книги из ГПНТБ / Холланд Ф. Химические реакторы и смесители для жидкофазных процессов

ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРОВ

ттесмотря ifa то, что перемешивание широко используется J-J-b химической н смежных отраслях промышленности, этот процесс недостаточно изучен. Поскольку процесс перемешивания обычно является вспомогательным, способствующим проведению других процессов — таких, как диспергирование, экстракция, теплопередача или химическая реакция, до последнего времени основное внимание уделяли результатам этих процессов, ие оце­

нивая роли перемешивания.

В этой книге рассмотрены перемешивание и обработка жидко­ стей, в том числе вязких (вязкостью свыше 100 Н • с/м2) в аппаратах с мешалками. Пасты и твердые сплошные среды исключены из рас­ смотрения, поскольку они не принимают форму сосуда. Не рас­ сматривается также перемешивание жидкости в трубопроводах

исмесительных устройствах без мешалок.

Вглавах I —IV сделана попытка систематизировать и предста­ вить в удобной форме экспериментальные данные п количествен­ ные методы, используемые при проектировании и эксплуатации наиболее распространенных систем с перемешиванием жидкостей.

Вглавах V—IX рассматриваются процессы, осуществляемые

ваппаратах с мешалками. Обработке неныотоновскпх жидкостей посвящена глава X, поскольку, по мнению авторов, обсуждение особенностей перемешивания неныотоновских жидкостей в более

ранних главах затруднило бы изложение основных принципов. В приложениях приведены номограммы для определения крите­ риев Рейнольдса, Прандтля, мощностей, потребляемых мешалками, объемов и поверхностей аппаратов.

Авторы считают, что если бы все эти материалы имелись в их распоряжении в начале их деятельности, они бы сэкономили много времени и усилий. Поэтому они надеются, что книга будет полезна техническим работникам обрабатывающих отраслей про­ мышленности.

Ф. Холланд, Ф. Чапман

весии с соотношением комцонентов в экстракте; ■г- —содержание компонента А в рафинате, мол. доли;

хт —доля начального количества растворенного ■вещества, вышед­ шего с потоком жидкости из смесителя за время /;

,тп—степень превращения в химической реакции, мол. доли;

у—содержание компонента А в экстракте, мол. доли;

а—коэффициент теплоотдачи внутренней пленки обрабатываемой

нлн реакторов, с; т —напряжение.сдвига, Н /м2;

тв —предел текучести, Н /м2; 6Ш— расстояние между шнеком п стенкой аппарата, м;

6П—расстояние между отражательной перегородкой и стенкой, м; 6Я-расстояние между якорной мешалкой и стенкой аппарата, м;

Мокр—окружная скорость мешалки, м/с; £ —эффективность перемешивания;

£отн — относительная эффективность перемешивания; а —поверхностное натяжение, Н/м;

Ф — величина, обратная среднему времени пребывания, с-1; Ф —функция мощности;

Фд — объемная доля дисперсной фазы; Фт— фактор теплоотдачи; т)э —к. и. д. электродвигателя;

1] —к. п. д. пропеллерной мешалки;

13

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПЕРЕМЕШИВАНИИ ЖИДКОСТЕЙ В АППАРАТАХ С МЕШАЛКАМИ

Перемешивание — одна из наиболее распространенных

производственных операций. Перемешивание оказывает значительное влияние на тепло- и массопередачу и в той или иной степени влияет на результаты химических процессов. Однако процесс перемешивания оказался очень сложным для строгого теоретического анализа в сравнении с более разработанными тео­ ретически процессами химической технологии. До сих пор ре­ шение проблем перемешивания основывалось не на достижениях науки, а на инженерном опыте.

Квиллен [1] определяет перемешивание как «контактиро­ вание двух или более разнородных порций вещества, приводящее к достижению желаемого уровня как физической, так и химической однородности конечного продукта». Газы, заключенные в емкость, быстро перемешиваются вследствие молекулярной диффузии. В жидкостях, однако, молекулярная диффузия обычно протекает очень медленно. Чтобы ускорить перемешивание внутри жидко­ стей, используют механическую энергию вращающейся мешалки. Если для достижения желаемого результата выбран неудачный тип мешалки, большая часть механической энергии может быть затрачена напрасно. По определению Паркера [2], перемешива­ ние — «создание состояния активности, такого, как поток или турбулентность, в системах, не находящихся в условиях идеаль­ ного смешения».

При вращении мешалки в ограниченной массе жидкости в ре­ зультате существования градиентов скорости образуются вихре­ вые потоки. При контакте этих высокоскоростных потоков со ста­ ционарной или медленно движущейся жидкостью происходит передача кинетической энергии. Жидкость с низкой скоростью проникает в быстро движущиеся потоки, приводя к вынужденной диффузии и перемешиванию [3]. Поэтому далее перемешивание жидкости рассматривается как вынужденная диффузия в ограни­ ченной массе жидкости.

Траектории потоков жидкости, движущихся в сосуде под действием мешалки, называют линиями тока. Турбинные мешалки

15

спрямыми и изогнутыми лопатками при перемешивании жидко­ стей с низкой или, средней вязкостью в сосудах с отражательными перегородками создают радиальные линии тока (рис. 1-1, а), которые первоначально перпендикулярны стенке сосуда.

Пропеллерная мешалка и турбинная мешалка с наклонными лопатками, установленные по оси сосуда, содержащего жидкость

сневысокой вязкостью, создают осевые линии тока (рис. 1-1, б), которые первоначально параллельны стенкам аппарата.

Если для перемешивания жидкостей с низкой вязкостью в ап­ парате без отражательных перегородок используют турбинную или пропеллерную мешалку, в сосуде образуется центральная вихревая воронка (рис. 1-2). Жидкость вращается в . направле­ нии движения мешалки, воронка углубляется с увеличением скорости вращения до тех пор, пока не достигнет мешалки. Эф­ фективность перемешивания при образовании центральной вихре­ вой воронки обычно снижается.

ПАРАМЕТРЫ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ ПЕРЕМЕШИВАНИЕ В ЖИДКОЙ ФАЗЕ

Степень перемешивания в системе зависит от интенсивности образованных мешалкой вихревых потоков, т. е. от турбулент­ ности, и от сил, стремящихся погасить это движение жидкости. Чем выше отношение движущих сил и сопротивления, тем выше

16

степень перемешивания. Это соотношение можно выразить из­ вестным уравнением скорости:

Движущая сила = Скорость, нлп мера степени перемепшваиия Сопротивление

Мерой степени перемешивания в системах с жидкой фазой обычно считают окружную скорость мешалки соокр (в м/с):

В табл: 1 показано, как следует изменять выбираемую скорость вращения турбинной мешалки в зависимости от размеров аппарата и степени перемешивания.

НЖ = П и Dr /D = 1/3.

**Мера степени перемешивания —окружная скорость мешалки.

Принято, что диаметр турбины составляет 1/3 диаметра аппа­ рата, а высота уровня перемешиваемой жидкости равна диаметру аппарата. Для турбинных мешалок верхний предел перемешива­ ния достигают при окружной скорости 5,6 м/с, что для аппарата объемом 76 м3 соответствует 1,17 об/с. Однако, чтобы достичь той же окружной скорости в аппарате объемом 0,0038 м3, требуется скорость вращения, равная 31,8 об/с.

Мощность, затрачиваемая на перемешивание. Высокая степень перемешивания жидкости достигается в случае, если вся масса жидкости, заключенная в сосуде, находится в условиях турбу­ лентного потока. Количество механической энергии, требующейся для турбулизации всей массы жидкости, зависит от конструкции сосуда и мешалки, а также от физических свойств перемешивае­

оказывать сопротивление потоку или изменению формы благодаря силам взаимодействия молекул. Чем больше вязкость жидкости, тем больше количество энергии, требующейся для достижения желаемого состояния потока. Жидкости с низкой вязкостью ока­ зывают незначительное сопротивление потоку, для их перемеши­ вания требуются относительно малые затраты энергии на единицу объема. Высоковязкие жидкости «гасят» механическую энергию, сообщаемую пм вращающейся мешалкой, вследствие чего для соз­ дания интенсивного потока требуются затраты относительно больших количеств энергии на единицу объема.

Взаимодействие комбинации параметров системы, приводящее к желаемой степени перемешивания, затруднительно описать на основе методов гидродинамики. Возможно, однако, аналити­ чески связать мощность, потребляемую при перемешивании, с различными параметрами системы. Для этого используют метод анализа размерностей, что позволяет, в свою очередь, проанали­ зировать поведение физической системы.

Рассмотрим мешалку, перемешивающую жидкость в аппарате. Предположим, что затрачиваемая на вращение мешалки мощность Р зависит только от следующих переменных: скорости вращения мешалки N, диаметра мешалки DM, плотности р и вязкости р, жидкости п ускорения силы тяжести g. Предположим также, что другие параметры, такие как высота слоя жидкости в аппарате, диаметр аппарата, число, размеры и положение отражательных перегородок строго связаны с диаметром мешалки. Тогда мощ­ ность, потребляемая при перемешивании жидкости, может быть выражена как функция указанных переменных следующим об­ разом:

ч? = (т)“<«‘ (ж)Ч^)а(^Г

Приравняв показатели степени у массы, длины и времени, соответственно получим:

Следовательно

с = 1 — d

6 = 5— 2d — е a = 3 —d —2е

18

Выразив мощность Р через полученные значения степеней, имеем:

Р = CN:i- d- 2eD^~‘ldep1~diLdge

или

(1.4)

Перегруппировав члены, получим:

Безразмерные комплексы Re и Fr представляют собой отно­ шение приложенной силы к силе сопротивления в системе. В ла­ минарном режиме силы, оказывающие сопротивление, опреде­ ляются такими факторами, как вязкость, поверхностное натяже­ ние или гравитация.

Критерий Рейнольдса Re = рND*/р, представляет собой от­ ношение приложенной силы к силам вязкостного трения, крите­ рий Фруда Fr = N 2D J g — отношение приложенной силы к гра­ витационным силам.

Образование центральной вихревой воронки в системах с пе­ ремешиванием в жидкой фазе является следствием действия гра­ витационных сил. Его можно предотвратить, устанавливая в со­ суде отражательные перегородки. Поэтому при описании систем с отражательными перегородками нет необходимости использо­ вать критерий Фруда.

СВЕДЕНИЯ О КОНСТРУКЦИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ СИСТЕМ ДЛЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ В ЖИДКОЙ ФАЗЕ

В химических производствах применяют большое число уст­ ройств для осуществления перемешивания в жидкой фазе. Дело в том, что теория перемешивания в жидкой фазе развивалась медленно, причем из-за отсутствия проектных стандартов на про­ тяжении многих лет число видов перемешивающих систем бес­ полезно увеличивалось. Однако все системы для перемешивания

вжидкой фазе представляют собой сосуд, содержащий жидкость,

смеханическим устройством для создания турбулентности.