Перемешивание
Перемешивание является очень распространенным процессом в химической и смежных с ней отраслях промышленности, а также в повседневной жизни. Оно может осуществляться в трубопроводе, через который протекает жидкость, в перекачивающем насосе, на тарелке ректификационной колонны и т. д., а также в аппаратах с мешалками, предназначенных специально для этой цели. Перемешивание может протекать самопроизвольно, например за счет диффузии компонентов системы, или же принудительным путем вследствие подвода к системе извне механической энергии, например с помощью мешалок.
Термин «перемешивание» означает соединение объемов различных веществ с целью получения однородной смеси, например растворов, эмульсий, суспензий и т. п.
В книге рассматривается процесс перемешивания с применением механических мешалок (так называемое механическое перемешивание).
Механическое перемешивание производится с целью:
а) создания однородных растворов, эмульсий и суспензий;
б) интенсификации процессов теплообмена;
в) интенсификации процессов массообмена (чисто физического или в сочетании с химической реакцией).
Особенно многочисленна третья группа процессов, поскольку они могут протекать в различных неоднородных системах, таких как жидкость — жидкость, жидкость — газ или жидкость — твердое тело. В этих случаях интенсивность процесса может быть продиктована условиями создания двухфазной системы — эмульсии или суспензии.
Механическое перемешивание производится в аппаратах, носящих общее название аппаратов с мешалками. В частных случаях эти аппараты могут называться реактором, автоклавом или, более специально, нитратором, сульфопатором и т. п.
Степень перемешивания
Под степенью перемешивания в общем случае следует понимать взаимное распределение двух или большего количества веществ после совершенного перемешивания всей системы. Степень перемешивания является, таким образом, своего рода показателем эффективности перемешивания, а также может быть использована для оценки интенсивности перемешивания.
Для расчета степени перемешивания на основе анализа взятых проб применяются различные формулы. Чаще всего используются формулы Хиксона и Тенни.
Кроме того, существует много статистических методов для оценки степени перемешивания данной смеси на основе анализа взятых проб. Эта проблема рассмотрена более подробно в поздних главах.
Для случая взаимно растворяющихся жидкостей оригинальное определение степени перемешивания предложили Хоблер и Стренк.
Авторы определили конкретную форму этой функции для турбинных мешалок на основе экспериментальных исследований перемешивания двух объемов одной и той же жидкости с различными начальными температурами.
Интенсивность перемешивания
Понятие интенсивности перемешивания, употребляемое довольно часто, не имеет еще точного определения. Обычно интенсивность перемешивания определяется с помощью следующих величин:
• число оборотов мешалки n;
• окружная скорость конца лопастей мешалки u;
• критерий Рейнольдса для процессов Re=nd²y/h (где d – диаметр мешалки; y – плотность; h – динамический коэффициент вязкости);
• расходуемая на перемешивание мощность N, приведенная к единице объема V перемешиваемой жидкости (N/V) или к единице массы перемешиваемой жидкости (N/Vy).
Каждая из перечисленных выше величин является соответствующей мерой интенсивности перемешивания для конкретного аппарата с мешалкой, работающего на конкретной системе (данной жидкости). Известно, например, что при n2 > n1 интенсивность перемешивания при n2 будет выше, чем при n1. Аналогичный вывод можно сделать, если u2 > u1, Re2 > Re1 и т. д. Дело усложняется при сравнении интенсивности перемешивания в двух различных аппаратах. В таких случаях ни одна из перечисленных выше величин не является достаточно надежным критерием для сравнения интенсивности перемешивания. Наименее точные данные будут в этом случае получены по числу оборотов n. Если n2 > n1, то это отнюдь не означает, что интенсивность перемешивания в аппарате 2 будет выше, чем в аппарате 1, так как d1 может быть настолько больше d2, что мешалка 1 будет работать более интенсивно.
Лучше для такого сравнения использовать величины u и Re, но и они не представляют универсальной меры интенсивности, поскольку может оказаться, что u2 > u1 и Re2 > Re1, а интенсивность мешалки в аппарате 1 будет больше (если примем, например, турбинную мешалку в аппарате 1 и гладкий диск в аппарате 2).
Относительно более точно об интенсивности перемешивания позволяют судить значения N/V и N/Vy, но и они не являются универсальным критерием интенсивности перемешивания. Осложняющим здесь является тот факт, что энергия в объеме рассеивается неравномерно, а эта неравномерность для разных аппаратов с мешалками различна.
Нахождение универсального критерия интенсивности перемешивания является одной из наиболее трудных проблем техники перемешивания, которая не решена до сегодняшнего дня, несмотря на многие исследования, которые ведутся в этом направлении. Отсутствие такого критерия не дает возможности описать универсальными уравнениями такие процессы, как теплоотдача, массоотдача и т. д. Приходится удовлетворяться уравнениями для отдельных аппаратов.
По-видимому, критерий интенсивности перемешивания должен быть определен как скорость изменений степени перемешивания во времени. Выявление конкретной формы такой функции для различных аппаратов с мешалками требует проведения дальнейших исследований.
Эффективность перемешивания
Эффективность перемешивания определяется количеством энергии, затрачиваемой на перемешивание для достижения требуемого технологического эффекта. Таким образом, из двух аппаратов с мешалками более эффективно работает тот, в котором достигается определенный технологический эффект при более низкой затрате энергии. Эффективность перемешивания является также основой для оценки работы одного и того же аппарата (для выбора оптимального режима работы аппарата и оптимальных его размеров). Однако для того чтобы рассчитать эффективность перемешивания, необходимо знать уравнения, определяющие мощность, расходуемую на перемешивание, теплоотдачу, массоотдачу и т. д., не только для типовых систем, но и при переменных геометрических параметрах системы. Эта проблема в последние годы приобретает все большее значение.
Стренк Ф.
Перемешивание и аппараты с мешалками
(Глава I. Общие сведения о перемешивании / Основные определения)
Польша, 1971. Пер. с польск. под ред. Щупляка И.А.Л., «Химия» 1975