Основные проблемы смешивания и перемешивания жидкостей связаны с механикой потоков жидкости и способами их перемещения.
перемещается. Смешивание осуществляется путем переноса материала посредством передачи импульса и турбулентности. Перемешивание является результатом турбулентного движения жидкости. В большинстве крупномасштабных операций смешивания вращающееся рабочее колесо используется для создания потока жидкости. Турбулентность может быть создана четырьмя способами: воздействием лопасти рабочего колеса на жидкость; трением жидкости о стенки резервуара; прохождением жидкости вокруг препятствия; или потоками высокой скорости, движущимися рядом с потоками низкой скорости. Этот последний механизм включает в себя разрыв скорости потока и играет самую большую роль в создании турбулентности и перемешивания пропеллерными и турбинными мешалками.
Смесительный бак должен быть цилиндрическим с вертикальной осью, дно может быть плоским, вогнутым или иметь форму неглубокого конуса. Глубина жидкости, равная диаметру бака, является хорошей практикой, но может быть и двух диаметров. В больших баках глубина жидкости может быть меньше, но хорошего смешивания не получится, если глубина слишком мала. Квадратных или прямоугольных баков следует избегать, поскольку в углах часто бывает трудно обеспечить адекватное движение жидкости.
Импеллер вызывает движение жидкости и создает вместе со стенкой основные линии потока через жидкость. Когда один импеллер любой формы или размера вращается на центральной линии цилиндрического резервуара с гладкими стенками, то создаваемое движение потока представляет собой вращательное завихрение или вихревое движение. Поток является круговым, и вертикального движения практически нет. Жидкость движется как на карусели, и вероятность смешивания мала, поскольку жидкость не выталкивается вбок или вертикально. Однако, если на стенке резервуара или в другом месте есть препятствия, различные импеллеры дадут один из двух основных типов схем потока. Пропеллер морского типа создает осевой поток: поток покидает импеллер в направлении оси вращения. Схема потока показана на рис. 4. Следует отметить, что существуют вертикальные и боковые линии потока: жидкость перемещается вверх, вниз и горизонтально, обеспечивая хороший оборот сверху вниз, и это движение способствует хорошему смешиванию. Обратите внимание, что пропеллеры почти всегда работают так, чтобы выпуск воздуха был направлен вниз, а когда на одном валу используются два пропеллера, они оба выпускают воздух вниз.
Когда плоские лопасти или турбины вращаются с препятствием в жидкости, жидкость движется от турбин в плоскости, перпендикулярной оси вращения. Такое движение называется радиальным движением, и любое рабочее колесо, которое генерирует этот тип потока, классифицируется как рабочее колесо с радиальным потоком.
Обычно валы импеллера входят через верхнюю поверхность жидкости, центрируются и используются перегородки. Однако пропеллеры могут использоваться для создания осевого потока, с верхним входом без перегородок или с боковым входом без перегородок, в нецентральных положениях.
Первое соображение для смешивания в процессе - это выбор схемы потока, наиболее подходящей для операции. Если твердые частицы должны быть суспендированы, необходимо разработать вертикальные потоки, чтобы противостоять скорости осаждения частиц, как показано на рис. 4, 5 и 6. Турбины и лопасти эффективны при низких скоростях вращения и предпочтительны для больших резервуаров, поскольку они позволяют использовать длинные валы без погружных нижних подшипников.
Требования к мощности для смешивания зависят от желаемой схемы потока, скоростей потока, которые должны быть получены в определенных частях жидкости, и требуемой турбулентной энергии. Скорость потока зависит от количества движущегося материала и площади, через которую он движется. Таким образом, большой поток, создаваемый пропеллером малого диаметра, приведет к высоким скоростям на малых площадях. Такой поток создаст турбулентность высокой интенсивности, но масштаб турбулентности может быть низким. С другой стороны, низкие скорости потока могут быть созданы большим потоком, создаваемым рабочим колесом большого диаметра.
Имеются данные по потоку, создаваемому в перегородчатых резервуарах трехлопастными лопастями с квадратным шагом.
морские гребные винты производства Mixing Equipment Co., Inc.,
Q = КН Д³……………………………………………………………………(1)
где Q — расход в куб. футах в секунду, N — об/с, D — диаметр винта, футы, а константа K для воды равна 0,4. Уравнение показывает, что расход напрямую зависит от скорости импеллера и куба диаметра. Если размер винта удвоить, а скорость сохранить постоянной, расход увеличится в восемь раз.
Уравнение 1 можно использовать для потока в перегородчатых резервуарах от турбин с плоскими лопастями и рабочих колес другой формы, используя соответствующее значение для константы K. Значение K для турбины с шестью плоскими лопастями, подобной показанной на рис. 2, составляет 0,5.
Мощность, необходимая для привода крыльчатокМощность, необходимая для привода вращающегося рабочего колеса, зависит от его формы, размера (D), скорости (N) и местоположения, а также от свойств жидкости (плотности p и вязкости µ), а также от фитингов и конфигурации резервуара.
Когда значение (D²Np/µ), числа Рейнольдса, больше 5000, а поверхность жидкости не закручивается в вихрь, а имеет поток, можно с уверенностью предположить, что движение жидкости полностью турбулентное. Для этих условий мощность можно вычислить по формуле
P = K/gc p N³ D5……………………………………………………………….(2)
где P — мощность в фут-фунтах в секунду, gc — постоянная силы тяжести, а K — константа (см. Таблицу I). Уравнение показывает, что в условиях перегородок, если скорость любого импеллера удваивается, мощность, необходимая для его вращения, увеличится в (2)³, или в восемь раз. Кроме того, если импеллер с аналогичными размерами в два раза больше меньшего, для его вращения с той же скоростью, что и меньшего, потребуется (2)5, или в 32 раза больше мощности.
Для вязких условий, когда число Рейнольдса меньше 10,
Мощность, создаваемая рабочим колесом, создает поток, противодействующий общему напору.
P = Q p H…………………………………………………………………………[4]
где H — общий напор в футах, включающий все статические, напорные, скоростные и турбулентные напоры. Начальная турбулентность в потоке от рабочего колеса пропорциональна H; таким образом, одно и то же количество мощности может быть применено для создания большого потока и малого напора (или турбулентности) или малого потока с большим напором (или турбулентностью).
Например, пропеллер некоторого размера, работающий при 420 об/мин, будет производить одну единицу потока на одну единицу напора. Если работает большой импеллер, в 1,52 раза больше диаметра первого, он должен вращаться со скоростью 210 об/мин, чтобы выдать ту же мощность. Это приведет к увеличению потока на 74% (Q = 1,74) и уменьшению напора до 58% от того, что есть у меньшего пропеллера. Эти соотношения можно вывести из уравнения 2, что приведет к
Nr = Dr -5/3…………………………………………………………………….[5]
где индекс r указывает отношение большого размера к малому. Эти соотношения являются основой для выбора соответствующего оборудования для смешивания и перемешивания, а также для масштабирования экспериментальных результатов на крупногабаритное оборудование.
( оригинал )