Перемішування

Перемішуванням називають процес взаємопроникнення і розподілу частинок однієї речовини в іншій у результаті їх вільного і вимушеного відносного руху. Вільне переміщення мо­же відбуватися внаслідок молекулярної дифузії, різниці густин або температур у різних шарах рідини або під впливом кількох з цих факторів одночасно. Під час молекулярної дифузії речовина переміщується у тому напрямку, де концентрація її менша, і в та­кий спосіб вирівнюватиметься концентрація в усьому об'ємі. Це явище пояснюється тим, що молекули речовин перебувають у постійному русі, наштовхуються одна на одну і змінюють напрям руху. Вони намагаються рухатись туди, де менше зіткнень, тобто в той бік, де менша концентрація речовини. Молекулярна ди­фузія завжди веде до повільного перемішування.

На практиці доцільніше застосувати перемішування за раху­нок перенесення елементарних частинок однієї рідини в іншу у процесі турбулентної дифузії під час вимушеного руху компо­нентів, що перемішуються.

Перемішуванні системи можуть бути або рідинами, або сип­кими речовинами, причому перемішуватись можуть як речовини, що перебувають в однаковому агрегатному стані, наприклад, дві або більше рідин, так і в різному — рідини і тверді тіла і т.д.

Рідини поділяють на стискувані (гази) і нестискувані (крап­линні). При цьому серед власне рідин розрізняють ньютонівські (тобто такі, у яких в ламінарній течії існує пряма пропорційність між коефіцієнтом тертя і градієнтом швидкості) і не ньютонівські (пасти і тістоподібні тіла). Рух газів і ньютонівських краплинних рідин описується однаковими законами, які, проте, не застосову­ють для опису течії неньютонівських рідин. Закони ж руху твер­дих сипких мас відрізняються від обох попередніх.

В різних галузях промисловості перемішування матеріалів за­стосовують з метою: рівномірного розподілу однієї фази в іншій; підтримання дисперсної фази в завислому стані; збільшення й оновлення поверхні контакту між компонентами системи, які ре­агують, для прискорення хімічних і фізико-хімічних процесів; створення організованого потоку рідини вздовж поверхні тепло­передачі для інтенсифікації тепловіддачі; підігрівання рідкої сис­теми у випадку подачі в неї гострої пари; проведення фізико-хімічних процесів, наприклад процесів сатурації, кристалізації; проведення оксидаційних процесів при подачі в систему повітря або кисню і т.і.; одержання суспензій, емульсій, тощо; інтен­сифікації біохімічних, хімічних та інших процесів.

Перемішування здійснюється або в спеціальних апаратах, які називають змішувачами, або безпосередньо в апаратах, де відбу­ваються процеси масо- чи теплообміну, біохімічні, хімічні та ін. Такі апарати мають відповідні пристрої для перемішування — мішалки або перегрібачі. Залежно від способу перемішування і технологічних вимог до проведення процесу відповідно відрізня­ються конструктивно і мішалки.

Мішалки для перемішування газів і рідин під час транспорту­вання їх в трубах. У цьому випадку найпростішим пристроєм є Y-подібне сполучення труб, якими підводять гази або рідини в за­гальний трубопровід. Доцільність застосування перемішування в трубопроводі зумовлена дешевизною і простотою цього способу.

При достатній довжині трубопроводу і швидкості руху компо­нентів забезпечується добре перемішування. Для збільшення місцевої турбулентності в трубопровід вмонтовують вставки (пе­регородки) різного профілю, які мають обтікати газ або рідина.

Частіше для перемішування рідин у трубопроводі застосову­ють інжекторний спосіб. При цьому один компонент подають че­рез сопло по осі трубопроводу, яким тече другий компонент. Ефективність перемішування в таких пристроях можна підвищи­ти, вмонтовуючи прості гвинтові вставки. Інжектор можна вико­ристати також для подачі однієї з рідин в трубопровід.

Перемішування в посудинах здійснюють, застосовуючи відповідні перемішувальні пристрої, встановлювані всередині цих посудин. До найпростіших пристроїв такого типу належать сопла. їх застосовують для перемішування кількох газів, а також для змішування рідин з газом або пилуватих речовин. У соплі є вузьке гирло (вихід), крізь яке газ або рідина надходить у простір, заповнений іншим газом або рідиною. Сопло можна встановити також в широкій трубі, відкритій або з отворами з боку, протилежного напряму потоку газу або рідини. Крізь ці от­вори газ, який надходить у трубу через сопло, підсмоктує з на­вколишнього простору інший газ (найчастіше повітря). Най­простішим прикладом такого пристрою може бути бун-зенівський пальник. Так само, як у випадку змішування газів, можна розбризкувати рідину, яку подають у сопло під тиском (0,1...25) МПа). Для поліпшення розсіювання рідини у просторі, заповненому газом, перед гирлом сопла встановлюють спіральну насадку, яка надає рідині обертального руху.

Розбризкування рідини у повітрі (газі) найчастіше застосовують під час обробки води в сорбційних процесах. У разі потреби більш ефективного перемішування рідкої суміші застосовують простий пристрій для циркуляційного перемішування, який складається з всмоктувальної труби, розташованої біля дна посудини, насоса і нагнітальної труби, яка подає потік до поверхні рідини в апараті, наприклад через розбризкувальну головку над рівнем рідини.

У дискових, конусних і кулькових мішалках робочим органом є відповідно диск, порожнистий конус і куля, які обертаються на осі. У вібраційних мішалках робочий орган — це плоский перфоро­ваний диск, закріплений на валу, що переміщається то вгору, то вниз. Напрям потоку рідини забезпечують профільовані отвори в диску. Енергетично ці мішалки дуже економічні, придатні для пе-

ремішування рідких сумішей і суспензій. Особливо доцільно їх ви­користовувати в апаратах, які працюють під тиском, оскільки вал, що рухається у вертикальному напрямі, ущільнити значно легше, ніж обертовий. Мішалки цього типу можна використову­вати як емульгатори або збивалки. Порівняно з обертовими мішалками, дія яких визначається до деякої міри також тертям рідини об стінки посудини, їх перевага у тому, що вони створю­ють вертикальний знакозмінний рух частинок, при якому немає потреби якось спрямувати рух потоку. До того ж у випадку вібраційного перемішування не утворюється лійкоподібна загли­бина. Час, потрібний для розчинення, гомогенізації або диспергу­вання, при вібраційному перемішуванні істотно скорочується. Поверхня перемішувальної рідини, якщо мішалку встановлено правильно, навіть при значних амплітудах коливання лишається спокійною і рівною; немає ні розбризкування, ні підвищеного ви­паровування з поверхні. З конструктивного боку мішалки обме­жуються довжиною вала, яка не повинна перевищувати 2,5 м.

Рис. 4.9. Перемішувальні пристрої для сипких і пластичних тіл: а — лопатевий змішувач; б — пнековип; в — пнековип з рухомою віссю (перегрібач); г — змішувач ударного типу; д — барабанний

На рис. 4.9. наведено спеціальні типи перемішувальних прист­роїв, які використовують для перемішування сипких і пластич­них тіл. Будова і принципи дії кожного з них зрозумілі з рисунка, а призначення зумовлене конструктивними особливостями. Де­які з них, де робочим органом є шнек, одночасно перемішують матеріал і транспортують його.