Для чего нужно перемешивание
9.2. Перемешивание. Часть 1
Перемешивание реакционной смеси улучшает контакт между фазами, повышает скорость реакции, особенно в тех случаях, когда скорость растворения одной из фаз в жидкой реакционной среде меньше скорости самой реакции. Сильное перемешивание необходимо при быстром нагревании или охлаждении реакционной смеси для устранения местных зон перегрева или переохлаждения. В жидкостных термостатах и криостатах перемешивание способствует выравниванию температур в объеме жидкости.
Механические мешалки разделяют по устройству на палочковые, центробежные, лопастные, якорные, пропеллерные, винтовые и вибрационные.
Центробежные мешалки (рис. 183, б), предложенные Виттом, представляют собой стеклянный полый сосуд грушевидной формы с отверстиями в центральной части. При вращении таких мешалок жидкость засасывается снизу или сверху (показано стрелками) и выбрасывается через отверстия. Такие мешалки прекрасно перемешивают маловязкие жидкости особенно при большом числе оборотов. Они пригодны и для перемешивания тонких суспензий и двух несмешивающихся жидкостей, капли которых интенсивно распыляются в двух жидких фазах.
Рис. 184. Лопастные мешалки (а). Вихри в слое жидкости (6). Углы крепления лопастей к оси (в). Сосуд с выступами (г)
В сосудах с узким горлом используют складывающиеся иди поворачивающиеся лопасти 3 (рис. 184, а), которые при oт-сутствии вращения мешалки опускаются в обойме 2 и легкo проходят через небольшое горло сосуда. Обойма приварена к стержню мешалки 1.
Число оборотов лопастной мешалки колеблется от 12 дo 90 об/мин. При малых оборотах лопастной мешалки жидкость вращается по окружности, в которой движутся лопасти, и поэтому не происходит смешивания различных слоев жидкости При интенсивном перемешивании появляются вихревые потоки движения жидкости в плоскости вращения лопасти от центра сосуда к его стенкам (рис. 184, б). В центре сосуда от такого движения возникает область пониженного давления, в которую всасывается жидкость из слоев, лежащих выше и ниже лопасти. Все это приводит к интенсивному перемешиванию отдельных слоев жидкости, возрастающему с увеличением числа оборотов мешалки. При круговом движении жидкости на ее поверхности под действием центробежной силы образуется воронка, глубина которой возрастает с увеличением числа оборотов мешалки. Образование воронки ведет к частичному использованию емкости сосуда, к необходимости брать более высокий сосуд или уменьшать количество перемешиваемой смеси.
Установка плоской лопасти под некоторым углом к направлению ее движения вызывает появление вертикальных потоков жидкости. Когда угол а больше 90° (рис. 184, в), частицы суспензии, ударяясь о лопасть, отражаются вверх. При угле наклона лопасти,меньшем 90°,поток суспензии будет стремиться вниз. Поэтому при перемешивании тяжелых осадков или более тяжелой жидкости для взмучивания частиц тяжелого осадка со дна сосуда лопасти мешалки устанавливают под углом, большим 90°-Наоборот, когда суспензия концентрируется в верхних слоях жидкости, для лучшего перемешивания устанавливают лопасти с углом наклона,меньшим 90°.
Хорошее перемешивание лопастными мешалками достигается при использовании специальных химических стаканов с приваренными по окружности четырьмя стеклянными палочками (риc. 184, г). При обтекании жидкостью таких выступов за ними возникает зона пониженного давления, в которой появляются вихри жидкости. Вихри распространяются по всему объему, способствуя более равномерному перемешиванию жидкости и препятствуя вращению всей массы жидкости как целого с образованием воронок.
Снабжая мешалку несколькими парами лопастей с наклонами в разные стороны, можно создать перекрестные потоки жидкости и осуществлять весьма интенсивное перемешивание суспензий.
Якорные мешалки (рис. 185, а) отличаются от остальных мешалок тем, что их лопасти повторяют контур дна сосуда, образуя с ним незначительный зазор и напоминают якорь. Якорные мешалки относятся к тихоходным мешалкам; их применяют для перемешивания вязких растворов и предупреждения образования осадков и накипи на дне сосуда.
Для энергичной циркуляции суспензии пропеллерная мешалка должна работать не менее чем при 400 об/мин. При перемешивании вязких жидкостей, а также суспензий и эмульсий, образующих пену, число оборотов уменьшают до 150 об/мин.
Пропеллерные мешалки создают более интенсивные осевые потоки, чем лопастные мешалки, и поэтому более энергично перемешивают суспензии. Такие мешалки применяют главным образом для приготовления суспензий и эмульсий, взмучивания осадков, содержащих до 10% твердой фазы с размером части до 0,15 мм, для интенсивного перемешивания маловязких жидкостей.
Винтовые мешалки (рис. 186, а) позволяют перемещать суспензию вверх по винту, а вниз она спускается по внутренней поверхности сосуда. Такие мешалки применяют в сосудах для определения растворимости (см. рис. 179) и для перемешивания пастообразных веществ.
Рис. 186. Мешалки: винтовая (а), вибрационная (б), электромагнитная (в) и магнитная (г). Регуляторы скорости оборотов (д, е)
Мешалки с магнитным приводом дают возможность перемешивать жидкость в атмосфере инертного газа, в вакууме, в колбе с обратным холодильником.
Процесс ПЕРЕМЕШИВАНИЯ
Смешивание или перемешивание – механический процесс равномерного распределения отдельных компонентов во всем объеме смеси под действием внешних сил. Применяется в пищевой промышленности для приготовления эмульсий, суспензий и получения гомогенных систем (растворов), а также для интенсификации биохимических, тепловых и диффузионных процессов.
Процесс смешивания материалов зависит от конструкции смесителя и заключается в выравнивании концентраций каждого из компонентов смеси по всему объему рабочей камеры с образованием в конечном итоге однородной смеси.
Способы перемешивания.
Различают два основных способа перемешивания в жидких средах: механический (во вращающемся резервуаре смесителя, с помощью мешалок различных конструкций (лопасти, винты, ножи, шнеки и др.)) и пневматический (сжатым воздухом, паром или инертным газом). Кроме того, применяют перемешивание в трубопроводах и перемешивание с помощью сопел и насосов, ультразвуком или гидродинамическим эффектом и др.
Смешивание твердых сыпучих материалов является скорее механическим, чем гидродинамическим процессом.
Для смесителя конфигурацию и форму лопастей выбирают, учитывая состояние перемешиваемой массы, ее объем, толщину слоя, производительность, соотношение смешиваемых компонентов, степень однородности, способ загрузки и выгрузки продукта, требования технологии.
При использовании перемешивания для интенсификации биохимических, тепловых и диффузионных процессов в гетерогенных системах создаются лучшие условия для подвода вещества в зону реакции, к границе раздела фаз или к поверхности теплообмена.
Увеличение степени турбулентности системы, достигаемое при перемешивании, приводит к уменьшению толщины пограничного слоя, увеличению и непрерывному обновлению поверхности взаимодействующих фаз. Это вызывает существенное ускорение процессов тепло- и массообмена.
Критерии эффективности процесса смешивания.
Наиболее важными характеристиками перемешивающих устройств, которые могут быть положены в основу их сравнительной оценки, являются: эффективность перемешивающего устройства и интенсивность его действия.
Интенсивность перемешивания определяется временем достижения заданного технологического результата или числом оборотов мешалки при фиксированной продолжительности процесса (для механических мешалок). Чем выше интенсивность перемешивания, тем меньше времени требуется для достижения заданного эффекта перемешивания. Интенсификация процессов перемешивания приводит к уменьшению размеров проектируемой аппаратуры и увеличению производительности действующей.
В идеальном случае должна быть получена смесь, в которой в любой ее точке к каждой частице одного компонента примыкают частицы других компонентов, причем в количествах, которые определены заданным их соотношением. В действительности такого идеального расположения частиц практически не бывает, т. к. огромное число различных факторов влияет на их перемешивание. Возможно бесконечное разнообразие взаимного расположения частиц, поэтому соотношение компонентов в любых точках смеси будет случайной величиной. Поскольку законы взаимного расположения частиц для систем со многими случайными величинами весьма сложны, на практике статистический материал анализируют по одной случайной величине, т. е. по распределению одного из компонентов.
Для того чтобы оценить качество смешивания одной случайной величиной, смесь условно считают двухкомпонентной. Обычно выделяют один компонент, называемый ключевым, а все остальные объединяют во второй условный. Таким образом, в двухкомпонентной смеси случайной величиной х является содержание ключевого компонента в микрообъеме. К ключевому компоненту предъявляют такие требования: сравнительная простота определения его содержания в пробе; небольшое его количество; физические свойства должны отличаться от свойств остальных компонентов.
Наибольшее распространение в качестве критерия оценки качества смешивания получил коэффициент вариации (неоднородности):
(1)
Смесь считается однородной, если в каждой пробе количество компонента х будет равно 
, то 
. И наоборот, чем больше значение 
, тем менее однородна смесь.
Периодическое смешивание. В смесителях периодического действия смешиванию подвергается смесь, составленная из различных компонентов.
Процесс смешивания складывается из элементарных процессов:
— перемещения группы смежных частиц из одного места смеси в другое внедрением, скольжением слоев (так называемое конвективное смешивание);
— постепенное перераспределение частиц через свежеобразованную границу их раздела (так называемое диффузионное смешивание);
— сосредоточение частиц, имеющих близкую массу и размеры, в соответствующих местах смесителя под действием инерционных, гравитационных сил (сегрегация частиц).
Если первые два процесса способствуют улучшению качества смеси, то последний препятствует этому. В смесителе одновременно протекают все три процесса, но их влияние в разные периоды смешивания неодинаково. Процесс конвективного смешивания в первые моменты идет с большой скоростью, процессу конвективного смешивания соответствует I участок (рис. 1). Между компонентами смеси величина поверхности раздела еще невелика и доля диффузионного смешивания незначительна.
На участке конвективного смешивания скорость процесса почти не зависит от физико-механических свойств смеси, т. к. процесс смешивания идет на уровне макрообъемов.
Главное влияние на скорость процесса смешивания в эти моменты времени оказывает характер движения потоков частиц в смесителе, который зависит от конструкции и параметров смесителя.
После того как компоненты в основном будут распределены по рабочему объему смесителя, процессы конвективного и диффузионного смешивания становятся по их влиянию на общий процесс смешивания сопоставимы. В это время процесс перераспределения частиц идет уже на уровне макрообъемов. Начиная с некоторого момента, процесс диффузионного смешивания становится преобладающим (II участок на рис. 1). Существенное влияние на процесс начинает оказывать сегреграция частиц.
В какой-то момент времени эти процессы могут уравновеситься, после чего дальнейшее перемешивание теряет смысл, и процесс должен быть закончен (III участок на рис. 1).
Продолжительность диффузионного смешивания зависит и от физико-механических свойств смеси, из которых наибольшее значение имеют гранулометрический состав, плотность, форма и характер поверхности частиц, их влажность и сыпучесть. Чем ближе у компонентов указанные свойства, тем эффективнее их смешивание. Большее различие в размерах, плотности способствует сегрегации частиц. Имеет значение также число компонентов. С их увеличением доля каждого уменьшается, а процесс смешивания затрудняется.
Большая продолжительность смешивания необходима для равномерного распределения компонентов, входящих в состав смеси в малых количествах. Естественно, что компоненты с большей дисперсностью, содержащие в единице объема большее количество частиц, распределяются лучше.
В различных отраслях пищевой промышленности возникает необходимость в перемешивании жидких продуктов: для смешивания двух или нескольких жидкостей, сохранения определенного технологического состояния эмульсий и суспензий, растворения или равномерного распределения твердых продуктов в жидкости, интенсификации тепловых процессов или биохимических реакций, получения или поддержания определенной температуры или консистенции жидкостей и т. д.
Смешивание пищевых продуктов осуществляется в смесителях следующих типов: шнековых, лопастных, барабанных, пневматических (сжатым воздухом) и комбинированных.
Смесители классифицируются (рис. 2):
– по назначению: для смешивания, растворения, темперирования и т. д.;
– расположению аппарата: вертикальные, горизонтальные, наклонные, специальные;
– характеру обработки рабочей среды: смешивание одновременно во всем объеме, в части объема и пленочное смешивание;
                         |
Рис. 11.2. Классификация смесителей
– характеру движения жидкости в аппарате: радиальное, осевое, тангенциальное и смешанное;
– принципу действия: механические, пневматические, эжекторные, циркуляционные и специальные.
Для тонкого измельчения и перемешивания мясного сырья используют куттер-мешалку. Кусковые вязкие и вязкопластичные продукты (мука, мясо, мясной фарш, творожно-сырковая масса) перемешивают шнеками, лопастями в барабанных и других смесителях. Жидкие продукты (молоко, сливки, сметана и др.) перемешивают в емкостях лопастными, пропеллерными и турбинными мешалками.
ПЕРЕМЕШИВАНИЕ
способ получения однородных смесей и(или) интенсификации тепло- и массообмена в хим. аппаратуре. В соответствии с агрегатным состоянием B-B или материалов различают П. жидких сред, к-рому посвящена данная статья, и П. твердых сыпучих материалов (см. Смешение). П. производится преим. в емкостных аппаратах с перемешивающими устройствами (обычно мешалками). Процесс заключается в распределении растворенных в-в, взвешенных частиц и теплоты, а также в диспергировании капель и пузырьков в жидкости путем приведения ее в вынужденное движение. При этом возникает циркуляц. течение жидкости по окружности и(или) в меридиональном направлении, сопровождающееся появлением напряжений сдвига. Характер и интенсивность П. зависят от конструкций аппаратов и мешалок.
Способы П. и устройство аппаратов. Наиб. распространено механическое П., осуществляемое с помощью вращающихся мешалок в вертикальных цилиндрич. аппаратах (рис. 1) объемом от 10 дм 3 до 50 м 3 (иногда до 2000 м 3 и
ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТОВ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ
Для видоизменения структуры потоков с созданием гл. обр. меридиональной циркуляции жидкости и исключения образования воронок в стальных аппаратах устанавливают отражат. перегородки, в аппаратах с неметаллич. покрытия-ми-отражатели из сплющенных труб. В произ-вах особо чистых B-B и мед. препаратов внутр. пов-сть аппаратов в ряде случаев полируют. Конструкции наиб. часто применяемых мешалок показаны на рис. 2, области их использования, соотношения осн. размеров и др. данные, необходимые для расчетов, приведены в таблице.
Кроме механического П. вращающимися мешалками применяют и др. способы. Напр., в процессах микробиол. синтеза, когда по технол. условиям жидкость взаимод. с большим кол-вом газа, П. осуществляется самим газом (пневматическое П.) путем его подвода в циркуляционную трубу (газлифтное П.) или распределения по сечению аппарата с помощью барботеров (барботажное П.). Смеси взаимно р-римых жидкостей приготовляют в непрерывно действующих смесителях, выполненных в виде элементов трубопроводов с турбулизирующими вставками. П. производится также посредством струй жидкости, вводимых в аппарат со скоростью 6 12 м/с непрерывно или пульсациями (струйное П.), вибрационных мешалок перфориров. пластин, совершающих возвратно-поступат. движение с частотой 10 100 с 1 (вибрационное П.). Конкурентоспособность этих способов П. по сравнению с механическим пока не подтверждена.
Проектирование, расчет и выбор аппаратов. Интенсивность П., достаточная для проведения технол. процессов, достигается на практике обычно при использовании типовых аппаратов с перемешивающими устройствами, выбираемых по техн. каталогам. Стоимость таких аппаратов и трудоемкость их обслуживания, как правило, в 2-3 раза ниже, а надежность-в 1,5-3 раза выше, чем аппаратов, изготовляемых по спец. разработкам. Если же проектирование необходимо, его целесообразно производить с макс. применением стандартных узлов для обеспечения высокой надежности оборудования.
Механическое П. изучено сравнительно полно: имеются методики и мат. модели, отражающие физ. механизм процесса и позволяющие осуществлять расчеты гидродинамики, теплообмена и массообмена со взвешенными частицами и др. с учетом св-в среды, конструкций мешалок и размеров аппаратов; созданы системы автоматизир. расчета и оптим. выбора оборудования из каталогов. Менее разработаны, однако, проблемы диспергирования капель и пузырьков в жидкости, массообмена в системах жидкость жидкость и газ жидкость, а также выравнивания концентраций перемешиваемых в-в в микроскопич. объемах (микроперемешивание). При оценочных расчетах П. применительно к условиям, приведенным в таблице, можно пользоваться представленными ниже ф-лами.
Мощность мешалок и приводов. Расчет мощности (Вт), потребляемой на П., производится по ф-ле:
ками наблюдается, как правило, меридиональное течение, и воронка не образуется. В аппаратах с мешалками циркуляц. расход жидкости (м 3 /с)
где q коэф.; среднее значение коэф. турбулентной диффузии (м 2 /с) :
П. и теплообмен. Коэф. теплоотдачи [Вт/(м 2 град)] от перемешиваемой среды к стенке аппарата при турбулентном режиме определяется по ф-ле:
где С p теплоемкость среды [Дж/кг
Перемешивание жидкостей
Жидкости можно перемешивать как вручную, так и механическим путем. Перемешивание бывает необходимо при растворении твердых веществ в жидкости, при растворении жидкости в жидкости, при проведении многих работ.
Перемешивание вручную. При смешивании небольших объемов жидкостей перемешивание можно проводить при помощи стеклянной палочки, например в стакане. На рис. 333 показано, как нужно проводить эту операцию.
При перемешивании в колбе ее вращают, придерживая за горло. В закрытом сосуде перемешивают путем встряхивания или многократного перевертывания его. Перемешивать вручную легко только не вязкие жидкости. Чем выше вязкость жидкости, тем труднее ее перемешивать, и обычно в подобных случаях прибегают к механическим способам перемешивания. Однако вязкость жидкости можно уменьшить нагреванием. Горячую жидкость перемешивают, обернув сосуд полотенцем, чтобы не об? жечься.
Если приходится перемешивать вручную в закрытом сосуде жидкости с низкой температурой кипения, обязательно нужно придерживать пробку, так как в сосуде развивается повышенное давление вследствие испарения растворителя и пробка может выскочить.
Рис. 335. Лабораторный электромотор и водяная турбина.
Для этого нужно слегка освободить стеклянную пробку, не вынимая ее совсем, а затем снова притереть ее.
Механическое перемешивание. Механическое перемешивание предпочтительнее ручного. Для вращения мешалок применяют электрические моторы, водяные турблны (рис. 335) и воздушные моторы, приводимые в движение нагретым воздухом (рис. 336).
На рис. 337 показано, как монтируют мешалку с водяной турбиной. Чтобы пустить в работу водяную турбину, ее прочно укрепляют в штативе. Затем один из отростков ее при помощи шланга соединяют с водопроводным краном, а на другой надевают водоотводную трубку, которую опускают в раковину или в водосток. Открывая водопроводный кран, приводят в движение турбинку. Чем сильнее струя воды, тем быстрее вращается ротор турбинки, поэтому число оборотов ее можно регулировать.
Применяются также водяные турбины из стекла (рис. 338).Воздушный мотор работает под действием нагретого на горелке воздуха. Через несколько секунд после того, как горелка зажжена, следует рукой повернуть один из маховиков.
На рис. 339 показана лабораторная мешалка с приводом от электромотора, укрепленного на штативе. При необходимости ось мотора может быть расположена не только по вертикали, но’ и наклонно. Мотор можно передвигать по штативу вверх и вниз, В ось мотора вставляют и закрепляют стеклянные мешалки (лопасти)’, имеющие самую разнообразную форму.
Рис. 336. Мотор, приводимый в движение нагретым воздухом.
Рис. 337. Установка для растворения с водяной турбиной.
Удобную мешалку можно сделать из куска резиновой трубки, надетой на стеклянную палочку, служащую осью мешалки (рис. 340). На резиновой трубке, предварительно надетой на стеклянную палочку, делают четыре надреза по образующей, а затем сближают верхний и нижний концы трубки.
Рис. 338. Стеклянная водяная турбина
Рис. 339. Лабораторная мешалка с электрическим мотором.
Форму стеклянной мешалки выбирают в зависимости от вязкости жидкости, которую применяют, например, при растворении, и от вязкости полученного раствора. Надо учитывать, что вязкие жидкости нельзя перемешивать с большой скоростью, и приходится ограничиваться малым числом оборотов мешалки, иначе стеклянные мешалки ломаются.
На рис. 341 показана механическая мешалка, у которой электромотор вынесен, и мешалка вращается от гибкого вала, как у бормашины. Такую мешалку очень легко приспособить для перемешивания любых жидкостей.
Электромотор применяют также в групповых мешал* ках, например при перемешивании в 3—4 стаканах. В этом случае каждая мешалка имеет свой привод от шкива, связанного с электромотором.
В настоящее время большое применение находят электромагнитные мешалки (рис. 342). Принцип их действия основан на том, что электромагнит, укрепленный на оси
Рис.343. Встряхиватель Сокслета.
С якорем нужно обращаться осторожно и стараться не разбить стеклянную трубочку, в которой он запаян. Если же трубочка разобьется, якорь нужно сначала вытереть насухо и снова запаять в новую стеклянную или кварцевую трубочку подходящего диаметра.
Перемешивание, например при растворении, можно проводить, пользуясь так называемыми встряхивателями. Встряхиватель Сокслета (рис. 343) приводится в движение мотором. Так как пробка, которой закрыта бутыль с перемешиваемой жидкостью, может быть хорошо замазана и прикреплена-к горлу бутыли, то при таком способе перемешивания растворитель не испаряется и в него не попадает влага.
Большим распространением в лабораториях пользуется встряхиватель Вагнера (рис. 344). Он служит для перемешивания содержимого бутылей, колб и других аналогичных сосудов. При работе с ним очень важно надежно прижать выдвижной колпачок к пробке или к горлу сосуда и неподвижно закрепить последний. Если сосуд плохо закреплен, то при вращении встряхивателя он может выпасть. Прибор приводится в движение как вручную, так и от мотора. Если нужно медленное перемешивание или взбалтывание, между мотором и приводным колесом встряхивателя устанавливают передаточные-шкивы.
Рис. 344. Встряхиватель Вагнера.
Кроме горизонтальных встряхивателей, очень удобны, особенно для встряхивания делительных воронок, вертикальные встряхиватели (рис. 345). В этом встряхи-вателе можно закреплять бутыли и делительные воронки различной высоты, так как он имеет две подвижные планки с отверстиями для горлышек. Эти планки могут быть закреплены на желаемой высоте.
Современный универсальный электронный вибратор (рис. 346) имеет приставные детали, например для крепления одной бутыли или для крепления пробирок, делительных воронок разной емкости, пипеток для смешивания крови и др. Прибор снабжен регулятором частоты колебаний и контрольной лампой.
Перемешивание воздухом или газом. Удобным приемом механического перемешивания жидкостей является пропускание через них воздуха или какого-нибудь инертного газа под небольшим давлением. Этот процесс называют барботированием, и его можно проводить, исполь-
Рис. 345. Вертикальный встряхиватель.
Рис. 346. Универсальный электронный вибратор.
зуя любой газопромыватель или любую предохранительную склянку, или даже промывалку, присоединив их к вакуум-насосу, к нагнетательному насосу или используя сжатый газ. Естественно, что барботирование воздухом можно проводить, только когда он не будет оказывать какого-либо химического воздействия на жидкость или растворенные в ней вещества.
При барботировании не нужно пускать очень сильную струю воздуха или инертного газа, так как это всегда вызывает разбрызгивание перемешиваемой жидкости. Кроме того, очень важно, чтобы отверстия, через которые поступает воздух или инертный газ, были бы мелкими и их было бы. много. При выполнении этих условий создается более равномерное и спокойное перемешивание.
Для барботироваиия очень удобны трубки, снабженные пластинкой различной формы, из пористого прессованного стекла (см. гл. 11 «Фильтрование»). Удобны так же пальцевидные насадки (бужи) длиной от 80 до 250 мм и диаметром от 30 до 85 мм. Они обычно сплавлены со стеклянной трубкой, через которую пропускают газ. Пористость пластинок может быть разной, от № 1 до № 4.