная; г, д - турбинные с пря­мыми лопастями; е - лопастная; ж-u - рамные.

 

В наиболее общем случае их можно разделить на быстроходные и тихоходные.      К быстроходным относят пропеллерные и турбинные мешалки схема работы которых показана на рис.7. Эти мешалки в зависимости от формы лопастей и способа их уста­новки могут создавать радиальный, осевой и радиально-осевой по­токи жидкости.

Быстроходные мешалки обычно работают в аппа­ратах с отражательными пере-городками. Отсутствие перегородок приводит к завихрению жидкости и образованию воронки (рис. 7, в). При этом жидкость плохо перемешивается, снижается турбулент­ность потока и полезный объем аппарата. Число перегородок в аппаратах составляет обычно четыре, а их ширина - В   0,1D. В случае жидкостей, имеющих вязкость, близкую к вяз- кости воды, перегородки располагают у самой стенки аппаратов. Для жидкостей  с  повы-

шенной вязкостью (  > 7 Па·с) такое расположение перегородок приводит к образо-ванию застой­ных зон вокруг перегородок, поэтому в этом случае их распола­гают на не-котором расстоянии (0,2  0,5) В от стенки аппарата. Роль перегородок, предот-вращающих образование воронок, могут исполнять стойки змеевиков, гильзы термо-метров, погруженные патрубки наполнения и т. д.

 К тихоходным относят лопастные и рамные мешалки. Они соз­дают в основном окружной поток жидкости.                               

 

Рис. 7. Схема работы турбинной и пропеллерной мешалок:

а - турбинная, аппарат с перегородками; б - пропеллерная, аппарат с перегородками;   в­ – пропеллерная, аппарат без перегородок.

 

Например, смеситель содового производства и каустификаторы 1 ступени в произ-водстве едкого натра снаб­жены рамными мешалками, а сборники  и  напорные  баки  из-вест­кового  молока - лопастными;  пропеллерные мешалки применяют в реакторах и вакуум-кристаллизаторах производства соединений бария, экстракторы фосфорной кислоты оборудованы турбинными мешалками.  

Вибросмесители осуществляют перемешивание жидких сред турбулентными струями, возникающими при осевом движении диска (рис. 8) в перемешиваемой среде [5].      Схема конструкции вибросмесителя показана на рис. 8. В корпусе вибро-смесителя помещен перфорированный диск, укрепленный на штоке и совершающий колебания посредством вибровозбудителя. Последний изолирован от опорной конс-трукции при помощи упругой подвески. Для перемешивания пульп диск устанав-ливают на небольшом рас­стоянии от дна аппарата колебательном движении перфори-рованного (0,3 0,5 длины струи, определяемой опытным путем) для размыва образу-ющегося на дне осадка из наиболее тяжелых частиц пульпы. Конус перфорации при этом направлен большим основанием вниз. Оптимальный угол раство­ра конуса составляет 97⁰. Диаметр диска обычно не превышает 700 ­800 мм, при больших диаметрах необходимы конструктивные решения, повышающие жесткость диска. Диаметр штока в современных аппаратах ограничивается размером око­ло 70 100 мм, его длина - 4,5 м. Герметизация крышки ап­парата, через которую проходит шток, обеспечивается диафраг­мами из листовой резины.                                                                               В химической промышленности используют  вибросмесители с объемом аппаратов 0,2 3 м³. 

Рис.8. Вибросмеситель для перемешивания жидкостей: 1- корпус; 2 - перфорированный диск; 3 - шток; 4 - вибровозбудитель; 5- упругая подвеска.

Корпус аппарата изготавли-вают из стали, для агрессивных сред - из нержавеющей. Внутрен-няя поверхность может быть футе-рована кислотоупорным кирпи-чом, свинцом или резиной. Дно аппарата для перемешивания жид-костей и легких пульп делают плоским или сферическим, для тяжелых пульп - кони­ческим.         В качестве материала штока для уменьшения массы колеблю-щихся частей целесообразно при-менение титана. Число дисков на штоке и число штоков зависит от размеров аппарата.       В качестве привода вибро-смесителей используют электро­магнитные и дебалансные вибро-возбудители, причем примене­ние первых предпочтительнее из-за большего ресурса работы, возмож-

ности   управления       амплитудой колебаний и лучшей уравновешенности системы

2.1. Выбор мешалки [1]

В настоящее время не выработан универсальный критерий, позволяющий выбрать оптимальный вариант мешалки. При выборе мешалки часто руковод-ствуются результатами лабораторных и промышленных опытов. Предварительный выбор мешалки можно сделать по рис. 9, где соответствующая кривая показывает верхнюю границу работы данного типа мешалки.

Рис.9.Диапазон применения различ-ных типов ­мешалок: I – модифицированные лопастная  и рам­ная;  II –  лопастная  и рамная;  III - турбинная;    IV–пропеллерная.

Рис.10. Пропеллерная (вин-товая) мешалка.   Пропеллерные (винтовые) ме­шалки (рис.10) считаются наибо­лее эффективными, когда необхо­димо со-здать в аппарате значитель­ную осе-вую циркуляцию при мини­мальном расходе энергии. Отношение диа-метра мешалки к диаметру аппарата составляет d/D = 0,20 0,33; окружная скорость концов лопастей - u = 3,6 16 м/с.

Одной из наиболее важных характеристик винтовой мешалки является ее шаг, свя-

занный с углом наклона  лопасти на ра­диусе r зависимостью:

                                                              а = 2 r tg .                                                                 Обычно эти мешалки конструируют с неизменным шагом по радиусу. Наклон лопастей меняется.  Минимальный наклон - на наружной поверхности, максимальный - у втулки. Наиболее рас­пространены мешалки с шагом а = d   или =18⁰. Встречаются также мешалки, имеющие угол наклона конца лопастей 45⁰.  Эти мешалки имеют шаг        а = d.  Они обеспечивают лучшую циркуля­цию жидкости в аппарате. Иногда пропеллерные мешалки снабжают диффузором (цирку­ляционной трубой), который дает возможность обеспечить явно осевую циркуляцию жидкости в аппарате и позволяет устанавли­вать пропеллер выше, что сокращает длину вала. Пропеллерные мешалки имеют от 2 до 4 лопастей (чаще 3) и частоту вращения  7  40 с^-1.  При   отношении   a/d =  пропел­лерная мешалка превращается в турбинную мешалку с прямыми лопат­ками эллиптической конфигурации.

Пропеллерные мешалки наиболее эффективны при необходи­мости создания значи-тельной циркуляции жидкости в аппарате, особенно в сосудах с выпуклым дном. В аппа-ратах с плоским дном применять их не следует. Диаметр дисперсных частиц не должен превышать 0,5 мм, а их объемная доля 10 %. При перемешивании в очень больших емкос-тях пропеллерные мешалки дают больший эффект, чем турбинные, но они неприем­лемы для диспергирования газа в жидкости. Ввиду сложности изготовления винтовых мешалок рекомен­дуется вместо них использовать трехлопастные мешалки с углом наклона лопаток к плоскости вращения 24⁰ и их шириной b = 0,2 d (см. рис. 6, в). Эти мешалки имеют характеристики, близкие с винтовыми.                                           Турбинные мешалки снабжены 4-8 лопатками (обычно - 6). Отношение d/D, как и для пропеллерных, составляет 0,20 0,33. Частота вращения п = 2  20 с^-1, так что окружная скорость и= dп концов лопаток колеблется в пределах 3 16 м/с.

Турбинные мешалки с прямыми лопатками (см. рис.6 г,д)создают в основном радиальный поток жидкости, а мешалки с на­клонными лопатками (см. рис. 6 а, б) - радиально-осевой поток. Угол наклона лопаток составляет обычно 45⁰.

Рекомендуется использовать турбинные мешалки для процес­сов растворения, теплообмена, суспензирования, абсорбции газов и проведения химических реакций.

В процессах с использованием суспензий предпочтительно при­менять турбинные мешалки с наклонными лопастями, предупреж­дающими седиментацию частиц.

Быстроходные мешалки устанавливают в сосуде на высоте 0,3 D. Высота жидкости в аппарате составляет (1,0 1,3) D.

Лопастные мешалки (см. рис. 6, е)отличаются от турбинных отношением d/D, частотой вращения и числом лопастей. Диаметр d и ширину лопастей b обычно прини-мают в пределах d = (0,5  0,8) D и b = 0,l d. Высота установки от дна сосуда h =(0,1 0,3) D, а высота жидкости в сосуде Н = (0,8  1,3) D. Число лопастей состав-ляет обычно 2, редко - 4. Для перемешивания в высоких аппаратах на одном валу можно установить несколько мешалок по высоте, расстояние между которыми выбирают равным 0,3 0,8 d. Окружная скорость их находится в пределах 1,5 5 м/с. Лопасти мешалок располагают обычно вертикально или с накло­ном в 45⁰. Наклонные лопасти более интенсивно перемешивают жидкость, чем прямые.

Лопастные мешалки из-за простоты изготовления применяются в тех случаях, когда нет необходимости в интенсивной радиально-осевой циркуляции жидкости в аппа-рате. Они создают главным образом окружную циркуляцию жидкости и лишь незна-чительную радиаль­но-осевую. Их недостаток - слабая интенсивность перемешивания.

Рамные мешалки ( см. рис. 6 ж – и) отличаются низкими значениями частоты вра-щения (0,3 1 с^-1)  и окружной скорости (0,5 2,5 м/с). Диаметр мешалок приближается к диаметру аппа­рата, и зазор между лопастью и стенкой сосуда обычно находится в пре-делах (0,005 0,1) D; b= 0,06 d. Рамные мешалки можно ис­пользовать для перемешивания жидкостей (суспензий) с высокой вязкостью (до 100 Па·с).

Для усиления турбулентности жидкости и интенсивности перемешивания во всем объеме аппарата внутри рамы могут уста­навливаться дополнительные мешалки, лучше всего с наклонными лопастями (см. рис. 6, з).

Используют рамные мешалки при необходимости создания интенсивного переме-шивания за счет окружной циркуляции. Они препятствуют (замедляют) обрастанию сте-нок аппарата твердыми частицами вследствие высоких скоростей жидкости вдоль стенок.

Вибросмесители по сравнению с лопастными смесителями конструктивно более просты и надежны, имеют более высокую производительность, меньшие экс-плуатационные расходы и дают лучшее ка­чество смешения. Так, например, эмульсия парафинового масла в воде, приготовленная в вибросмесителе, начинает расслаи-ваться че­рез 360 с, тогда как та же эмульсия, получен­ная во вращающемся механическом смесителе, расслаивается через 180 с.

Смесители этого типа можно также успешно использовать при проведении тех-нологи­ческих процессов (растворения, выщелачивания, диспергирова­ния и т. д.), при которых необходима подача газообразного компонента. При этом в 2 10 раз улуч-шается абсорбция газа жидкостью (например, хлора известковым молоком) На­прав-ление колебаний перфорированных дисков - вертикальное. При частоте 50 100 Гц амплитуда колебаний равна 2 4 мм,  для частот 25 30 Гц - 3 4 мм.

Вибросмесители особенно при­годны для суспензий с микробиологичес- кими структурами. Для этой цели выпускается ряд контактных аппаратов объемом от 1 6 л (лабораторный вариант) до 5000 л. Аппараты снабжаются необходимыми изме-рительными устройствами (датчиками рН, рО₂ и т. д.), рубашкой с теплоносителем для под­держания рабочей температуры, приборами для автоматического управления.