Проектирование смесителя непрерывного действия
Введение
Перемешивание
широко применяется в химической
промышленности для приготовления
суспензий, эмульсий и растворов. Посредством
перемешивания достигается
Наиболее распространенным способом перемешивания в жидких средах является механическое перемешивание при помощи мешалок, снабженных лопастями той или иной формы. Помимо механического перемешивания, применяют также перемешивание сжатым воздухом. Иногда жидкости перемешивают многократным перекачиванием их насосом через аппарат, т.е. путем циркуляции в замкнутом контуре. Оба последних способа требуют сравнительно большого расхода энергии, а перемешивание воздухом сопряжено также с возможным окислением или испарением продуктов.
Механические мешалки подразделяются на следующие подгруппы: 1) лопастные – с плоскими лопастями, 2) пропеллерные – с винтовыми лопастями, 3) турбинные, 4) специальные (якорные, барабанные и др.).
Наиболее эффективны турбинные мешалки открытого и закрытого типов.
Целью данной курсовой работы является изучение процесса перемешивания и проектирование турбинной мешалки закрытого типа, а задачей - рассчитать геометрические размеры смесителя.
- Литературный обзор
Общие сведения
Перемешивание
в промышленных условиях – это
процесс перераспределения
Основные цели перемешивания:
- получение однородных смесей сухих и увлажнённых порошков;
- получение жидких неоднородных систем (суспензий, эмульсий, пен и т.д.);
- дополнительное диспергирование (дробление);
- выравнивание температурных градиентов;
- гомогенизация систем (греч. – однородный, придание однородности состава и свойств);
- создание условий, ускоряющих химические превращения.
Способ перемешивания и аппаратура для его проведения определяются агрегатным состоянием смешиваемых фаз и целью перемешивания. Для выбора и конструирования смесительных устройств и с целью получения оптимального режима смешения необходимо знание основных свойств материалов и их влияние на процесс смешения (насыпная плотность, гранулометрический состав, сыпучесть материала, угол внутреннего трения и т.д.).
Различают два основных способа перемешивания:
- механический (с помощью мешалок);
- пневматический (с помощью сжатого воздуха – барботаж).
Основными характеристиками любого процесса перемешивания являются расход энергии и эффективность перемешивания.
Под интенсивностью перемешивающего аппарата понимают время, затраченное для достижения заданного результата или скорость вращения мешалки.
Под эффективностью перемешивающего аппарата понимают затрату энергии для достижения необходимого результата, которая характеризует качество проведения процесса.
В
различных процессах
- Классификация смесителей
Смешивание сухих сыпучих материалов и порошкообразных веществ, а также густых и вязких масс и пастообразных материалов производится в смесителях разнообразных конструкций.
Смесители могут быть разделены на следующие группы:
- смесители с вращающимся корпусом (барабанные);
- смесители с вращающимися лопастями различной формы (одновальные и двухвальные шнековые смесители);
- циркуляционные смесители интенсивного действия.
Механические мешалки для перемешивания в жидких средах разделяются по устройству лопастей на следующие группы:
- лопастные (с плоскими лопастями);
- пропеллерные (с винтовыми лопастями);
- турбинные (открытые о закрытые);
- специальные (якорные, барабанные и др.).
- Смесители с вращающимся корпусом
К смесителям с вращающимся корпусом относятся барабанные смесители, применяемые для периодического и непрерывного смешивания сухих порошкообразных веществ.
1 - барабан; 2 - бандажи; 3 - спиральные перегородки; 4 - продольные полки; 5 - ролики; 6 - шнек.
Рисунок 1- Барабанный смеситель
Барабанный смеситель (рисунок 1) представляет собой барабан 1 с двумя бандажами 2, который вращается на роликах 5, делая 6-8 об/мин.
Для лучшего смешивания материала на внутренних стенках барабана укреплены косые спиральные перегородки 3, а внутри него – несколько продольных полок 4 с перегородками. Загрузка и выгрузка материала производятся при помощи шнека 6, который при загрузке вращается в одном направлении, а при выгрузке – в противоположном. Направление вращения шнека изменяется посредством ручного приспособления.
Смесители
барабанного типа являются тихоходными,
циркуляция смешиваемого материала
в них малоинтенсивна и продолжительность
смешивания значительна. Поэтому барабанные
смесители вытесняются
- Смесители с вращающимися лопастями различной формы
Для непрерывного смешивания сыпучих, пластических и липких материалов применяют одновальные и двухвальные шнековые смесители.
Двухвальный шнековый смеситель (рисунок 2) состоит из горизонтального корыта 1, в котором с неодинаковой скоростью вращаются два параллельных вала 2 с лопатками. На валах укреплены поочередно прямые перемешивающие лопатки 3 и транспортирующие лопатки 4, изогнутые по
1 - корыто; 2 - вал; 3 - перемешивающие лопатки; 4 - транспортирующие лопатки; 5, 6 - воронки; 7 - лопастное колесо.
Рисунок 2 – Двухвальный шнековый смеситель
винтовой линии. Материал поступает через воронку 5 и движется, перемешиваясь, вдоль переднего вала 2, а затем передается лопастным колесом 7 на задний вал и движется вдоль него в обратном направлении. Готовая смесь выгружается через воронку 6. при закрытии этой воронки смеситель может работать как аппарат периодического действия.
Смесители с вращающимися лопастями и неподвижным корпусом также тихоходны. Вследствие небольшой скорости вращения лопастей (n = 10-50 об/мин) и одновременного воздействия лопастей лишь на небольшую долю объема обрабатываемого материала смесители этого типа также не являются высокоэффективными аппаратами и смешивание в них довольно длительно.
- Циркуляционные смесители интенсивного действия
В последнее время разработаны конструкции быстроходных смесительных аппаратов, в которых использован принцип интенсивной циркуляции смешиваемых материалов в распыленном состоянии.
Для получения смесей порошкообразных веществ, главным образом в производстве пластических масс, применяют смесители, в которых обрабатываемые материалы подвергают аэрации, чтобы смесь по своей подвижности приближалась к жидкости.
1-корпус; 2-ротор; 3-масляная рубашка; 4-статор; 5-электродвигатель; 6-лопасти ротора.
Рисунок 3 – Циркуляционный смеситель
В корпусе 1 циркуляционного смесителя такого типа (рисунок 3) быстро вращается ротор 2 в виде кольцевого диска с четырьмя лопастями 6 (две верхние и две нижние). Две верхние лопасти при вращении ротора засасывают воздух из воздушной подушки, создаваемой над перемешиваемым материалом. При проникании некоторого количества воздуха в массу сыпучего материала начинается циркуляция этого материала в аппарате. Ротор вращается внутри кольцевого неподвижного диска 4 с пальцами (статор). При прохождении частиц сыпучего материала между ротором и статором в материале создаются значительные срезающие напряжения, способствующие эффективному смешиванию компонентов сыпучей смеси. Окружная скорость ротора не превышает 40-60 м/сек, поэтому смешивание не сопровождается измельчением материала, которое происходит в дезинтеграторах.
Смесь
удаляется двумя нижними
Смешиваемый в таком аппарате материал нагревается в следствии теплоты трения, выделяющейся при вращении ротора. Если требуется дополнительный подогрев смешиваемого материала, он может быть нагрет через стенку корпуса смесителя, снабженного масляной рубашкой 3 с электрообогревом.
На
рисунке 4 показан смеситель
1-корпус; 2-конус; 3-свободно вращающиеся лопасти; 4-ножи; 5-окна; 6-скребок; 7-тормоз.
Рисунок
4 – Смеситель центробежного
Смеситель состоит из корпуса 1, внутри которого вращается на вертикальной оси открытый полый конус 2, обращенный большим основанием кверху. Смешиваемый материал перемешивается по внутренней поверхности конуса снизу вверх под действием центробежных сил инерции, выбрасывается из конуса и образует взвешенный слой, внутри которого происходит интенсивное смешивание компонентов. Частицы смеси опускаются на днище корпуса и через окна 5 вновь поступают в конус 2. Таким образом в аппарате создается интенсивная циркуляция сыпучего материала, способствующая его быстрому и тщательному смешиванию.
При перемешивании внутри конуса материал встречает на своем пути ножи, укрепленные на свободновращающейся раме с лопастями 3. Лопастям сообщается часть кинетической энергии движущегося материала, благодаря чему они начинают вращаться со скоростью, значительно меньшей скорости вращения конуса 2. Лопасти 3 смешивают материал в кольцевом пространстве между конусом и корпусом смесителя и направляют часть его в окна 5. Скорость вращения лопастей регулируют тормозом 7. Чтобы устранить слеживание материала возле днища корпуса, вместе с конусом 2 вращается наклонный скребок 6. Смесь выгружается через люк, имеющийся в днище корпуса смесителя.
В циркуляционных смесителях достигается более высокая однородность смеси, а продолжительность смешивания сокращается в несколько раз по сравнению с длительностью смешивания в смесителях других типов.
- Лопастные мешалки
Простейшие лопастные мешалки имеют две плоские лопасти, установленные в вертикальной плоскости, т.е. перпендикулярно к направлению вращения (рисунок 5). 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.
а – стальная; б – чугунная.
Рисунок 5 – Лопастные мешалки
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.
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 6. Интенсивность перемешивания возрастает с увеличением числа оборотов; однако еще быстрее увеличивается мощность, потребляемая мешалкой.
Рисунок 6 – Циркуляция жидкости при перемешивании лопастными мешалками
При
круговом движении жидкости на ее поверхности
под действием центробежной силы
образуется воронка (рисунок 6), глубина
которой возрастает с увеличением
числа оборотов. Образование воронки
ведет к ухудшению
Рисунок 7 – Рамная мешалка
Для лучшего перемешивания всего объема жидкости в сосуде на валу устанавливают несколько пар горизонтальных лопастей, т.е. применяют многолопастные, а также рамные мешалки, состоящие из нескольких горизонтальных и вертикальных, а иногда и наклонных плоских лопастей. Рамные мешалки отличаются прочностью и пригодны для перемешивания вязких жидкостей.
Достоинства лопастных мешалок:
- простота устройства и дешевизна изготовления;
- вполне удовлетворительное перемешивание умеренно вязких жидкостей.
К недостаткам лопастных мешалок относят:
- малая интенсивность перемешивания вязких жидкостей;
- непригодность для перемешивания легко расслаивающихся веществ.
Основные области применения лопастных мешалок:
- перемешивание жидкостей небольшой вязкости;
- растворение и суспендирование твердых веществ, обладающих малой плотностью;
- грубое смешение жидкостей.
Лопастные мешалки простого типа наиболее эффективны при перемешивании маловязких сред (до 100 спз).
Для перемешивания жидкости 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
- Лопастные мешалки
Лопасти пропеллерных мешалок (рисунок 8) изогнуты по профилю судового винта, т.е. с постепенно меняющимся наклоном, почти от 00 у оси до 900 на конце лопасти. Вращаясь в жидкости, лопасти действуют наподобие винта, а жидкости, 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 правое, а вращение его происходит по часовой стрелке, то осевое движение жидкости направлено вверх и в сосуде возникает циркуляция жидкости, показанная на рисунке 8 (справа).
Пропеллер имеет обычно три лопасти, причем на вертикальном валу, в зависимости от высоты слоя жидкости, устанавливают один или несколько пропеллеров. Диаметр лопасти пропеллера равен 0,25 – 0,3 диаметра аппарата. Скорость вращения пропеллера составляет 160-1000 об/мин.
Рисунок 8 – Пропеллерная мешанка
Пропеллерные
мешалки создают более
Рисунок 9 – Пропеллерная мешалка с диффузором
Эффективность
перемешивания в аппаратах
Достоинства пропеллерных мешалок:
- интенсивное перемешивание;
- умеренный расход энергии, даже при значительном числе оборотов;
- невысокая стоимость.
К недостаткам пропеллерных мешалок относят:
- малая эффективность перемешивания вязких жидкостей;
- ограниченный объем интенсивно перемешиваемой жидкости.
Пропеллерные
мешалки применяют главным
- интенсивное перемешивание маловязких жидкостей;
- приготовление суспензий и эмульсий;
- взмучивание осадков, содержащих до 10% твердой фазы, состоящей из частиц размером до 0,15 мм.
Пропеллерные
мешалки перемешивают жидкость быстрее
и интенсивнее лопастных
Пропеллерные мешалки пригодны для проведения непрерывных процессов, но неприменимы для гомогенного смешивания, для смешивания вязких жидкостей (μ более 6000 спз), а также для смешивания жидкостей с твердыми веществами большой плотности.
- Специальные мешалки
Для перемешивания вязких жидкостей и пастообразных материалов применяют так называемые якорные мешалки с лопастями, изогнутыми по форме стенок и днища сосуда (рисунок 10). Якорные мешалки очищают стенки аппаратов от налипающего на них материала, благодаря чему улучшается теплообмен и предотвращаются местные перегревы перемешиваемых веществ.
Рисунок 10 – Барабанная мешалка
Барабанная мешалка (рисунок 11) 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.
Рисунок 11 – 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.
- Перемешивание сжатым воздухом
Перемешивание маловязких жидкостей иногда производят сжатым воздухом. Таким способом возможно лишь медленное перемешивание при сравнительно большом расходе энергии; кроме того, как указывалось, перемешивание воздухом может сопровождаться нежелательным окислением или испарением продуктов.
Обычно перемешивание сжатым воздухом проводят в аппаратах, снабженных барбатером – трубой с отверстиями для выхода воздуха, или в аппаратах, работающих по принципу воздушных подъемников (эрлифтов). В последнем случае жидкость, смешанная с пузырьками воздуха, поднимается по центральной трубе, расположенной по оси аппарата, и опускается в кольцевом пространстве между трубой и стенками аппарата. Таким образом жидкость циркулирует в аппарате и перемешивается в нем.
При введении воздуха в нижнюю часть аппарата в последнем создается эрлифт, обеспечивающий интенсивное перемешивание жидкости (рисунок 12,а). Чем выше по высоте аппарата вводится воздух, тем меньше затраты на его сжатие. Поэтому, очевидно, воздух выгоднее вводить на небольшой глубине, т.е. использовать для перемешивания широкие, но низкие аппараты.
а – с центральным барбатером; б – с газлифтной (эрлифтной) трубой; в - кожухотрубчатый аппарат с газлифтными трубами и циркуляционной трубой; 1 – газлифтные трубы; 2 – циркуляционная труба; 3 – трубные решетки; Ж – жидкость; Г – газ; Т – теплоноситель.
Рисунок 12 – Принципиальные схемы перемешивания с помощью сжатого газа
Для интенсификации воздушного перемешивания в аппаратах устанавливают циркуляторы - газлифтные (эрлифтные) трубы, создающие многократную циркуляцию жидкости в аппарате (рисунок 12, б). Газлифтную трубу, открытую с обоих концов, устанавливают в центре аппарата. Воздух подают внутрь циркулятора, причем чем больше создаваемый восходящий поток, тем лучше перемешивание.
Для отвода или подвода теплоты разработаны кожухотрубчатые газлифтные аппараты (рисунок 12, в).
- Турбинные мешалки
Турбинные мешалки бывают двух типов: открытые и закрытые (рисунок 13, а и б), имеющие лопастное колесо с каналами (наподобие рабочего колеса центробежного насоса). Турбинные мешалки работают при 100 – 350 об/мин и производят интенсивное перемешивание жидкости.
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.
а и б – открытые; в – закрытая с направляющим аппаратом.
Рисунок 13 – Турбинные мешалки
Закрытые турбинные мешалки обычно устанавливают внутри направляющего аппарата, который представляет собой неподвижное кольцо с лопатками, изогнутыми под углом 45 – 90о (рисунок 13, 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, достигается 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 14).
Для улучшения и ускорения перемешивания (что особенно важно в аппаратах непрерывного действия) применяют турбинные мешалки с лопастями или колесами, расположенными на различной высоте.
Рекомендуемые условия применения турбинных мешалок: отношение диаметра аппарата к диаметру мешалки DA/dM ≥ 1,5.
Рисунок 14 – Перемешивание турбинной мешалкой
Достоинства турбинных мешалок:
- быстрота перемешивания и растворения;
- эффективность перемешивания вязких жидкостей;
- пригодность для непрерывных процессов.
Недостатком турбинных мешалок является сравнительная сложность и высокая сложность изготовления.
Области применения турбинных мешалок:
- 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 );
- тонкое диспергирование и быстрое растворение;
- 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.
- Применение механических мешалок в технологии
строительных материалов
1.11.1 Основные сведения о процессах приготовления и
транспортирования бетонных и растворных смесей
Приготовление бетонной или растворной смеси заключается в том, чтобы путем перемешивания из различных компонентов получить однородную смесь с равномерным распределением отдельных зерен в общем объеме с обволакиванием их вяжущим веществом. Получение смесей требуемого качества обеспечивается многими факторами, зависящими от состава и качества исходных составляющих, точности их дозирования, способа перемешивания и режимов работы смесителей. Смешение компонентов осуществляется в бетоно- и растворосмесителях. По способу перемешивания смесители подразделяются на гравитационные, в которых компоненты перемешиваются во вращающемся барабане в результате их подъема на некоторую высоту и последующего свободного падения и принудительного перемешивания с помощью движущихся лопастей в неподвижном барабане. Продолжительность смешивания зависит как от состава и свойств смеси, так и от типа смесителя и устанавливается опытным путем для конкретных условий. Жесткие бетонные смеси и строительные растворы приготавливают в смесителях принудительного действия. Смесительные машины должны обеспечивать качественное смешение за минимально короткое время, не допуская расслоения компонентов смеси.
Для транспортирования приготовленных смесей на объекты используют автосамосвалы и специальные машины: автобетоновозы, авторастворовозы и автобетоносмесители. Выбор вида транспортных средств определяется конкретными условиями, с тем чтобы обязательно обеспечивалась сохранность качества смеси в пути следования. Во избежание расслаивания нельзя перевозить смеси без их побуждения в пути на расстоянии свыше 10 км по хорошей дороге и 3 км — по плохой.
1.12 Машины для приготовления бетонных и растворных смесей
1.12.1 Гравитационные бетоносмесители
Смешение компонентов в
