Для приготовления суспензии, эмульсий и однородных физических смесей в химической промышленности широко применяют процессы перемешивания. Перемешивание способствует интенсификации процессов тепло- и массообмена, сопутствующих перемешиванию или необходимых для успешного проведения многих химических реакций [1-3].

Наиболее распространенный способ перемешивания в жидких средах - механическое перемешивание; производят иногда и пневматическое перемешивание, однако в связи с присущими этому способу специфическими недостатками применение его в химической промышленности ограничено.

Механические мешалки разделяются по устройству лопастей на следующие группы: 1) лопастные -- с плоскими лопастями, 2) пропеллерные - с винтовыми лопастями, 3) турбинные, 4) специальные (якорные и др.).

В данной работе рассматриваются основные виды механических мешалок.

1. Лопастные мешалки

Простейшие лопастные мешалки имеют две плоские лопасти, установленные в вертикальной плоскости, т. е. перпендикулярно к направлению вращения (рисунок 1). Лопасти укреплены на вертикальном валу, который приводится во вращение от зубчатой или червячной передачи и делает 12 -- 80 об/мин. Диаметр лопастей составляет примерно 0,7 диаметра сосуда, в котором вращается мешалка. При малых числах оборотов мешалки жидкость совершает круговое движение, т. е. вращается по окружностям, лежащим в горизонтальных плоскостях, в которых движутся лопасти. В этих условиях отсутствует смешивание различных слоев жидкости и интенсивность перемешивания низкая [1].

Интенсивное перемешивание достигается в результате появления вторичных потоков и вихревого движения жидкости. Вторичные потоки возникают под действием центробежных сил, вызывающих движение жидкости в плоскости вращения лопасти от центра сосуда к его стенкам. Вследствие этого в центре сосуда возникает пониженное давление, причем в область пониженного давления всасывается жидкость из слоев, лежащих выше и ниже лопасти. В результате в сосуде происходит циркуляция жидкости, показанная стрелками на рисунке 2 [2]. Вторичные потоки, складываясь 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.

Рисунок 1 - Лопастные мешалки а - стальная; б - чугунная

Рисунок 2 - Циркуляция жидкости при перемешивании лопастными мешалками

При круговом движении жидкости на ее поверхности под действием центробежной силы образуется воронка (рисунок 2), глубина которой возрастает с увеличением числа оборотов. Образование воронки ведет к ухудшению использования емкости сосуда.

Для каждого случая опытным путем можно найти оптимальное число оборотов, при котором достигается необходимая эффективность перемешивания. Дальнейшее увеличение числа оборотов вызывает излишний расход энергии.

Вихревое движение жидкость приобретает при установке в сосуде с мешалкой отражательных перегородок в виде вертикально поставленных полос (рисунок 3). При обтекании жидкостью перегородок за ними образуется зона пониженного давления, в которой возникают вихри. При возрастании числа оборотов вихри отрываются от перегородок и движутся в направлении вращения лопасти. В случае дальнейшего увеличения 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. В то же время при наличии перегородок, препятствующих вращению всей массы жидкости, резко снижается глубина воронки. Обычно достаточно четырех симметрично установленных радиальных перегородок для улучшения перемешивания. Однако с установкой перегородок возрастает расход энергии на перемешивание.

Рисунок 3 - Перемешивание жидкости в сосудах с перегородками

Для лучшего перемешивания всего объема жидкости в сосуде на валу устанавливают несколько пар горизонтальных лопастей, т. е. применяют многолопастные, а также рамные мешалки (рисунок 4), состоящие из нескольких горизонтальных и вертикальных, а иногда и наклонных плоских лопастей. Рамные мешалки отличаются прочностью и пригодны для перемешивания вязких жидкостей [3, 4].

Достоинства лопастных мешалок:

1) простота устройства и дешевизна изготовления;

2) вполне удовлетворительное перемешивание умеренно вязких жидкостей.

Недостатки:

1) малая интенсивность перемешивания вязких жидкостей,

2) непригодность для перемешивания легко расслаивающихся веществ.

Рисунок 4 - Рамная мешалка

Основные области применения лопастных мешалок:

1) перемешивание жидкостей небольшой вязкости;

2) растворение и суспендирование твердых веществ;

3) грубое смешение жидкостей.

Лопастные мешалки простого типа наиболее эффективны при перемешивании маловязких сред (до 100 спз).

Для перемешивания жидкостей с вязкостью свыше 2500 спз более пригодны рамные мешалки или лопастные мешалки в сосудах с отражательными перегородками.

В указанных областях применения лопастные мешалки обеспечивают хорошее перемешивание при небольшом расходе энергии. Лопастные мешалки непригодны для быстрого растворения, тонкого диспергирования, а также для получения суспензий, содержащих твердую фазу большой плотности.

Диаметры лопастей нормализованных лопастных мешалок: 400, 500, 550, 700, 850, 950, 1000 и 1400 мм [1].

Рамные мешалки выпускаются с рамами следующих размеров: 550X550; 650X600; 750X650; 950X850; 1140X900; 1340X950; 1540X1000; 1740X1200 мм (первая цифра - диаметр рамы D., вторая - высота рамы Н).

2. Пропеллерные мешалки

Лопасти пропеллерных мешалок (рисунок 5) изогнуты по профилю судового винта, т. е. с постепенно меняющимся наклоном, почти от 0° у оси до 90° на конце лопасти. Вращаясь в жидкости, лопасти действуют наподобие винта, а жидкость, окружающая пропеллер, как бы является гайкой и перемещается в направлении оси мешалки. Это осевое движение складывается с круговым перемещением жидкости, благодаря чему возникает ее винтовое движение. Если винтовая поверхность пропеллера правая, а вращение его происходит по часовой стрелке, то осевое движение жидкости направлено вверх и в сосуде возникает циркуляция жидкости, показанная на рисунок 5 (справа) [4].

Пропеллер имеет обычно три лопасти, причем на вертикальном валу, в зависимости от высоты слоя жидкости, устанавливают один или несколько пропеллеров. Диаметр лопастих веществ, обладающих малой плотностью; пропеллера равен 0,25--0,3 диаметра аппарата. Скорость вращения пропеллера составляет 160--1000 об/мин.

Рисунок 5 - Пропеллерная мешалка

Рисунок 6 - Пропеллерная мешалка с диффузором

Пропеллерные мешалки создают более интенсивные осевые потоки жидкости, чем лопастные, и, следовательно, более интенсивно перемешивают жидкость. Перемешивание пропеллерными мешалками улучшается при установке в аппарате отражательных перегородок или диффузора - короткого цилиндрического (иногда слегка конического) стакана, в котором помещается пропеллер (рисунок 6). Диффузор направляет циркуляцию жидкости в осевом направлении и благоприятно влияет на перемешивание в аппаратах с большим отношением высоты к диаметру, а также в аппаратах со змеевиками и другими внутренними устройствами [2].

Эффективность перемешивания в аппаратах большой емкости возрастает при эксцентричной установке пропеллеров или расположении вала пропеллерной мешалки под углом 10 - 20° к вертикали.

Достоинства пропеллерных мешалок:

1) интенсивное перемешивание,

2) умеренный расход энергии, даже при значительном числе оборотов,

3) невысокая стоимость.

Недостатки:

1) малая эффективность перемешивания вязких жидкостей,

2) ограниченный объем интенсивно перемешиваемой жидкости.

Пропеллерные мешалки применяются главным образом для следующих, целей:

1) интенсивное перемешивание маловязких жидкостей;

2) приготовление суспензий и эмульсий;

3) взмучивание осадков, содержащих до 10% твердой фазы, состоящей из частиц размером до 0,15 мм.

Пропеллерные мешалки перемешивают жидкость быстрее и интенсивнее лопастных мешалок, при умеренном расходе энергии, превышающем, однако, расход ее для лопастных мешалок.

Пропеллерные мешалки пригодны для проведения непрерывных процессов, но неприменимы для гомогенного смешивания, для смешивания вязких жидкостей (более 6000 спз), а также для смешивания жидкостей с твердыми веществами большой плотности.

Нормализованные пропеллерные мешалки выпускают с диаметром пропеллера 150, 200, 250, 300, 400, 500 и 600 мм [1].

3. Турбинные мешалки

Турбинные - мешалки бывают двух типов: открытые (рисунок 7, а и б) и закрытые (рисунок 7, в), имеющие лопастное в: колесо с каналами (наподобие рабочего колеса центробежного насоса). Турбинные мешалки работают при 100 - 350 об/мин и производят интенсивное перемешивание жидкости.

Рисунок 7 - Турбинные мешалки: а и б - открытые; в - закрытая с направляющим аппаратом

Открытые турбинные мешалки представляют собой, по существу, усовершенствованную конструкцию простых лопастных мешалок. Вращение нескольких лопастей, расположенных под углом к вертикальной плоскости, создает наряду с радиальными потоками осевые потоки жидкости, что способствует интенсивному перемешиванию ее в больших объемах. Интенсивность перемешивания возрастает при установке в сосуде отражательных перегородок.

Закрытые турбинные мешалки обычно устанавливают внутри направляющего аппарата, который представляет собой неподвижное кольцо с лопатками, изогнутыми под углом 45--90° (рисунок 7, в). Закрытые турбинные мешалки создают преимущественно радиальные потоки жидкости при небольшой затрате кинетической энергии. Образующиеся радиальные потоки жидкости обладают достаточно большой скоростью и распространяются по всему сечению аппарата, достигая наиболее удаленных его точек. Жидкость входит в мешалку через центральное отверстие и выходит по касательной к колесу. В колесе жидкость плавно меняет направление от вертикального (по оси) до горизонтального (по радиусу) и выбрасывается из колеса с большой скоростью. При таком направленном и многократно повторяющемся в единицу времени движении жидкости достигается быстрое и эффективное перемешивание ее во всем объеме сосуда (рисунок 8). Для улучшения и ускорения перемешивания (что особенно важно в аппаратах непрерывного действия) применяют турбинные мешалки с лопастями или колесами, расположенными на различной высоте [3].

Достоинства турбинных мешалок:

1) быстрота перемешивания и растворения,

2) эффективное перемешивание вязких жидкостей,

3) пригодность для непрерывных процессов.

Недостатком турбинных мешалок является сравнительная сложность и высокая стоимость изготовления. Области применения турбинных мешалок:

1) интенсивное перемешивание и смешивание жидкостей различной вязкости, которая может изменяться в широких пределах (мешалки открытого типа до 105 спз, мешалки закрытого типа до 5 * 105 спз);

2) тонкое диспергирование и быстрое растворение;

3) взмучивание осадков в жидкостях, содержащих 60% и более твердой фазы (для открытых мешалок -- до 60%); допустимые размеры твердых частиц: до 1,5 мм для открытых мешалок, до 25 мм для закрытых мешалок.

Рисунок 8 - Перемешивание турбинной мешалкой.

Нормализованные турбинные мешалки выпускают с диаметром турбины 300, 400, 500 и 600 мм [5].

4. Специальные мешалки

Для перемешивания вязких жидкостей и пастообразных материалов применяют так называемые якорные мешалки с лопастями, изогнутыми по форме стенок и днища сосуда. Якорные мешалки очищают стенки аппаратов от налипающего на них материала, благодаря чему улучшается теплообмен и предотвращаются местные перегревы перемешиваемых веществ[2, 4].

Барабанная мешалка (рисунок 9) представляет собой лопастной барабан в виде так называемого беличьего колеса. Мешалки этой конструкции создают большую подъемную силу и потому весьма эффективны при проведении реакций между газом и жидкостью, а также при получении эмульсий, обработке быстро расслаивающихся суспензий и взмучивании тяжелых осадков [1, 3].

Рисунок 9 - Барабанная мешалка

Рекомендуемые условия применения барабанных мешалок: отношение диаметра барабана к диаметру сосуда от 1:4 до 1:6, отношение высоты жидкости к диаметру барабана не менее 10.

5. Выбор мешалки

Выбор того или иного типа мешалок определяется целевым назначением перемешивающих устройств и конкретными условиями протекания процесса. Какие-либо четкие рекомендации по этому вопросу пока не могут быть сформулированы. Поэтому при выборе того или иного типа перемешивающих устройств можно использовать ориентировочные характеристики условий целесообразного применения различных типов мешалок, приведенных в таблице 1 [3].

Таблица 1 - Ориентировочные характеристики для выбора мешалки

Тип мешалок	Объем жидкости, перемешиваемой одной мешалкой, м3	Содержание твердой фазы при суспенди ровании, %	Динамическая вязкость перемешиваемой жидкости, кг/(м*с)	Окружная скорость мешалки, м/с	Частота вращения мешалки
Лопастные	До 1,5	До 5	До 0,01	До 1,7-5,0	0,3-1,35
Пропеллерные	До 4,0	До 10	До 0,06	До 4,5-17,0	8,5-20,0
Турбинные:
- Открытые	До 10,0	До 60	До 1,00	До 1,8-13,0	0,7-10,0
- Закрытые	До 20,0	До 60 и больше	До 5,00	До 2,1-8,0	1,7-6,0
Специальные	До 20,0	До 75	До 5,00	До 6,0-30,0	1,7-25,0

Список использованных источников

1 А.Н. Плановский, В.М. Рамм, С.З. Каган. Процессы и аппараты химической технологии. - М., Издательство „Химия" 1967. -

2 Н.И. Гельперин Основные процессы и аппараты химической технологии. В двух книгах.- М.: Химия, 1981 - 812 с.

3 Ф. Стренк Перемешивание и аппараты с мешалками. - «Химия», 1975. -384 с.

4 Ф. Холланд, Ф. Чапман Химические реакторы и смесители для яшдкофазных процессов. М., «Химия», 1974. - 208 с.

5 А.Н. Плановский, П.И. Николаев Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии: Учебник для вузов. - М.: Химия, 1987. - 496 с.