Перемішування в промисловості

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТЕМА 1. ПЕРЕМІШУВАННЯ



Перемішування в рідких середовищах застосовується в промисловості для приготування суспензій, емульсій і отримання гомогенних систем (розчинів), а також для інтенсифікації хімічних, теплових і дифузійних процесів. В останньому випадку перемішування здійснюють безпосередньо в призначених для проведення цих процесів в апаратах, забезпечених перемішуючими пристроями. Мета перемішування визначається призначенням процесу. Під час приготування емульсій для інтенсивного дроблення дисперсної фази необхідно створювати в перемішуваному середовищі значні зрізаючі зусилля, залежні від величини градієнта швидкості. У тих зонах, де градієнт швидкості рідини має велике значення, відбувається найбільш інтенсивне дроблення оброблюваного матеріалу. У разі гомогенізації, приготування суспензій, нагрівання або охолоджування перемішуючого гомогенного середовища метою перемішування є зниження концентраційних або температурних градієнтів в об'ємі апарату.

Під час використання перемішування для інтенсифікації хімічних, теплових і дифузійних процесів в гетерогенних системах створюються кращі умови для підведення речовини в зону реакції, до межі розділу фаз або до поверхні теплообміну. Збільшення ступеня турбулентності системи, що досягається при перемішуванні, приводить до зменшення товщини прикордонного шару, збільшенню і безперервному оновленню поверхні взаємодіючих фаз. Це викликає істотне прискорення процесів тепло - масообміну. Способи перемішування і вибір апаратури для його проведення визначаються метою перемішування і агрегатним станом перемішуваних матеріалів. Широкого поширення в легкій промисловості набули процеси перемішування в рідких середовищах. Незалежно від того, яке середовище змішується з рідиною - газ, рідина або тверда сипка речовина, - розрізняють два основні способи перемішування в рідких середовищах: механічний (за допомогою мішалок різних конструкцій) і пневматичний (стиснутим повітрям або інертним газом). Крім того, застосовують перемішування в трубопроводах і перемішування за допомогою сопел і насосів.

Ефективність і інтенсивність перемішування. Найбільш важливими характеристиками перемішуючих пристроїв, які можуть бути покладені в основу їх порівняльної оцінки, є:

- ефективність перемішуючого пристрою характеризує якість проведення процесу перемішування і може бути виражена по-різному, залежно від мети перемішування. Наприклад, в процесах отримання суспензій ефективність перемішування характеризується ступенем рівномірності розподілу твердої фази в об'ємі апарату; під час інтенсифікації теплових і дифузійних процесів - відношенням коефіцієнтів тепло - і масовіддачі під час перемішування і без нього; ефективність перемішування залежить не тільки від конструкції перемішуючого пристрою і апарату, але і від величини енергії, що вводиться в перемішувану рідину;

- інтенсивність перемішування визначається часом досягнення заданого технологічного результату або числом оборотів мішалки при фіксованому тривалості процесу (для механічних мішалок). Чим вище інтенсивність перемішування, тим менше часу потрібно для досягнення заданого ефекту перемішування. Інтенсифікація процесів перемішування приводить до зменшення розмірів проектованої апаратури і збільшення продуктивності.

Для економічного проведення процесу перемішування бажано, щоб необхідний ефект перемішування досягався за найбільш короткий час. Під час оцінки витрати енергії перемішуючим пристроєм слід враховувати загальну витрату енергії за час, необхідний для забезпечення заданого результату перемішування.

Вибір апаратів з перемішуючими пристроями і конструктивні особливості апаратів визначаються характеристикою процесу, властивостями перемішуваного середовища, продуктивністю технологічної лінії, температурними параметрами процесу і тиском, при якому процес здійснюється. Таке різноманіття чинників, що впливають на вибір конструкції, утрудняє завдання оптимального проектування апаратів. Основні процеси хімічної технології, для здійснення яких використовуються апарати з мішалками, проводяться, як правило, в рідкому неоднорідному середовищі. Під рідким неоднорідним середовищем розуміється одно - або багатокомпонентне середовище з нерівномірною концентрацією або температурою, а також рідка неоднорідна система, що складається з дисперсної фази, розподіленої в рідкому середовищі. У практиці найбільшого поширення набув механічний метод перемішування рідких середовищ, здійснюваний шляхом механічної дії робочого органу (мішалки) на робоче середовище. Цей метод перемішування використовується в апараті, що полягає, як правило, з корпусу, перемішуючого пристрою і його приводу. Найбільш важливе значення в роботі апарату має тип і конструкція перемішуючого пристрою, робота якого полягає в перетворенні впорядкованої механічної енергії елементів, що обертаються, в неврегульовану теплову енергію за рахунок сил опору, що створюються корпусом апарату. В результаті цього перемішуючий пристрій здійснює дисипацію енергії в об'ємі апарату, величина якої залежить як від конструкції мішалки і характеристики приводу, так і від конструкції апарату і його внутрішніх пристроїв. Всі ці характеристики апарату в сукупності визначають потужність перемішування N. Мірою потужності перемішування може також служити об'ємна потужність, що характеризує дисипацію в апараті:

мішалка привод барботування пневматичний

, (1.1)

де V_р - об'єм перемішуваної рідини, рівний за коефіцієнта заповнення апараті об'єму апарату V (під коефіцієнтом k в даному випадку розуміється відношення ).

У апараті будь-якого об'єму залежно від частоти обертання n мають місце різні гідродинамічні режими руху рідини, що визначають величину Е. Області роботи апаратів тому можуть бути охарактеризовані мірою цієї величини - критерієм потужності K_n, який визначають за формулою:

, (1.2)

де r--- густина перемішуваного середовища кг/м³; d - діаметр мішалки, м, n - число оборотів мішалки, c-¹.

Для апаратів всіх типів значення K_n визначається, в першу чергу, відцентровим критерієм Re_ц, оскільки:

. (1.3)

При цьому

, (1.4)

де m--- динамічний коефіцієнт в'язкості.

Залежність (6.3) характеризує найбільш загальні закономірності руху рідини в апараті.



1. МЕХАНІЧНІ ПЕРЕМІШУЮЧІ ПРИСТРОЇ

Механічні перемішуючі пристрої складаються з трьох основних частин: власне з мішалки, валу і приводу. Мішалка є робочим елементом пристрою, що закріплюється на вертикальному, горизонтальному або на похилому валу. Привід може бути здійснений або безпосередньо від електродвигуна (для швидкохідних мішалок), або через редуктор або клинопасову передачу.

За видом лопатей розрізняють мішалки лопатеві, пропелерні, турбінні і спеціальні. За типом створюваного мішалкою потоку рідини в апараті розрізняють мішалки, що забезпечують тангенціальну, радіальну, осьову і змішану течію.

При тангенціальній течії рідина в апараті рухається переважно концентричними колами, паралельними площині обертання мішалки. Якість перемішування буде найгіршою, коли швидкість обертання рідини буде рівна швидкості обертання мішалки. Радіальна течія характеризується направленим рухом рідини від мішалки до стінок апарату перпендикулярно осі обертання мішалки. Осьовий рух рідини направлений паралельно осі обертання мішалки.

У промислових апаратах з мішалками можливі різні поєднання цих типів течії. Тип створюваного потоку, а також конструктивні особливості мішалок визначають їх області застосування.

За високих швидкостей обертання мішалок перемішувана рідина залучається до кругового руху і навколо валу утворюється лійка, глибина якої збільшується із зростанням числа оборотів і зменшенням густини і в'язкості середовища.

Якщо кутова швидкість перемішуваного середовища висока, глибина лійки стає зіставною з глибиною установки мішалки або навіть перевищує її. За великого радіусу поверхні лійки на рівні розташування мішалки в рідину занурені тільки кінці лопатей. Це рівноцінно зменшенню площ лопатей і призводить до зменшення крутного моменту, прикладеного до рідини. Одночасно спостерігається захоплення повітря в рідину, його диспергування і утворення газорідинної суміші в зоні, безпосередньо ометуваваної лопатями. Отже, локальна густина середовища, що оточує лопаті, опиняється нижчою за середню її густину в апараті, що також викликає зменшення крутного моменту.

Негативні дії, пов'язані з утворенням лійки, практично виключаються, якщо її вершина розташовується вище за маточину мішалки. Схема центральної лійки показана на рисунку.

Таку умову, що є за суттю однією з вимог до застосовності апарату з перемішуючим пристроєм, можна записати таким чином:

H_R - H_В і--h_м,

де H_R - висота рівня рідини у стінки апарату, м;

H_В - глибина лійки, м;

h_м - висота розміщення мішалки над днищем, м.

Для запобігання утворенню лійки в апараті поміщають відбивні перегородки. Метою установки відбивних перегородок є зміна структури поля швидкостей - зменшення складової окружної швидкості при відповідному збільшенні осьової і радіально складових (див. рисунок).

Зазвичай відбивні перегородки являють собою плоскі пластини, встановлені симетрично осі. Кількість перегородок приймається рівною 2?6, ширина від внутрішнього діаметру апарату. Найчастіше встановлюють 4 перегородки; для крупних апаратів (діаметром більше 4 м) рекомендується застосовувати більше число перегородок (6).

На рисунку позначено:

а - турбінна, апарат з перегородками; б - пропелерна, апарат з перегородками; в - турбінна або пропелерна, апарат без перегородок

Для запобігання утворенню лійки в апараті поміщають відбивні перегородки, які, крім того, сприяють виникненню вихорів і збільшенню турбулентністю системи. Утворенню лійки можна запобігти і за повного заповнення апарату, тобто за відсутності повітряного прошарку між перемішуваною рідиною і кришкою апарату, а також під час установки валу мішалки ексцентрично до осі апарату або застосуванням апарату прямокутного перетину. Крім цього, відбивні перегородки встановлюють у всіх випадках при перемішуванні в системах газ-рідина. Застосування відбивних перегородок, а також ексцентричне або похиле розташування валу мішалки приводить до збільшення споживаної нею потужності.

Мішалки підрозділяють на: лопатеві; пропелерні; турбінні; листові; спеціальні; барабанні; дискові; вібраційні.

Лопатеві мішалки застосовують для перемішування рідин з невеликою в'язкістю (до 0,1 Па•с), розчинення і перемішування твердих речовин з малою питомою вагою, а також для грубого змішування рідин в'язкістю менше 20 Па•с. Лопатеві мішалки відрізняються простотою конструкції і низькою вартістю виготовлення. Найбільш прості за конструкцією мішалки з плоскими лопатями із смугової або кутової сталі, встановлені перпендикулярно або похило до напряму їх руху. Частота обертання таких мішалок коливається від 18 до 80 об/хв, під час збільшення частоти обертання вище вказаної, ефективність перемішування різко знижується. Діаметр лопатей складає 0,7 діаметра резервуару, в якому працює мішалка. До недоліків лопатевих мішалок відносяться: мала інтенсивність перемішування густих і в'язких рідин, а також повна непридатність для перемішування речовин, що легко розшаровуються, для швидкого розчинення, тонкого диспергування і отримання суспензій, що містять тверду фазу з великою питомою вагою.

Пропелерні мішалки. Плоскі лопаті мішалок, поверхня яких перпендикулярна напряму руху рідини, не можуть забезпечити хорошого перемішування у всіх шарах рідини, оскільки створюють в ній головним чином тільки горизонтальні струми.

Під час використання пропелерних мішалок (рис. 6. 1), унаслідок зміни кута нахилу по всій площині лопаті, частинки рідини під час перемішування відштовхуються в будь-якому напрямі, в результаті виникають зустрічні струми, сприяючі інтенсифікації перемішування.



а)

б)

Рис. 6. 1. Пропелерна мішалка: а) без дифузора; б) з дифузором:

1- корпус апарата; 2 - вал; 3 - пропелер; 4 - дифузор

Для поліпшення циркуляції рідини пропелерну мішалку часто встановлюють в дифузорі, останній являє собою стакан, що має форму циліндра або усіченого конуса. Пропелерні мішалки застосовують для інтенсивного перемішування малов'язких рідин, осадів, що містять до 10% твердої фази з розмірами до 0,15 мм, а також для приготуванні суспензій і емульсій. Пропелерні мішалки не придатні для повного змішування рідин значної в'язкості (більше 0,6 Па^. с) або рідин, що включають тверду фазу великої питомої ваги.

Турбінні мішалки (рис. 6.2) застосовують для інтенсивного перемішування і змішування рідин з в'язкістю до 10 Па•с для мішалок відкритого і до 50 Па•с для мішалок закритого типів, для тонкого диспергування, швидкого розчинення або виділення опадів у великих об'ємах (5…6 м³).

а) б)

в) г)

Рис. 6.2. Турбінні мішалки: а) відкрита з прямими лопатками; б) відкрита з криволінійними лопатками; в) відкрита з похилими лопатками; г) закрита з направляючим апаратом:1- турбінна мішалка; 2- направляючий апарат.

Ці мішалки використовують для перемішування осадів в рідинах, що містять до 60% твердої фази (мішалки відкритого) і більше (мішалки закритого) типів, причому максимальні розміри твердих частинок до 1,5 мм для мішалок відкритого і до 2,5 мм для мішалок закритого типів.

Мішалка складається з одного або декількох відцентрових коліс (турбін), укріплених на вертикальному валу. Турбінні мішалки можуть бути двох типів: відкритого (рис. 6.2, а, б, в) і закритого (рис. 6.2, г) типів. Закриті мішалки встановлюють усередині направляючого апарату, що є нерухомим кільцем з лопатками, останні зігнуті під кутом, що змінюється від 45⁰ до 90⁰. За частоти обертання 100 - 350 об/хв турбінні мішалки забезпечують інтенсивне перемішування рідини. Недоліки мішалок цього типу - відносна складність конструкції і висока вартість виготовлення.

Нормалізовані турбінні мішалки мають діаметр турбін 400, 500, 600 і 800 мм.

Для перемішування рідин в'язкістю не більше 10 Па•с, а також для перемішування в апаратах, що обігріваються за допомогою спеціальних зовнішніх пристроїв або внутрішніх змійовиків, в тих випадках, коли можливо випадання осаду або забруднення поверхні, застосовують якірні (рис. 6.3, а) або рамні (рис. 6.3, б) мішалки.

Вони мають форму, відповідну формі апарату і діаметр, близький до внутрішнього діаметра апарата або змійовика. Під час обертанні ці мішалки очищають стінки і дно апарату від забруднень.

а) б) в)

Рис. 6.3. Тихохідні мішалки: а) якірна; б) рамна; в) листова



Листові мішалки (рис. 6.3, в) мають лопаті більшої ширини, ніж у лопатевих мішалок, і відносяться до мішалок, що забезпечують тангенціальний перебіг перемішуючого середовища. Окрім чисто тангенціального потоку, який є переважаючим, верхні і нижні кромки мішалки створюють вихрові струми, подібні тим, які виникають під час обтікання рідиною плоскої пластини з гострими краями. За великих швидкостей обертання листової мішалки на тангенціальний потік накладається радіальна течія, викликана відцентровими силами. Листові мішалки застосовують для перемішування малов'язких рідин (в'язкістю менше 0,05 Па•с), інтенсифікації процесів теплообміну, під час проведення хімічної реакції в об'ємі і розчиненні.

Спеціальні мішалки

До цієї групи відносяться мішалки, що мають більш обмежене застосування, ніж мішалки розглянутих вище типів.

На рис. 6.4 наведено схему барабанної мішалки.

Особливістю барабанної мішалки є наявність обертового барабана, розташованого в робочому середовищі.

Дискові мішалки (рис. 6.5) являють собою один або декількома гладких дисків, що обертаються з великою швидкістю на вертикальному валу.

Рис. 6. 4. Барабанна мішалка Рис. 6. 5. Дискова мішалка



Переміщення рідини в апараті відбувається в тангенціальному напрямі за рахунок тертя рідини в диск, причому диски, що звужуються, створюють також осьовий потік. Іноді краї дисків роблять зубчатими. Діаметр диска складає 0,1 - 0,15 діаметра апарата. Окружна швидкість рівна 5 - 35 м/с, що за невеликих розмірів диску відповідає дуже високим числам оборотів. Споживання енергії коливається від 0,5 кВт для малов'язких середовищ, до 20 кВт для в'язких сумішей. Дискові мішалки застосовують для перемішування рідин в об'ємах до 4 м³.

Вібраційні мішалки мають вал із закріпленими на ньому одним або декількома перфорованими дисками (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Конструкція дисків вібраційних мішалок

Диски здійснюють зворотно-поступальний рух, за якого досягається інтенсивне перемішування вмісту апарата. Енергія, споживана мішалками цього типу, невелика. Вони використовуються для перемішування рідких сумішей і суспензій переважно в апаратах, що працюють під тиском. Час, необхідний для розчинення, гомогенізації, диспергування під час використання вібраційних мішалок, значно скорочується. Поверхня рідини під час перемішування цими мішалками залишається спокійною, лійки не утворюється. Вібраційні мішалки виготовляються діаметром до 0,3 м і застосовуються в апаратах місткістю не більше 3 м³.

Мішалками для високов'язких середовищ є: стрічкова мішалка і шнекова мішалка.

Стрічкова мішалка є конструкцією, що складається з вертикального валу, на якому на рівній відстані одна від одної встановлені циліндричні втулки 2 (рис. 6.7).

Рис. 6 7. Стрічкова мішалка

1 - траверса; 2 - втулка; 3 - вал; 4, 5 - плоскі стрічки. А-А : а) для валу < 90 мм ;б) для валу > 90 мм

До кожної втулки приварені дві циліндричні траверси 1, на пери-ферійну частину яких спираються дві плоскі стрічки 4 і 5 шириною В = 0,1d_м з відносним кроком .

Висота стрічкової мішалки приймається конструктивно залежно від висоти корпусу апарата і рівня рідини в ньому.

Шнекова мішалка складається з циліндрич-ної втулки або валу, до зовнішньої поверхні яких приварена по гвинтовій лінії плоска стрічка, що має крок t (рис. 6.8). Шнекові мішалки, як правило, встановлюють в циркуляційній трубі. У разі установки шнекової мішалки в циркуляційній трубі повинні дотримуватися наступні конструктивні співвідношення між окремими розмірами елементами апарата: ; ; ; .

Стрічкові мішалки з скребками використовуються для інтенсифікації процесу тепловіддачі (рис. 6. 9, 6.10).

Висота мішалки приймається конструктивно залежно від висоти корпусу апарату і рівня рідини в ньому. Ця висота повинна бути кратній 0,166t. Всі розміри стрічкової мішалки з скребками ідентичні розмірам стрічкової мішалки, проте застосовувати цю мішалку найраціональніше в апаратах, що мають відносну висоту корпусу .

Рис. 6. 8. Шнекова мішалка

Вибір того або іншого типу мішалок визначається цільовими призначенням перемішуючих пристроїв і конкретними умовами протікання процесу. Які-небудь чіткі рекомендації з цього питання не можуть бути сформульовані.

Тому під час вибору того або іншого типу перемішувального пристрою можна використовувати орієнтовні характеристики умов доцільного застосування різних типів мішалок (табл. 6.1).

У різних галузях промисловості зрідка застосовують мішалки специфічних конструкцій. Як приклад можна привести всмоктуючі (імпелерні) мішалки, які застосовують для забезпечення хорошого контакту газу з рідиною при одночасному інтенсивному перемішуванні. Вал мішалки поміщений усередині труби, після якої подається повітря під невеликим надмірним тиском (у деяких конструкціях повітря всмоктується при обертанні мішалки). На мішалці є ряд лопатей, а на кінці труби встановлений статор з лопатями. Наявність двох рядів лопатей, пересувного і нерухомого забезпечує хороше перемішування рідини і газу.

Таблиця 6.1

Рекомендації після використання основних типів мішалок

Тип мішалок	Об'єм рідини, що перемішу-ється однією мішалкою, м3	Вміст твердої фази під чассуспензування, %	Динамічна в'язкістьрідини, Па с	Окружна швидкістьмішалки, м/с	Частотаобертаннямішалки, с-1
Лопатеві	до 1,5	до 5	до 0,01	1,7-5,0	0,3-1,35
Пропелерні	до 4,0	до 10	0,5- 3	4,5-17,0	8,5-20,0
Турбінні:відкриті	до 10,0	до 60	0,1- 4	3,8-10	0,7-10,0
закриті	до 20,0	до 60 і більше	10- 40	2,6-7	1,7-6,0
Спеціальні	до 20,0	до 75	до 10	2,1-8,0	1,7-25,0



Рис. 6.9. Стрічкова мішалка з скребками: 1 - скребок; 2 - спіральна стрічка; 3 - вертикальна траверса; 4 - вал.

Рис. 6.10. Кріплення скребка



2. ПНЕВМАТИЧНЕ ПЕРЕМІШУВАННЯ

Пневматичне перемішування методом барботування полягає в наступному. За допомогою розташованих на дні апарату трубок з отворами (так званих барботерів) через всю масу оброблюваної рідини пропускають повітря, яке приводить змішуване середовище в рух. Тиск повітря або газу, використовуваного для барботування, повинен бути достатнім для створення потрібного натиску в трубопроводі і подолання місцевих опорів і гідростатичного опору стовпа рідини. Тому при розрахунку пневматичних пристроїв для перемішування визначають необхідний тиск і витрату повітря або газу. При розрахунку барботерів хвилинну витрату повітря на 1м² вільної поверхні змішуваної рідини в апараті можна приймати рівною:

- за слабкого перемішування 0,4 м³;

- за середнього - 0,8 м³;

- За інтенсивного - 1,0 м³.

Пневматичне перемішування не вимагає складних пристосувань: за наявності стислого повітря достатньо барботера, приєднаного до повітропроводу. Пневматичне перемішування слід застосовувати, коли необхідне порівняно повільне або глибоке перемішування рідин в'язкістю до 0,2 кг/(м•с).

Перемішування гарячою парою застосовують, коли необхідно одночасно перемішувати і обігрівати рідину. Проте, використання пневматичного перемішування пов'язано відносно великою витратою енергії, а також з можливістю окислення і випарювання продукту. Ці недоліки значною мірою обмежують застосування пневматичне перемішування в хімічній промисловості.



3. ПРИВОДИ МІШАЛОК

Тихохідні мішалки - лопатеві, якірні і т.п. - звично приводяться в обертання від індивідуального електродвигуна через зубчату передачу. Приводи звично встановлюють на кришках апаратів, в яких мішалка працює, іноді на балках або рамах, укріплених на верхній частині апарату. Якщо вал довгий, то на днищі судини вмонтовується додаткова опора. У сучасних конструкціях привод звично здійснюється безпосередньо від електродвигуна через редуктор.

Для комбінованих мішалок застосовуються приводи типу, зображеного на рис. 6. 11. Від валу 1 обертання передається через дві конічні зубчаті передачі: через колеса 3 і 5 в одному напрямі і через колеса 2 і 4 у зворотному напрямі. Якщо передавальні числа обох пар однакові, то вали коліс 4 і 5 обертатимуться з однаковою швидкістю, але в різні боки. Якщо комбінована мішалка складається з тихохідної і швидкохідної мішалок, ставляться два незалежні приводи. Якірна мішалка приводиться в обертання від електродвигуна через пару конічних коліс, а турбінна - від свого електродвигуна (вали сполучені муфтам). Якщо місця на кришці резервуара або над нею недостатньо, привід розташовують під резервуаром, що, проте, вимагає установки хорошого сальникового ущільнення.



Рис. 6.11. Привід комбінованої мішалки

Приводи пропелерних мішалок найчастіше здійснюються залежно від швидкості обертання:

1. Від електродвигуна, безпосередньо пов'язаного з валом мішалки.

2. Від електродвигуна через шестерну передачу.

3. Від електродвигуна з вбудованим редуктором.

4. Від електродвигуна через клинопасову передачу.

Приклад приводу першого типу для стаціонарних пропелерів показано на рис. 6.12.

Застосовуються також електродвигуни з регульованим числом оборотів, що робить мішалку більш універсальною, в тих випадках, коли в процесі перемішування різко змінюється в'язкість системи. Для вертикальних стаціонарних пропелерів, при звичайних на практиці діаметрах і швидкостях обертання валів, вважають допустимою довжину валу до 1,8 м.



Рис. 6. 12. Привод пропелерної мішалки

Якщо необхідно мати велику довжину, то виконують наступні заходи:

1. Встановлюють стабілізатори у вигляді наварених на лопаті пропелера крилець (рис. 6. 13, а) або у вигляді широкого кільця із спицями, укріпленого на кінці валу (рис. 6. 13, б).

2. Встановлюють кінцеві підшипники, що вмонтовуються на днищі судини, як це показано на рис. 6. 14, а і б.

3. Встановлюють додатковий підшипник в приводі (рис. 6.15, а, або додатковий винесений підшипник (рис. 6. 15, в).

Для зменшення довжини валу вдаються до установки приводу під резервуаром. Коротші вали мають також бічні мішалки, привод яких встановлюється або на вертикальній стінці резервуару, або на днищі у разі горизонтальних резервуарів. Стійки відливають з чавуну або зварюють з вуглецевої сталі. Вони є циліндрами або усіченими конусами, забезпеченими верхнім і нижнім приєднувальними фланцями.

У обичайці стійок є вирізи для зручності монтажу і демонтажу. У приводах кінцеві опори служать для пересувного закріплення нижнього кінця валу перемішуючого органу.

мішалка привод барботування пневматичного

Рис. 6. 13. Пристосування для зниження амплітуди коливань валу мішалки

Рис. 6. 14. Кінцеві підшипники мішалок



Опори складаються (рис. 6. 16) із стійки 1, до якої болтами 7 прикріплений підшипник 2, в ньому закріплена штифтами 5 нерухома втулка 4. На нижньому кінці валу закріплена болтом 6 пересувна втулка 3, яка обертається разом з валом усередині нерухомої втулки 4. Втулки виготовляють з чавуну, графіту, капрону, текстоліту або фторопласту - 4, решта деталей - з вуглецевої сталі для нейтральних середовищ або з корозійностійких матеріалів для агресивних середовищ.

З погляду розподілу навантажень найбільш раціональні приводи з кінцевими підшипниками, проте, у багатьох випадках через корозійну або абразивну дію середовища їх не можна встановлювати.

Рис. 6. 15. Додаткові підшипники в приводах мішалок



Рис. 6.16. Опори кінцеві внутрішні для вертикальних валів перемішуючих пристроїв:

1 - стійка; 2 - підшипник ; 3 - пересувна втулка; 4 - нерухома втулка; 5 - штифти; 6, 7 - болти

Кінцеві підшипники в апараті працюють в дуже важких умовах: їх неможливо змащувати, вони погано доступні для огляду і ремонту. Конструкція підшипни-каповинна забезпечувати вільну циркуляцію рідини через нього. На рис. 6.17, а показано типовий кінцевий підшипник (підп'ят-ник). Підп'ятник, показаний на рис. 6.17, б застосовується для футерованих апаратів. Конічна підстава цього підп'ятника забезпечує йому високу жорсткість і оберігає футерування поблизу підп'ятника від руйнування. Під час роботи мішалки без кінцевого підшипника можлива поява крутильних коливань консольного валу мішалки і динамічних навантажень на вал від перемішуючого середовища як наслідок умов закріплення валу в опорах, конструкції мішалки.



Рис. 6. 17. Кінцеві підшипники:

а) типова конструкція; б) підп'ятник для футерованих апаратів

За неправильного розрахунку в процесі конструювання таких важливих критеріїв надійності, як жорсткість і вібростійкість, експлуатація апаратів з мішалками утруднена. Якщо вал з мішалкою не відбалансований і в його підшипникових опорах є люфт, то можливе відхилення нижнього кінця валу на деяку величину. Коливання валу залежить від величини люфту і відношення довжин між опорами. Якщо люфт усунути повністю, то величину цього відношення можна обмежити. Для надійної роботи консольного валу мішалки рекомендується щоб це відношення не перевищувало 4. Для зменшення крутильних коливань валу після кріплення мішалки він повинен статично балансуватись. Під час небезпеки виникнення крутильних коливань, які ведуть до порушення роботи сальника, або за великих значеннь відношення довжин між опорами необхідна установка кінцевого підшипника.

Крутильні коливання викликають підвищене зношування підшипників і сальника. Кінцевий підшипник усуває крутильні коливання, покращуючи роботу сальника і підшипникових опор. Хоча кінцевий підшипник працює в агресивному середовищі, застосування його для нормальної роботи апарату необхідне при великої довжини або високої частоти обертання валу.



4. КРІПЛЕННЯ МІШАЛОК

У простих конструкціях лопаті приварюють безпосередньо до валу. Проте, елементи кріпляться на валу за допомогою роз'ємних з'єднань. Як правило, мішалка складається з маточини, до якої приварюються лопаті. Маточина кріпиться на валу за допомогою шпонки і стопорних пристроїв, що перешкоджають осьовому зсуву. У разі установки мішалки у середині валу її закріплюють стопорним гвинтом (рис. 6. 18, а), під час установки на кінці валу - кінцевою гайкою (рис. 6. 18, б) або за допомогою двох напівкілець, які закладаються в кільцеву виточку на валу (рис. 6. 18, в).

а) б) в)

Рис. 6.18. Способи кріплення мішалок на валу:

а) стопорним гвинтом; б) кінцевою гайкою; в) півкільцями

Під час конструювання мішалок необхідно враховувати умови їх монтажу. Мішалки невеликих апаратів (діаметром 1,2 м і менше) звично збираються спільно з кришкою і разом з нею встановлюються в апарат. Вони повинні мати мінімум роз'ємних з'єднань. Мішалки для великогабаритних апаратів доцільно робити роз'ємними з частин таких розмірів, які можна пронести через лаз апарату. Це дає можливість розбирати мішалку під час ремонтних і монтажних робіт, не знімаючи кришку і привод. У суцільнозварних апаратах мішалка обов'язкова повинна бути розбірною.

Муфти служать для з'єднання валу приводу з валом мішалки. Застосовують в основному нормалізовані муфти двох типів - подовжньо-роз'ємні і зубчаті. Подовжньо-роз'ємні муфти застосовують для жорсткого з'єднання вихідного валу редуктора (мотор-редуктор) з валом перемішуючого пристрою з проміжним валом за будь-якого числа проміжних опор. Зубчаті муфти застосовують для з'єднання вихідних валів мотор-редуктора і електродвигуна (гідромотора) з проміжним валом за двох проміжних опор. Муфта передає крутний момент, але не сполучає вали жорстко по осі.

5. ДИСПЕРГУВАННЯ

Диспергування - це процеси подрібнювання рідких, твердих і газових речовин у рідині, а також подрібнювання рідких і твердих речовин у газі з метою утворення дисперсних систем. Дисперсійне середовище - це рідина або газ, а дисперсна фаза може бути рідиною (при цьому після диспергування одержують емульсію або туман), твердим матеріалом (після диспергування одержують суспензію або пил) чи газом (одержують піни).

Серед процесів диспергування виділяють три основних: емульгування, гомогенізацію та розпилення рідин.

Емульгування - це процес диспергування з метою одержання емульсій, тобто систем із двох рідин, які не змішуються між собою. Прикладом таких неоднорідних систем є емульсії жирів і води. Жири та олії у воді не розчиняються і з нею не змішуються. Вони можуть утворювати з водою емульсії різних типів. Якщо краплини жиру (дисперсна фаза) розподілені в суцільній масі (дисперсійне середовище), то утворюється емульсія "жир у воді", яка ще має назву емульсії прямого типу. Типовим представником емульсій прямого типу є молоко, в якому дуже подрібнені краплини молочного жиру розподілені в масі води. Якщо подрібнені крапельки води розподілені в суцільній масі жиру, то вони утворюють емульсію "вода в жирі", яка має назву емульсії зворотного типу. За відповідних умов емульсія одного типу може переходити в емульсію іншого типу. Трапляються емульсії змішаного типу, в яких обидві речовини, які входять до емульсії (жир і вода) утворюють суцільну масу. Вони найчастіше утворюються при значній концентрації в воді жиру.

Прикладом емульсій змішаного типу може бути вершкове масло, яке вміщує в середньому 82,5% жирів і до 16% води, а також деякі види маргарину. Слід сказати, що в 1 г вершкового масла знаходиться від 9 до 25 млрд склеєних між собою жирових кульок і від 8 до 16 млрд водяних краплинок.

Емульсії гину "жир у воді" за концентрацією дисперсної фази поділяються на три види:

-розбавлені, в яких вміст жиру становить до 2% і розмір частинок сягає 1(Г7 м. Такі емульсії стійкі і без введення стабілізаторів;

концентровані - з вмістом жиру до 74%;

висококонцентровані з вмістом жиру понад 74%.

На характер емульсії, на деякі її властивості впливають розміри краплинок дисперсної фази. Розміри краплинок характеризують дисперсність емульсії: чим вони менші, тим вища її дисперсність і стійкість. Для одержання і зберігання стійких емульсій необхідно використовувати спеціальні речовини - емульгатори, які, по-перше, знижують поверхневий натяг на межі розділу між жировою краплиною й водою. По-друге, емульгатори створюють на поверхні жирових частинок тонесеньку оболонку, яка надає їм стійкості та перешкоджає розшаруванню емульсій (перешкоджає злиттю крапель емульсії між собою).

У природі й техніці існує велика кількість різних емульгаторів. Найбільш використовувані в харчовій промисловості та ресторанному господарстві емульгатори наведені на рис. 2.20. Ефективність емульгування залежить від температури проведення процесу. Для отримання емульсій на основі рослинної олії найкращі умови створюються за температуру жиру 18-20°С. При використанні інших жирів їхня температура повинна бути на 15-20°С вищою за температуру плавлення.

Емульгатори
Желатин, концентрація 3-5	Козеїн,козеїнат натрію концентрація 1	Яєчний білок концентрація 5-6%	Агар-агар концентрація 1-3%

Для проведення емульгування використовують розмішувальні та циркуляційні апарати (див. розділ 2.2.2), а також колоїдні млини, відцентрові, вихрові та ультразвукові емульсори. Диспергування в колоїдному млині (рис. 2.21) здійснюється за рахунок великого градієнта швидкості в проміжку 2 між ротором З і нерухомим конічним статором 1. При цьому форма роторів у сучасних колоїдних млинах буває різна: конусна, циліндрична, зубчаста та ін.

Величина зазору між ротором і статором регулюється і становить 0,05-0,5 мм. Відомі колоїдні млини, в яких зазор становить 0,025 мм. Частота обертання ротора в колоїдних млинах досягає 250-400 с", а продуктивність - 1,7 л/с. Для виготовлення паст і в'язких емульсій використовуються млини з меншою швидкістю і продуктивністю.

Продуктивність колоїдного млина можна регулювати, змінюючи величину зазору між статором і ротором або швидкість обертання ротора.

Принцип дії відцентрових емульсорів (рис. 2.22) полягає в тому, що суміш води, жиру, емульгатора надходить до швидкообертового пристрою і під дією відцентрової сили відкидається через вузькі щілини або отвори, внаслідок чого відбувається диспергування. У кільцевому відцентровому емульсорі (рис. 2.22, а)

Принцип дії відцентрових емульсорів (рис. 2.22) полягає в тому, що суміш води, жиру, емульгатора надходить до швидкообертового пристрою і під дією відцентрової сили відкидається через вузькі щілини або отвори, внаслідок чого відбувається диспергування. У кільцевому відцентровому емульсорі (рис. 2.22, а) викидання суміші через щілини здійснюється багатократно. Із вхідного патрубка вихідна суміш поступає спочатку на перше кільце 2, яке розташоване на диску З, що обертається. Через отвір у цьому кільці суміш викидається і потрапляє на друге кільце, яке розташоване па диску і т. д. Після викиду емульсії через отвори четвертого кільця, розташованого на диску, вона виходить через патрубок 4 для відведення емульсії. Частота обертання диску в цьому емульсорі дорівнює 10-20 с-1 . У дисковому емульсорі (рис. 2.22, б) диск 1 має частоту обертання до 200 с-1. Сила, що розвивається рідиною, яка емульгується в роторі відцентрового емульсора, може бути визначена за формулою

F=mvІ?/r, (2.26)

де т - маса суміші, кг; у0 - колова швидкість, м/с; г - радіус обертання.

Гомогенізація використовується для подальшого диспергування емульсій (розмір жирових частинок - 8-10 мкм) з метою отримання продукту, розмір дисперсної фази якого не перевищує 1-2 мкм. Гомогенізації піддають молоко, вершки, суміші для морозива. При цьому жир не відстоюється, змінюються лише деякі фізичні властивості продуктів (наприклад збільшується в'язкість) і поліпшується смак продуктів. Гомогенізація таких продуктів, як плавлені сири і вершкове масло, поліпшує їх консистенцію, стійкість під час зберігання.

Процес гомогенізації здійснюють на апаратах, які називаються гомогенізаторами. Найбільше поширення набули клапанні гомогенізатори. Основною частиною гомогенізатора клапанного типу є гомогенізувальна головка, принципова схема якої показана на рис. 2.23. Вона включає патрубок для надходження продукту І,сідло клапана 2, клапан 3 і пружину 4. Пружина 4 регулює висоту клапанної щілини.

Принцип дії клапанних гомогенізаторів зводиться до того, що молоко (або інша емульсія) під великим тиском (8-60 МПа) протискується через вузьку кругову щілину між сідлом і клапаном (висотою 80-100 мкм), де й відбувається подрібнювання жирових кульок. При вході в клапанну щілину швидкість руху емульсії різко зростає. Якщо швидкість потоку перед щілиною становить декілька метрів за одну секунду, то швидкість у клапанній щілині перевищує сотні метрів за одну секунду. у зоні різкої та великої зміни швидкості жирова частина витягується і від неї внаслідок дії сил поверхневого натягу відриваються малі частинки, величина яких залежить від величини тиску гомогенізації. Високий тиск у гомогенізаторі створюється багатоплужерним насосом.

Розпилення рідин - це процес диспергування рідин у газове (повітряне) середовище, який використовується при сушінні рідких і в'язких продуктів, для зволоження повітря в розпилювальних камерах, для підтримання процесу горіння рідкого палива в паливних пристроях тощо.

Процес диспергування рідини в газове середовище полягає в подрібненні струменя або його плівки на велику кількість крапель і розподілі цих крапель у просторі.

Основними показниками, які характеризують якість розпилювання, є тонкість і однорідність розпилювання, а також далекість струменя.

Залежно від способу підведення енергії на диспергування рідин розрізняють такі способи розпилювання: гідравлічний, механічний, пневматичний, електричний, ультразвуковий, пульсаційний.

Гідравлічне розпилювання відбувається завдяки вільному розпилюванню струменя, який витікає з великою швидкістю з отвору форсунки. Основним енергетичним фактором, який призводить до розпаду рідини на краплі, є тиск нагнітання. Форсунки для гідравлічного диспергування за принципом дії поділяються на струминні, зі співударом струменів, відцентрові.

Струминні форсунки являють собою насадку з циліндричним або будь-якої іншої форми отвором (соплом). Витікаючий із нього під дією перепаду тиску струмінь розпадається на краплі різного розміру. На рис. 2.24 в якості прикладу наведено схеми струминних форсунок з циліндричним (рис. 2.24, а) та кільцевим (рис. 2.24, б) соплом.

Форсунки зі співударом струменів працюють за принципом розбивання на краплі декількох струменів, які витікають із відповідних насадок і стикаються між собою. У відцентрових форсунках (рис. 2.24, «) потік рідини перед виходом із сопла набуває обертового руху, що сприяє більш інтенсивному розпаду струменя. Гідравлічне диспергування - простий і економічний за споживанням енергії спосіб диспергування (споживається 2-4 кВт на диспергування 1 т рідини), тому він найбільше поширений у техніці.

При механічному способі розпилення рідина одержує енергію внаслідок тертя об робочий елемент (найчастіше - диск), що швидко обертається (рис. 2.25).

Набуваючи обертального руху, рідина під дією відцентрових сил зривається у вигляді плівок і струменів з робочого елемента і подрібнюється на краплини. Для розпилення грубих суспензій - використовують суцільні диски, для тонких суспензій і однорідних рідин - з рівчаками и лопатями. Частота обертання дисків 100-300 с" .

Диски, на відміну від форсунок, можуть розпилювати не тільки в'язкі рідини, а й кашоподібні та пастоподібні маси. Недоліком механічного способу диспергування є складність у виготовленні та експлуатації робочих елементів та енергоємність (витрата енергії становить близько 15 кВт на диспергування 1 т рідини).

Для здійснення пневматичного розпилювання використовують пневматичні форсунки. На рис. 2.26 наведено схема одного із різновидів пневматичної форсунки. Рідину, що диспергується, подають на тарілку /, куди поступає: також стиснене повітря, яке здуває з тарілки рідину й розпилює її. Внаслідок впливу стисненого повітря відбувається досить рівномірне розпилювання продукту. Розмір подрібнених частинок лежить у межах 100-200 мкм. На відцентрових дисках та механічних форсунках подібне диспергування одержати важко.

Пневматичні форсунки ефективні при розпилюванні високов'язких продуктів у сушильних процесах. Так, вони використовуються при розпилюванні молочно-рослиниих сумішей під час виробництва сухих пюре і різного роду паст.

До недоліків пневматичного способу диспергування належать велика витрата енергії (50-60 кВт на 1 т рідини), необхідність у диспергуючому агенті (звичайно стиснене повітря) і обладнанні для його стиснення та подачі.

Размещено на Allbest.ru