Автоматический прибор | Перемешивание – это больше, чем просто перемешивание материалов: 

Полное руководство по принципам и типам перемешивания

Введение

На основе анализа реальных условий эксплуатации емкостей для химических реакций техническая группа Auto Instrument изучает логику работы мешалки и опровергает ошибочное представление о том, что «более высокая скорость вращения обеспечивает лучшую эффективность перемешивания». Это руководство помогает инженерам-технологам и специалистам по оборудованию понять принципы перемешивания и правильно выбрать мешалки и рабочие параметры.

Многие бригады на местах сталкивались с этой проблемой: в перемешивающем резервуаре появляются явные вихри, но осадок все равно накапливается на дне. После увеличения скорости вращения ток двигателя продолжает расти, но неравномерное перемешивание материалов не улучшается. Конструкция импеллера, высота установки, вязкость материала и характер потока внутри резервуара напрямую определяют эффективность перемешивания. Даже при одинаковой мощности двигателя и скорости вращения импеллеры различной конструкции могут создавать совершенно разные состояния потока.

1. Технологические функции оборудования для перемешивания

Перемешивание обеспечивает движение материала за счет механического вращения, барботирования газом или струйного распыления жидкости для достижения достаточного контакта между многофазными материалами, что позволяет завершить процессы смешивания, диспергирования, теплопередачи и массопередачи. К общим целям процесса относятся следующие:

· Смешивание жидкостей: устранение различий в концентрации внутри резервуара за счет циркуляции жидкости;

· Суспензия твердых частиц: Обеспечивает приток жидкости для предотвращения осаждения и накопления твердых частиц;

· Дисперсия жидкость-жидкость: Разложение одной жидкости на мельчайшие капли и диспергирование их в другой жидкости с помощью силы сдвига;

· Дисперсия газа и жидкости: Разрушение пузырьков для расширения площади контакта между газом и жидкостью;

· Тепло- и массообмен: Непрерывная циркуляция материалов повышает эффективность теплообмена и массопереноса.

Различные технологические задачи предъявляют разные требования к рабочей жидкости. При перемешивании жидкости приоритет отдается скорости циркулирующего потока; для суспензий твердых частиц важна скорость потока на дне резервуара; для жидкостно-жидкостной дисперсии требуется достаточная локальная прочность на сдвиг. Во многих реакторных процессах измерительные приборы используются вместе с системой перемешивания для мониторинга состояния материала в режиме реального времени. В некоторых проектах для работы со суспензиями применяются шламоизмерители. Химические денсиметры часто используются в паре с мешалками для синтеза и дозирования. Как производитель денсиметров, мы видели множество случаев, когда эффективность перемешивания напрямую влияет на стабильность отбора проб и измерений промышленных онлайн-денсиметров и жидких денсиметров.

2. Основные виды возбуждения

В зависимости от источника привода перемешивание делится на три категории: механическое перемешивание, газовое перемешивание и струйное перемешивание. Механическое перемешивание использует двигатель для вращения импеллера. К распространенным типам импеллеров относятся лопастные, пропеллерные, турбинные, якорные и спиральные ленточные.

1. Лопастной мешатель Состоит из мешалки и лопастей, включая плоские, наклонные и лопастные. Отличается простой конструкцией, удобством разборки и обслуживания, подходит для растворения, дозирования и смешивания жидкостей низкой и средней вязкости.

2. Пропеллерный мешатель Благодаря лопастному механизму, создающему пропеллер, обеспечивается сильный осевой поток. Жидкость проталкивается вдоль оси, а затем возвращается в систему с образованием крупномасштабной циркуляции. Подходит для смешивания, растворения и обычных применений в системах с твердыми суспензиями с низкой вязностью.

3. Турбинный мешатель Многолопастные конструкции включают в себя прямолопастные турбины, наклоннолопастные турбины и дисковые турбины. Прямолопастная дисковая турбина в основном создает радиальный поток; наклоннолопастная турбина обеспечивает комбинированный осевой и радиальный поток. Ее производительность по транспортировке и сдвигу определяется углом лопаток и конструкцией.

4. Анкерный мешатель Лопасти вращаются вплотную к внутренней стенке резервуара, обеспечивая большой диаметр перемешивания и низкую рабочую скорость, воздействуя преимущественно на материалы, расположенные у стенки резервуара. Более высокая вязкость требует большего крутящего момента от вала мешалки, поэтому необходимо предусмотреть достаточный запас для нагрузки на двигатель и редуктор.

5. Винтовой ленточный мешатель Спиральные лопасти расположены вдоль осевого направления. Вращение толкает материал в осевом направлении, а внутри резервуара образуется циркуляция за счет обратного потока. Широко используется для перемешивания высоковязких материалов.

6. Газовое перемешивание Сжатый газ поступает в жидкую фазу через газораспределительные устройства. Поднимающиеся пузырьки обеспечивают циркуляцию жидкости, одновременно осуществляя массообмен между газом и жидкостью.

7. Струйное перемешивание Жидкость под давлением распыляется через форсунки циркуляционным насосом, увлекая за собой окружающую среду и обеспечивая циркуляцию в резервуаре. Угол наклона форсунки, скорость циркуляционного потока и потери в трубопроводе напрямую влияют на результаты перемешивания. Для сред, содержащих твердые частицы, необходимо заранее оценить риски износа и засорения форсунок.

3. Принципы перемешивания в поле основного потока

Механическое перемешивание передает механическую энергию от рабочего колеса к материалам, формируя три типа потока: осевой, радиальный и тангенциальный. Обычно внутри резервуара перекрываются и сосуществуют несколько потоков.

1. Осевой поток Материалы перемещаются вверх и вниз вдоль мешалки, создавая обширную циркуляцию внутри резервуара и обеспечивая обмен материалами на разных высотах. Она обладает высокой общей производительностью, идеально подходящей для смешивания жидкостей, суспензий твердых частиц и теплопередачи.

2. Радиальный поток Жидкость выбрасывается из рабочего колеса в сторону стенки резервуара, отскакивает вверх и вниз после удара о стенку и возвращается обратно к рабочему колесу. Рабочие колеса, создающие радиальный поток, обеспечивают сильное локальное сдвиговое напряжение и турбулентность, что делает их более подходящими для процессов диспергирования капель и пузырьков.

3. Тангенциальный поток Материалы вращаются по окружности вокруг вала мешалки. Чрезмерный тангенциальный поток создает поверхностные вихри, в которых материалы вращаются как единое целое с незначительным вертикальным обменом. Установка перегородок на стенках резервуара может эффективно подавлять тангенциальное вращение и улучшать общую циркуляцию.

В реальных резервуарах одновременно существуют осевой, радиальный и тангенциальный потоки. Интенсивность потока определяется типом рабочего колеса, местом установки и принадлежностями резервуара.

4. Взаимосвязь между скоростью вращения и мощностью перемешивания.

Диаметр рабочего колеса, скорость вращения и свойства материала влияют на потребляемую мощность при перемешивании. В условиях турбулентности формула мощности на валу выглядит следующим образом:P = Np × ρ × n³ × D⁵ P — Мощность на валу рабочего колеса (Вт) Np — Число мощности (безразмерное) ρ — Плотность жидкости (кг/м³) n — Скорость вращения рабочего колеса (об/с) D — Диаметр рабочего колеса (м)

При фиксированной конструкции рабочего колеса, резервуара и материала, мощность остается приблизительно постоянной. Мощность перемешивания пропорциональна кубу скорости вращения. Изменение диаметра рабочего колеса также существенно изменяет потребление энергии. Мощность варьируется для разных конструкций и требует целенаправленного расчета. Более высокая скорость вращения не всегда лучше. Чрезмерно высокая скорость может привести к захвату воздуха с поверхности жидкости, пенообразованию, вибрации оборудования и перегрузке двигателя. Данная формула рассчитывает только мощность на валу рабочего колеса. При выборе двигателя также следует учитывать потери при передаче и фактическую рабочую нагрузку.

5. Логика выбора мешалок

Для выбора необходимо сначала подтвердить три основных условия: характеристики материала, цели перемешивания в процессе и структуру реактора. Тип, размер и рабочие параметры мешалки определяются в соответствии с фактическими условиями работы, с учетом вязкости материала, плотности, содержания твердых частиц, размеров резервуара и требуемой эффективности перемешивания. Следует отметить, что степень перемешивания напрямую влияет на показания измерительных приборов в режиме реального времени. Чрезмерное перемешивание вызывает искажения результатов измерений, а недостаточное перемешивание приводит к расслоению материала; оба фактора влияют на стабильность показаний онлайн-денсометров и аналогичных приборов.

6. Заключение

Лопастные и пропеллерные рабочие колеса отлично подходят для циркуляции и перемешивания жидкости; турбинные рабочие колеса предназначены для жидкостно-жидкостной и газожидкостной дисперсии; якорные и ленточные рабочие колеса в основном используются для обработки высоковязких материалов. Фактическую производительность оборудования для перемешивания нельзя оценивать только по скорости вращения двигателя и рабочему току. Ее следует оценивать комплексно, на основе свойств материала, конструкции рабочего колеса и результатов технологических испытаний.

Компания Auto Instrument, являясь производителем плотномеров, поставляет онлайн-плотометры, плотномеры для жидкостей, промышленные онлайн-плотометры для жидкостей, плотномеры для суспензий и химические плотномеры. Эти приборы совместимы с различными реакторами с перемешиванием для обнаружения материалов в режиме реального времени в технологическом процессе, помогая инженерам-технологам контролировать состояние материалов внутри резервуаров.