Механическое перемешивание

Механическое перемешивание в жидкой среде осуществляется
с помощью мешалок различного типа (рис. 5.1). Мешалки состоят из комбинации лопастей, насаженных на вращающийся вал. Лопасти мешалок имеют разнообразную геометрическую форму и в зависимости от формы вращаются с разной угловой скоростью.

По скорости вращения мешалки условно разделяют на две группы:

– тихоходные (лопастные, якорные), у которых окружная скорость концов лопастей порядка 1 м/с.

– быстроходные (пропеллерные, турбинные), у которых окружная скорость порядка 10 м/с.

а) б) в) г)

Рис. 5.1. Схемы мешалок: а – лопастная; б – якорная;
в – пропеллерная; г – турбинная

Чтобы избежать вращения жидкости в аппарате вместе с лопастями мешалки, на внутренней поверхности мешалок устанавливают отражатели.

Простые лопастные мешалки применяются для перемешивания жидкостей малой вязкости. Для более вязких жидкостей рекомендуется использовать рамные, листовые мешалки. Якорные мешалки рекомендуется использовать для циркуляционного перемешивания суспензий.

Пропеллерные мешалки создают циркуляцию жидкости в осевом направлении. Они применяются для перемешивания мало- и средневязких жидкостей.

В турбинных мешалках жидкость с двух сторон вдоль оси всасывается в турбину и выбрасывается по радиусу вращения, образуя интенсивную циркуляцию. Турбинные мешалки применяются для перемешивания любых жидкостей и суспензий.

Движение жидкости в аппарате с мешалкой. При работе мешалок возникает сложное трехмерное движение жидкости: тангенциальное, радиальное и аксиальное. Тангенциальное движение является основным, первичным.

Под действием центробежной силы жидкость стекает с лопасти
в радиальном направлении. Дойдя до стенки аппарата, этот поток делится на два: один движется вверх, другой – вниз. За счет радиального течения жидкости в центральной части аппарата возникает зона пониженного давления. Туда, в центральную часть аппарата, устремляются потоки
от дна и свободной поверхности. Таким образом, возникает аксиальное течение жидкости, возникает устойчивая циркуляция жидкости во всем объеме аппарата. Циркуляционные потоки характеризуются скоростью вращения мешалок. Существенное влияние на них оказывает вязкость перемешиваемых жидкостей. С ростом вязкости циркуляционные потоки замедляются, что снижает эффективность процесса перемешивания.

Определим модифицированное число Рейнольдса для описания процесса перемешивания. Вместо линейной скорости жидкости, среднюю величину которой при перемешивании установить практически невозможно, возьмем nd, пропорциональную тангенциальной (окружной) скорости мешалок:

(5.2)

где n – число оборотов мешалки, d – диаметр мешалки.

В качестве определяющего линейного размера возьмем диаметр мешалки d. Тогда получим:

. (5.3)

При ламинарном движении жидкости в аппаратах
с мешалкой возникает слаборазвитое трехмерное течение со свободной циркуляцией.

В переходной области формируется вынужденная циркуляция, а при развитом турбулентном течении вынужденная циркуляция обеспечивает интенсивное трехмерное течение всей массы жидкости в аппарате.

При работе мешалок на поверхности жидкости возникает воронка, глубина которой пропорциональна окружной скорости мешалки. Воронки снижают эффективность их работы. Для предотвращения образования воронки у стенок аппарата устанавливают радиальные отражательные перегородки.