Материалы для СРСП 3

 

ПЕРЕМЕШИВАНИЕ И СМЕШИВАНИЕ

 

Цель: сформировать представление о принципах перемешивания и смешивания

 

План

1 Общие сведения

2 Перемешивание в жидкой среде

3 Псевдоожижение

 

1 Общие сведения

Процесс усреднения концентрации составных частей и темпе­ратур в смесях жидких, сыпучих и пластических материалов назы­вается перемешиванием.

Способы перемешивания подразделяются на механические, циркуляционные, пневматические (барботажные) и поточные.

Способы выбирают в зависимости от назначения перемешива­ния, а также от основных характеристик процесса (температуры, давления), свойств перемешиваемой среды, производительности аппарата и всей технологической линии.

По состоянию перемешиваемой среды перемешивание подраз­деляется:

                          на перемешивание в жидкой среде;

                          перемешивание сыпучих материалов;

                          перемешивание пластических материалов.

Перемешивание применяют для следующих целей:

                          обеспечения равномерного распределения твердых частиц в объеме жидкости (создание суспензий)',

                          равномерного распределения и дробления до заданных раз­меров частиц жидкости в жидкости или газа в жидкости (образо­вание эмульсий, аэрация)',

 

                       интенсификации нагревания или охлаждения обрабатыва­емых масс;

                       интенсификации массообмена в перемешиваемой системе (растворение, выщелачивание).

Наиболее важными характеристиками перемешивающихся уст­ройств являются их эффективность и интенсивность действия.

Эффективность перемешивающего устройства характеризует качество проведения процесса перемешивания и может быть вы­ражена по-разному, в зависимости от цели перемешивания. На­пример, в случае образования суспензий и эмульсий эффектив­ность перемешивания определяется тем, насколько близки кон­центрации целевого компонента в различных точках сосуда, т.е. однородностью полей концентраций. При интенсификации теп­ловых и диффузионных (массообменных) процессов эффектив­ность характеризуется отношением коэффициентов теплоотдачи и массоотдачи при перемешивании и без него.

Интенсивность перемешивания определяется продолжител ьно­стью достижения заданного технологического результата.

 

 

 

2 Перемешивание в жидкой среде

Для перемешивания жидких сред используют разные спо­собы.

Механическое перемешивание. Механическое перемешивание осуществляется вращающимися механическими мешалками раз­ных конструктивных типов (рис. 3.50). Из них чаще всего применя­ются: лопастные — с плоскими лопастями; пропеллерные — с винтовыми лопастями; турбинные; специальные (якорные, рам­ные и др.).

 

 

mmm1.png

 

Лопастные мешалки. Лопастные мешалки используют для пе­ремешивания жидких сред с умеренной вязкостью.

Простейшие лопастные мешалки имеют две плоские лопас­ти, установленные в вертикальной плоскости, т.е. перпендику­лярно к направлению вращения (рис. 3.51). Лопасти укреплены на вертикальном валу, который приводится во вращение от зуб­чатой или червячной передачи и в зависимости от типа аппарата делает 12... 80 об/мин. Диаметр лопастей составляет примерно 0,7 диаметра сосуда, в котором вращается мешалка.

 

 mmm2.png

 

При малой частоте вращения мешалки жидкость совершает кру­говое движение, т.е. вращается по окружностям, лежащим в го­ризонтальных плоскостях, в которых движутся лопасти. В этих ус­ловиях не происходит смешивания разных слоев жидкости, по­этому интенсивность перемешивания низкая.

Интенсивное перемешивание достигается в результате появле­ния вторичных потоков и вихревого движения жидкости. Вторичные потоки образуются под действием центробежных сил, вызы­вающих движение жидкости в плоскости вращения лопасти от центра сосуда к его стенкам. Вследствие этого, в центре сосуда создается пониженное давление, причем в область пониженного давления всасывается жидкость из слоев, лежащих выше и ниже лопасти. В результате в сосуде происходит циркуляция жидкости.

Вторичные потоки, сливаясь с основным круговым движени­ем жидкости, создают сложное движение, при котором происхо­дит интенсивное перемешивание отдельных слоев. Интенсивность перемешивания возрастает с увеличением числа оборотов; однако еще быстрее увеличивается мощность, потребляемая мешалкой.

При круговом движении жидкости на ее поверхности под дей­ствием центробежной силы образуется воронка, которая приво­дит к ухудшению использования объема сосуда.

При увеличении числа оборотов возникает беспорядочное вих­ревое движение жидкости, при этом вихри соударяются друг с дру­гом по всему объему жидкости. В этих условиях достигается высокая равномерность и интенсивность перемешивания. Для образования вихревого движения в корпусе мешалки устанавливают отражатель­ные перегородки в виде вертикально поставленных полос.

К достоинствам лопастной мешалки можно отнести простоту устройства, дешевизну изготовления и удовлетворительное пере­мешивание умеренно вязких жидкостей.

Недостатками таких мешалок являются малая интенсивность перемешивания и непригодность для перемешивания легко рас­слаивающихся веществ.

Турбинная мешалка. Аппараты таких типов обеспечивают хоро­шее перемешивание вязких жидкостей и жидкостей, содержащих взвешенные частицы.

Турбинные мешалки (см. рис. 3.50, ге) бывают двух видов: от­крытые и закрытые, имеющие лопастное колесо с каналами. Тур­бинные мешалки работают при скорости вращения 100... 350 об/мин и производят интенсивное перемешивание жидкости.

Открытые турбинные мешалки создают вращение нескольких лопастей, расположенных под углом к вертикальной плоскости, образуя наряду с радиальными осевые потоки жидкости, что спо­собствует интенсивному перемешиванию ее в больших объемах. Интенсивность перемешивания возрастает, если установить в со­суд отражательные перегородки.

Закрытые турбинные мешалки создают преимущественно ради­альные потоки жидкости при небольшой затрате кинетической энергии. Образующиеся радиальные потоки жидкости имеют до­статочно большую скорость и распространяются по всему сече­нию аппарата, достигая наиболее удаленных его точек.

К достоинствам турбинных мешалок относятся быстрота пере­мешивания и растворения, эффективное перемешивание вязких жидкостей и пригодность для непрерывных процессов.

Недостатком турбинных мешалок является сравнительная слож­ность и высокая стоимость изготовления.

Процесс перемешивания осуществляется в смесителях перио­дического или непрерывного действия, оборудованных специаль­ными перемешивающими элементами — рамами, шнеками, лен­тами и др. Виды элементов перемешивающих устройств для плас­тических материалов показаны на рис. 3.60.

Выбор типа машин определяется характером обрабатываемого материала. Так, пластические массы (например, ржаное тесто) могут перемешиваться в мешалках с вращающимся месильным органом. Эластично-упругие массы (например, пшеничное тесто из муки высшего сорта) — в смесителях со сложной траекторией движения.

 

3        Псевдоожижение

Процесс псевдоожижения можно наблюдать в мелкозернистом слое, через который движется восходящий поток жидкости или газа.

Если через слой зернистого материала проходит при неболь­шой скорости поток газа (жидкость), то этот слой неподвижен.

При увеличении скорости потока газа (жидкости) выше неко­торого критического значения слой перейдет во взвешенное со­стояние, т.е. он «кипит». Взвешенный слой мелкозернистого мате­риала обычно поддерживается в аппаратах прямоугольной, ци­линдрической или конической формы с помощью решетки, слу­жащей также и для равномерного распределения ожижающего потока. Однако существует ряд аппаратов (гидротранспорт, рас­пылительные сушилки и др.), работающих в гидродинамическом режиме, соответствующем выносу материала из аппарата с газо­вым потоком.

Метод «кипящего» (псевдоожиженного) слоя широко исполь­зуется в абсорбции, адсорбции, сушке, экстрагировании и других процессах в качестве прогрессивного технологического способа, обеспечивающего непрерывное взаимодействие газовой (жидкой) среды с зернистым твердым материалом в условиях выравнива­ния температуры или концентрации.

Для улучшения концентрации, эффективности использования взвешенного («кипящего») слоя в настоящее время развиваются следующие направления:

• псевдоожиженный слой под давлением и при высоких темпе­ратурах;

                 псевдоожиженный слой в центробежном слое;

                псевдоожиженный слой с импульсной циркуляцией ожижа­ющего потока;

                 виброкипящий слой;

                 фонтанирующий слой и др.

 

 

Контрольные вопросы

1.                       Для каких целей используются процессы перемешивания и сме­шивания?

2.                       Какие конструкции мешалок применяются в пищевой технологии и от чего зависит их выбор?

3.                       Как определяется мощность, потребляемая мешалкой?