Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние теории и практики перемешивания жидких сред 11
1.1. Теория перемешивания жидких сред в аппаратах с мешалками 11
1.1.1. Методы расчёта полей скоростей жидкой среды в аппаратах с мешалкой 12
1.1.2. Экспериментальные методы исследования скоростей потоков в аппаратах с мешалками 17
1.1.3. Циркуляция жидкости в аппаратах с мешалкой 24
1.2. Аппараты, используемые для перемешивания жидких сред 31
1.3. Постановка задач исследования 40
Глава 2. Разработка методики расчёта мешалки с трубками переменного сечения 42
2.1. Конструкция перемешивающего устройства 42
2.2. Движения жидкости в аппарате с мешалкой 43
2.3. Распределение скоростей в аппарате с мешалкой 49
2.4. Методика определения высоты воронки в аппарате с мешалкой 51
2.5. Определение мощности затрачиваемой на перемешивание 54
2.6. Определение мощности потребляемой мешалкой в критериальном виде 58
2.7. Методика расчёта перемешивающего устройства 60
2.8. Выводы по главе 63
Глава 3. Экспериментальное исследование мешалки с трубками переменного сечения 64
3.1. Описание лабораторной установки для перемешивания жидкостей 64
3.2. Система измерений и применяемая аппаратура 65
3.3. Определение фактической мощности перемешивания 66
3.4. Методика проведения эксперимента на установке для перемешивания жидкостей 68
3.5. Экспериментальные исследования интенсивности перемешивания различных устройств 69
3.6. Влияние перегородок на эффективность перемешивания 75
3.7. Исследование влияния геометрических параметров конфузоров на интенсивность перемешивания 80
3.7.1. Влияние диаметра входного и выходного отверстия на высоту воронки и потребляемую мощность мешалки 80
3.7.2. Влияние конфигурации конфузоров на интенсивность перемешивания 82
3.8. Влияние диаметра сосуда на эффективность перемешивания 85
3.9. Влияние кавитаторов на эффективность перемешивания 87
3.10. Влияние типа мешалки и времени перемешивания на физические свойства жидкости 90
3.11. Проверка адекватности предложенных расчётных методик с экспериментами 94
3.11.1. Проверка адекватности методики для определения потребляемой мощности мешалки с трубками переменного сечения 94
3.11.2. Проверка адекватности методики для определения высоты воронки в сосуде без перегородок 96
3.12. Исследование распределения окружной составляющей скорости в аппарате с мешалкой 98
3.13. Выводы по третьей главе 100
Глава 4. Исследования двухфазных систем 102
4.1. Особенности перемешивания неоднородных систем 102
4.2. Экспериментальные исследования по смешиванию взаимно не растворимых жидкостей 104
4.2.1. Влияние времени перемешивания на расслаивание эмульсии 105
4.2.2. Влияние частоты вращения мешалки на время расслаивания эмульсии 108
4.2.3. Влияние концентрации масла в эмульсии на её время расслаивания 111
4.2.4. Влияние соотношений D/d и H/h на качество эмульсии 114
4.3. Экспериментальные исследования по смешиванию системы жидкость - твёрдое тело 116
4.3.1. Влияние времени перемешивания на качество суспензии 117
4.3.2. Влияние частоты вращения мешалок на эффективность перемешивания системы жидкость - твёрдое тело 119
4.3.3. Влияние концентрации извести на эффективность перемешивания системы жидкость - твёрдое тело 120
4.3.4. Интенсификация процесса диспергирования при перемешивании 122
4.3.5. Влияние соотношений D/d и H/h на качество суспензии 124
4.4. Выводы по четвёртой главе 126
Заключение 128
Библиографический список 129
Приложения 137
Приложение 137
- Аппараты, используемые для перемешивания жидких сред
- Методика определения высоты воронки в аппарате с мешалкой
- Методика проведения эксперимента на установке для перемешивания жидкостей
- Экспериментальные исследования по смешиванию взаимно не растворимых жидкостей
Введение к работе
V/
Актуальность работы. Интенсификация химических процессов на стадии перемешивания одна из наиболее масштабных, энергоёмких и дорогостоящих операций. Перемешивающие устройства широко применяются при производстве строительных материалов и растворов. Важным направлением, позволяющим существенно снизить энергозатраты на перемешивание, является разработка принципиально новых конструкций машин и методов их инженерного расчёта.
Важнейшей операцией в производстве эмульсий и суспензий, обеспе-
'*) чивающей их качество - является перемешивание.
При механическом перемешивании осуществляются такие важные про-, цессы как тепло - и массообмен, интенсификация химических реакций, получение высокогомогенизированных суспензий и эмульсий, и другие.
Часто перемешивание приводит не только к гомогенизации, но и к ме
ханической активации. Механической активацией можно получать продук
цию с заданными физическими, физико-химическими свойствами, например,
прогнозировать диаметр капель дисперсной среды в эмульсиях; регулировать
степень измельчения твёрдой фракции в суспензиях; уменьшать летучесть
,„ компонентов, изменять плотность и вязкость и т.д.
Рыночная экономика требует повышения качества, расширения ассортимента выпускаемых продуктов, что вызывает необходимость совершенствования старых и внедрение новых, прогрессивных технологий и более совершенного оборудования. Кроме этого, одной из основных задач является обеспечение технического перевооружения и интенсификации уже действующих технологических производств. Поэтому, несмотря на многообразие механических мешалок, продолжаются поиски новых, более совершенных конструкций, обеспечивающих при сравнительно малых затратах энергии наибольшую производительность процесса при высоком качестве готового продукта. При этом возникает необходимость в таком оборудовании, которое
бы легко встраивалось в автоматизированные линии, и обеспечивающие автоматизированный контроль за качеством готовой продукции.
Важной задачей является получение эмульсий из двух и более взаимно нерастворимых жидкостей. Процесс перемешивания двух и более не смешиваемых жидкостей связан с рядом особенностей: необходимость получения эмульсий устойчивых во времени, широкой номенклатурой перемешиваемого сырья, требующей быстрой переналадки оборудования.
Совершенствование техники получение эмульсий обычно связано с общим развитием технологии производства того или иного продукта. В этом случае выбор метода перемешивания зависит от конкретного производства и диктуется технологией.
В большинстве случаев предпочтительным является метод механического перемешивания при помощи вращающихся мешалок. Из этой группы наибольшей функциональностью и производительностью обладают турбинные и пропеллерные мешалки, которые повсеместно используются промышленностью. Однако они имеют ряд существенных недостатков: более энергоёмки, металлоёмки, малоэффективны и технологически сложные в изготовлении.
Существующие методы расчёта перемешивающих устройств основаны на использовании большого объёма экспериментальных данных при подборе эмпирических коэффициентов. Кроме того, приводимые в литературе методы расчёта [1-10] не всегда учитывают характер движения жидкости и особенности её взаимодействия с органами перемешивающего устройства. Данный недостаток теории в области перемешивания взаимно нерастворимых жидкостей затрудняет создание методов инженерного расчёта и нового высокоэффективного оборудования, не позволяет определить оптимальные геометрические и режимные параметры процесса, что, как правило, приводит к неоправданным затратам энергии и снижению качества готовой продукции.
Всё это свидетельствует о том, что исследования в области перемешивания с целью создания методов расчёта и конструкций являются актуальной задачей.
Работа выполнялась в соответствии с планом основных научных направлений РІГ АСА (координационный план НИР РАН - «Теоретические основы химической технологии» разделы 2.22.1, 2.22.4.8, постановлением правительства РФ № 1414 от 23.11.96).
Цель работы состоит в совершенствовании технологии механического перемешивания жидких гетерогенных сред, в разработке устройства, обладающего высокой эффективностью работы, малой энерго- и металлоёмкостью, а также в создании методов расчёта основных конструктивных, режимных и технологических параметров мешалки. Основными задачами исследования являются:
разработка принципиально нового устройства для перемешивания гетерогенных систем жидкость-жидкость, жидкость-твёрдое тело;
теоретическое обоснование выбора основных конструктивных параметров мешалки и совершенствование методики расчёта гидродинамических характеристик процесса;
проведение экспериментальных и теоретических исследований для определения влияния конструктивных и кинематических параметров мешалки на потребляемую мощность и эффективность перемешивания;
усовершенствование известной методики расчёта гидродинамических характеристик движения жидкости внутри трубы переменного сечения;
теоретическое и экспериментальное обоснование использования конструкции мешалки с трубками переменного сечения для перемешивания жидких сред;
проведение экспериментальных исследований процесса смешения не-перемешиваемых жидкостей с применением мешалки с трубками переменного сечения с целью получения устойчивых во времени эмульсий.
8 Методы исследования. Использованы экспериментальные методы измерения гидродинамических характеристик движения жидкости внутри труб переменного сечения, в цилиндрических сосудах при наличии и без перегородок.
При обработке экспериментальных результатов применялись как аналитические, так и численные методы (методы физического и математического моделирования, методы математической статистики).
Обработка данных проводилась с использованием ЭВМ. В работе применялись «Microsoft Excel» и многофункциональная программа научных расчётов «MathCAD».
Теоретической и методологической основой исследований являлись разработки отечественных и зарубежных учёных в области перемешивания, гидродинамики газожидкостных систем: Г.Н. Абрамовича, В.Г. Айнштейна, Л.Н. Брагинского, Э.А. Васильцова, Т.А. Гиршовича, В.В. Кафарова, И.М. Костина, Л.Г. Лойцянского, С. Нагаты, Г.Э. Одишарии, В.А. Орлова, В.В. Орлова, Л. Прандтля, Ф. Стренка, П.Г. Романкова, А.А. Точигина, Ф. Хол-ланда, Ф. Чапмана. Информационная база - научные труды, материалы научно-технических конференций, статьи в научных сборниках и периодических изданиях по исследуемой проблеме. Достоверность научных положений диссертации подтверждается:
применением фундаментальных методов гидродинамики и массооб-менных процессов, протекающих в средах жидкость-жидкость, жидкость твёрдый материал;
сопоставлением теоретических и экспериментальных результатов, полученных в работе, а также с данными, известными в научной и справочной литературе.
Научная новизна работы;
S установлена закономерность движения жидкости внутри трубки переменного сечения мешалки при разных скоростях её вращения;
9
f разработана методика расчёта основных параметров перемешивающе-
' го устройства, позволяющая рассчитать оптимальные технологиче-
ские, энергетические и кинематические значения процесса; S найдена взаимосвязь между конструктивными особенностями мешалки и исходными характеристиками продуктов смешения; их влияния на качество конечного продукта; / создана инженерная методика расчёта основных параметров мешалки
с трубками переменного сечения;
S новизна технического решения подтверждается получением патента
РФ на изобретение.
щ Практическая ценность работы» Разработана принципиально новая конст-
рукция смесителя для перемешивания жидких и пастообразных масс, позволяющая повысить качество готовой продукции, снизить потребляемую мощность процесса, а также инженерная методика расчёта и соответствующее программное обеспечение для определения технологических, энергетических и кинематических параметров устройства, обеспечивающих получение качественной продукции.
Конструкция мешалки внедрена на предприятии ИСМА (г. Иваново) на стадии перемешивания жидких сред, а также на «НПО Янтарь» в процессе изготовления технологической жидкости.
Результаты диссертации, а также конструкция мешалки используется в процессе механической активации воды, используемой на стадии производства бетона и железобетона, и в учебном процессе при изучении дисциплин «Процессы и аппараты производство строительных материалов», «Механическое оборудование предприятий стройиндустрии».
Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладыва
лись и обсуждались на следующих международных и вузовских конференци
ях: X международной научно-технической конференции «Информационная
среда вуза» (Иваново, 2003); Международная конференция - «Энерго-
(^ ресурсосберегающие технологии и оборудование экологически безопасных
10
производств» (ИГХТУ, Иваново, 2004); третьей научной конференции аспи-
*' рантов (ИГАСА, Иваново, 2003).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, получен патент РФ на изобретение. На защиту выносится:
о новая конструкция устройства для перемешивания жидких и пастооб
разных масс;
о методика расчёта основных параметров мешалки, позволяющая найти
оптимальные технологические, энергетические и кинематические ха
рактеристики процесса перемешивания;
*>. о результаты экспериментальных исследований процесса перемешивания
систем жидкость-жидкость, жидкость-твёрдый материал; о результаты экспериментальных исследований процесса получения устойчивых во времени эмульсий. Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных выводов, списка использованной литературы. Диссертация содержит 140 страниц текста, 98 рисунков, 6 таблиц, библиографический список, включающий 117 наименований отечественных и иностранных источников и 2 приложения.
Работа выполнена на кафедре производство строительных материалов Ивановской государственной архитектурно-строительной академии.
\t
Аппараты, используемые для перемешивания жидких сред
Мешалки являются одним из основных элементов аппарата для перемешивания жидких сред. Они предназначены для передачи механической энергии от динамических элементов аппарата к перемешиваемой среде. Мешалки в наиболее общем случае можно разделить на быстроходные и тихоходные перемешивающие устройства.
К быстроходным перемешивающим устройствам относятся пропеллерные и турбинные мешалки различных типов, а также специальные, например дисковые, лопастные и т.п. Эти мешалки в зависимости от формы лопаток (лопастей) и способа их установки могут создавать радиальный, осевой и ра-диально-осевой (только в аппарате без перегородок) потоки жидкости [1,56-59].
Радиальный поток создают турбинные мешалки закрытого типа, а также открытые турбинные мешалки с прямыми или изогнутыми лопатками. Осевой поток могут обеспечивать пропеллерные и шнековые мешалки. Промежуточный радиально-осевой поток создают турбинные мешалки с лопатками, установленными с наклоном к плоскости вращения мешалки.
Быстроходные мешалки чаще всего работают в аппаратах с отражающими перегородками. Отсутствие перегородок приводит к завихрению жидкости в аппарате и образованию воронки. Количество перегородок и размеры их обычно составляют: число перегородок 1=2+6, чаще всего 1=4; ширина перегородок B=(1/12+1/10)D [1 - 5].
Перегородки могут быть расположены у самой стенки аппарата для жидкостей с небольшой вязкостью; либо на некотором расстоянии от неё — для жидкостей со средней вязкостью; устанавливаться под углом относительно радиуса вращения мешалки - для жидкостей с большой вязкостью. Перегородки могут также иметь высоту, равную или меньше уровня жидкости.
В литературе [1-3,9,10,11,56] отмечается отсутствие универсального критерия, который позволил бы выбирать соответствующую мешалку для данного процесса. Поэтому при выборе мешалки необходимым критерием являются опытные результаты, накопленные при наблюдении за работой промышленных установок. Важную роль при выборе типа мешалки играют физические параметры перемешиваемой жидкости и, прежде всего вязкость. Существует общее мнение [1-3,9,10,11,60-64], что для перемешивания жидкостей с низкой вязкостью пригодны высокоскоростные мешалки, а для жидкостей с большой вязкость тихоходные мешалки. Рис. 1.10-График, иллюстрирующий выбор пропеллерных, турбинных и лопастных мешалок: 1 - лопастная модифицированная; 2 - лопастная; 3 - турбинная; 4 - пропеллерная 1150 мин" ; 5 - пропеллерная 1150 мин"1; 6 -пропеллерная 1750 мин_1[1]. Холланд и Чапман [11] приводят график, (рис. 1.9) по которому можно определить область применения отдельных типов мешалок для жидкостей с различной вязкостью. Из этого графика следует, что широкую область применения имеют турбинные и пропеллерные мешалки, которые пригодны для перемешивания жидкостей с большим диапазоном вязкостей. Остальные типы мешалок имеют более узкую область применения. По этому графику нетрудно установить также, что для перемешивания жидкостей с очень высокой вязкостью лучше всего приспособлены шнековые и ленточные мешалки. Для перемешивания жидкостей со средней вязкостью можно пользоваться несколькими типами мешалок.
Лайнос и Паркер [64] получили специальный график применения для трёх групп мешалок — турбинных, пропеллерных и лопастных. Интересно, что для перемешивания и диспергирования несмешивающихся жидкостей они рекомендуют использовать турбинные и пропеллерные мешалки.
Несколько иной график для выбора одного из трёх перечисленных мешалок приводит Вебер [65]. Этот график приведён на рисунке 1.10. На этом графике соответствующая кривая ограничивает верхний диапазон работы мешалки данного типа.
Наиболее распространёнными и широко применяемыми в промышленности являются: турбинные, пропеллерные, лопастные, рамные, якорные и мешалки, обеспечивающие высокие напряжения сдвига в перемешиваемой среде.
Турбинные мешалки снабжены лопатками и имеют чётко очерченный ротор (рис. 1.11). Если лопатки мешалки заключены в корпус таким образом, что они образуют закрытые каналы наподобие ротора центробежного насоса, то такую мешалку называют закрытой турбинной. В открытых же мешалках лопатки не заключены в корпус. Отношение диаметра мешалки к диаметру сосуда d/D для этих устройств мало и обычно равно d/D=l/3...1/4. Число оборотов может составлять п=2...20 с1, так что окружная скорость конца лопатки колеблется в пределах 3-9 м/с. В зависимости от способа крепления лопаток и их конфигурации в промышленности встречаются различные типы турбинных мешалок [1-3,9,10,11].
Методика определения высоты воронки в аппарате с мешалкой
Механическая мешалка, помещённая в центре сосуда, вызывает вращательное движение всего объёма жидкости, находящейся в ней. При малых числах оборотов это движение приводит к небольшому понижению уровня жидкости у вала мешалки и образованию воронки. Образование центральной воронки является следствием центробежных сил и сил тяжести. С увеличением же числа оборотов возникшая воронка постепенно углубляется, достигает мешалки, а в предельном случае и дна сосуда [1].
На высоту и форму воронки помимо конструкции мешалки и частоты вращения её вала оказывают также физические свойства перемешиваемой среды — вязкость и плотность. Перечисленные выше факторы оказывают влияние на величину центробежной силы, т.е. например, с увеличением вязкости жидкости центробежная сила будет падать, следовательно, высота воронки также будет уменьшаться [81,82].
Как правило, интенсивное перемешивание осуществляется при таких скоростях, при которых понижение уровня жидкости не достигает ступицы мешалки.
Распределение скоростей вращающейся жидкости в аппарате с мешалкой, также оказывает влияние на профиль и высоту воронки. Область вращающейся жидкости вблизи мешалки называют областью вынужденного вихря или так называемого вихря Ренкина. Анализируя распределение угловых скоростей в жидкости, и принимая несколько упрощающих допущений, можно вывести уравнение, определяющее форму поверхности при образовании воронки.
В литературе приводятся уравнения для определения высоты подъёма жидкости по стенке сосуда, а также построение профиля воронки. Так, уравнение для определения высоты перемешиваемой жидкости у стенок сосуда определяется из равенства [9]:
где zo — высота слоя жидкости в самой нижней точке свободной поверхности жидкости (рис. 2.8), м; со - угловая скорость вращения мешалки, с"1; гц — радиус центрального вихря, зависящий от размеров мешалки, гц = 0,45гм, м; г — текущий радиус, м.
Однако приведённое уравнение не учитывает конструкцию мешалки и вязкость перемешиваемой жидкости. На основе анализа результатов наших исследований уравнение (2.8) было дополнено коэффициентами, учитываю щими вязкость перемешиваемой жидкости и тип мешалки: где кі - коэффициент, учитывающий вязкость перемешиваемой среды, определяемый по графику (рис. 2.9); к2 - коэффициент, зависящий от типа перемешивающего устройства: для мешалки с трубками переменного сечения к2=8-Н0; для дисковой мешалки с трубками к2=1 НІ2; для рамной мешалками к2=12-ИЗ; для дисковой мешалки к2=14-Н5; для пропеллерной мешалки к2=20-25 [81]. Высота слоя в самой нижней точке свободной поверхности жидкости также определяется по выражению, приводимому в литературе [9]. С учётом вязкости жидкости и типа мешалки данное равенство приняло вид где Но - начальная высота жидкости в аппарате, м; R — радиус аппарата, м.
Построение профиля воронки производится изменением текущего радиуса г по формуле (2.9).
По выражениям (2.9) и (2.10) можно вычислять максимальный подъём жидкости у стенки аппарата, а также производить построение профиля воронки в зависимости от типа мешалки и вязкости перемешиваемой среды. Путём подбора со в формуле (2.10) можно определить предельную частоту вращения мешалки, при которой жидкость достигает ступицы мешалки. Данное явление нежелательно, так как происходит подсос воздуха из окружающей среды, который неизбежно будет растворяться в жидкости, нарушая тем самым технологический процесс смешения. Это явление приводит к появлению вибрации вала, что вызывает дополнительные нагрузки на опоры (подшипники) и уплотнительные устройства привода.
Методика определения профиля и высоты воронки жидкости в аппарате с мешалкой дополнена коэффициентами, учитывающими вязкость перемешиваемой среды и тип мешалки. Она позволяет на этапе проектирования подобрать частоту вращения мешалки, определить предельное её значение, а также определить высоту аппарата, в котором будет проводиться процесс смешения.
Методика проведения эксперимента на установке для перемешивания жидкостей
Цель экспериментов была найти взаимосвязь между теорией и практикой. Эксперимент проводился в следующей последовательности. В аппарат заливалась вода на уровень 60 мм от дна сосуда для всех типов мешалок. Затем с помощью регулятора ЛАТР устанавливалось напряжение, подводимое к электродвигателю. После чего производилась регистрация потребляемой мощности мешалкой, высоты воронки жидкости в аппарате и частоты вращения вала электродвигателя. Указанная последовательность повторялась 8-10 раз с шагом задаваемого напряжения 20 В.
Оценка эффективности проводилась в двух сосудах без перегородок с внутренними диаметрами D=150 мм и D=245 мм для шести типов перемешивающих устройств: диск, диск с трубками, ротор с трубками переменного сечения, пропеллер, рамная мешалка и ротор с конфузорами. Кроме того, по частоте вращения каждого из выше перечисленных перемешивающих уст ройств определялась окружная скорость перемешиваемой среды в зоне мешалки.
Оценка интенсивности перемешивания проводилась по высоте воронки жидкости в сосуде, потребляемой мощности и окружной скорости вращения мешалки. По результатам экспериментальных исследований были построены графические зависимости окружной скорости и потребляемой мощности от высоты воронки. На рис.3.6-3.9 представлены результаты экспериментов, их аппроксимации. По приведённым на рис. 3.6 - 3.9 зависимостям можно сделать следующие выводы.
Для всех типов перемешивающих устройств при окружных скоростях до 2 м/с наблюдалось резкое увеличение высоты воронки на стенке сосуда. Это связано с тем, что при этих скоростях жидкость в аппарате движется с числами Re от 200 до 104, что соответствует переходной области и говорит об отсутствии турбулентности.
При увеличении скорости вращения мешалки (свыше 2 м/с) увеличение высоты воронки и потребляемой мощности идёт с меньшей интенсивностью. Данное явление объясняется возникновением турбулентности и кавитации, с образованием двухфазной системы жидкость-газ (вода-воздух). С увеличением окружных скоростей вращения мешалок увеличивалось газопоглощение, что приводило к увеличению диаметра пузырьков воздуха. Увеличение мощности при окружных скоростях более 2 м/с является следствием возникновения кавитации, которая оказывает тормозящее действие на мешалку.
Наибольшую эффективность перемешивания обеспечивают перемешивающие устройства с трубками переменного сечения и ротор с конфузорами. При одинаковой мощности затраченной на перемешивание мешалка с трубками переменного сечения и ротор с конфузорами обеспечивают большую эффективность перемешивания, чем пропеллерная или дисковая мешалки. Это можно объяснить тем, что дисковая мешалка вызывает слабую циркуляцию жидкости в аппарате и перемешивание идёт в зоне близкой к поверхности мешалки. В случае применения пропеллерной мешалки наблюдалась интенсивная циркуляция жидкости во всём сечении аппарата. Однако касательное напряжение, возникающее между жидкостью и лопастью мешалки мало, т.к. площадь контакта меньше, чем у дисковой мешалки.
Высокую эффективность перемешивания при применении мешалок с трубками переменного сечения и конфузорами, очевидно можно объяснить следующими явлениями. Конфузор, совершая поступательно-вращательное движение, захватывает поток жидкости. Поток жидкости, имея начальную скорость на входе, равную окружной скорости вращения мешалки, ускоряется за счёт разницы входного и выходного отверстий конфузора. Ускоренный поток жидкости выходящий из конфузора попадает во вращающийся спут-ный поток жидкости. Разность скоростей двух потоков вызывает трение, между слоями жидкости приводя к возникновению турбулентности и кавитаци-онных явлений. За счёт этого и увеличивается эффективность перемешивания.
Экспериментальные исследования по смешиванию взаимно не растворимых жидкостей
Для качественной оценки процесса перемешивания систем жидкость -жидкость были использованы взаимно не растворимые жидкости. В качестве перемешиваемых жидкостей были выбраны вода и масло. Эксперимент проводился на установках, изображённых на рис. 3.1 и ЗЛО в сосудах с перегородками и без.
Необходимо было выяснить влияние различных типов перемешивающих устройств на качество полученной смеси, а также выбрать оптимальные соотношения между временем перемешивания, частотой вращения и концентраций компонентов смеси вода-масло для мешалки с трубками переменного сечения.
Основным показателем качества получаемой эмульсии является время её расслаивания, которое и измерялось. Кроме того, по прошествии 72 часов после отбора проб измерялось содержание масла, воды и эмульсии.
Оценка эффективности перемешивания проводилась для шести типов перемешивающих устройств: диск, диск с трубками, ротор с трубками переменного сечения, пропеллер, рамная мешалка и ротор с конфузорами (рис. 3.5). Ниже приводятся методики и результаты экспериментов.
Для определения влияния времени перемешивания на степень расслаивания эмульсии, где концентрация масла составляла 70%, а воды 30% от общего объёма. Мешалка устанавливалась на высоту равную половине высоты смеси в аппарате. Диаметр аппарата D=130 мм, диаметр мешалки d=100 мм.
С помощью ЛАТР устанавливалось напряжение, при котором частота вращения мешалки была 500 об/мин. Затем в течение 25 мин с интервалом в 5 мин производился отбор проб. Пробы заливались в пробирки, и для каждого режима определяли время полного расслаивания, которое регистрировалось при помощи секундомера. Для качественной оценки процесса перемешивания был введён коэффициент расслаивания, который определялся как отношение процентного содержания эмульсии после отстаивания к содержанию до начала отстаивания пробы. Кривые зависимостей степени расслаивания и времени расслаивания эмульсии от времени перемешивания приведены на рис. 4.1 и 4.2. для сосуда без перегородок и на рис.4.3 и 4.4 с перегородками соответственно.
Максимальная эффективность перемешивания достигается применением мешалки с трубками переменного сечения и временем перемешивании смеси не более 5 минут (рис. 4.1-4.4). Эффективность процесса при этом в 4 раза больше, чем у пропеллерной или дисковой мешалки. Данное явление можно объяснить образованием тонко дисперсной эмульсии, причём масло является дисперсной средой и растворено в воде. Устойчивость системы масло-вода длительное, время большее, чем у других устройств к расслаиванию, после 5 минут перемешивания мешалкой с трубками переменного сечения и ротора с конфузорами объясняется образованием капель размером не менее 0,5 мм, что препятствует коалесценции.
Экспериментальное исследование влияния частоты вращения мешалки на время расслаивания производилось по методике аналогичной в п.п. 4.2.1. В качестве варьируемой величины была принята частота вращения мешалки. Время перемешивания было величиной неизменной и равнялось 5 мин. Кривые влияния частоты вращения мешалок на коэффициент расслаивания эмульсии в пробах приведены на рис. 4.5 и 4.7 в сосудах без перегородок и с перегородками соответственно. Зависимости влияния частоты вращения мешалок на время расслаивания эмульсии приведены на рис. 4.6 и 4.8 в сосудах без перегородок и с перегородками соответственно.
