Увеличение эффективности перемешивания в нестационарном режиме

Использование аппаратов с нестационарным вращением рабочих органов особенно эффективно в системах «твердое тело — жидкость — газ», например, в биотехнологии, в процессе производства гидроксиламинсульфата (производство капролактама), в системах очистки сточных вод и других. Также аппараты с нестационарным вращением чрезвычайно эффективны в процессах, в которых возникновение значительных сдвиговых напряжений в потоке недопустимо, например, для процесса флокуляции или растворения высокомолекулярных веществ, так как неравномерность вращения рабочих органов позволяет суспендировать твердые частицы при значительно меньших угловых скоростях вращения рабочих органов. С другой стороны, для процессов, в которых необходимо разрушение агрегированных структур, неравномерность вращения позволяет при тех же средних оборотах рабочих органов резко увеличить сдвиговые напряжения в потоке и сократить в несколько раз время перемешивания, например, в процессе конширования шоколада, гомогенизации смесей.
Неравномерность вращения рабочих органов позволяет резко увеличить скорость массообменных процессов в системах «твердое тело — жидкость» за счет трех факторов:

1)    за счет разной инерционности жидких и твердых частиц, так как в момент ускорения мешалки жидкие частицы опережают твердые; а в момент замедления, наоборот, твердые частицы обгоняют жидкие, при этом разность скоростей между твердыми и жидкими частицами значительно выше, чем в аппаратах с равномерным вращением мешалки;

2)    неравномерность вращения мешалки порождает крупномасштабные вихри, которые суспендируют твердые частицы, выравнивают их концентрации по высоте аппарата, ликвидируют застойные и малоэффективные зоны;

3)    увеличивает энергию турбулентных пульсаций в аппарате в несколько раз.

В системах «газ — жидкость» увеличение энергии турбулентных пульсаций, порождаемое нестационарностью вращения мешалки, уменьшает размеры газовых пузырьков в 2-3 раза, а следовательно, резко увеличивается межфазная поверхность наряду с увеличением интенсивности диффузионного потока на пузырек.

В аппаратах большого объема с несколькими валами мешалок, например, в производстве экстракционной фосфорной кислоты, неравномерность вращения позволяет ликвидировать застойные зоны между мешалками в углах днища аппарата.

Одним из наиболее перспективных является аппарат, представленный на рисунке.

Аппарат с нестационарным движением валов мешалок
Аппарат с нестационарным движением валов мешалок и нестационарным вращением мешалок вокруг своих осей и кинематической схемой привода:а) продольный разрез; б) разрез А—А

 

На рис.  изображена кинематическая схема аппарата: общий вид (а), разрез А-А (б).

Аппарат содержит корпус 1 с крышкой 2, патрубки ввода 3 и вывода 4 продукта, двигатель 5 с приводным валом 6, периферийные мешалки 7 и вал с центральной нижней мешалкой 8, вращающейся с постоянной угловой скоростью, выходной поводок 9, соединенный с шатунами 10 кривошипами 11 и сателлитами 12, в опорах выходного поводка 13 расположены валы сателлитов, жестко соединенные с валами периферийных мешалок 7. Сателлиты кинематически соединены с неподвижным зубчатым колесом 14. Кроме того, выходной поводок 13 жестко соединен с полым валом 15, на котором закреплена центральная мешалка 16, вращающаяся с переменной скоростью.

 

Аппарат работает следующим образом. Вращение вала 6 двигателя 5 передается валу с центральной нижней мешалкой 8, которая в результате вращается с постоянной угловой скоростью, и выходному поводку 9, который вращается вокруг своей оси, передает движение шатунам 10 и через кривошипы 11 кинематически связанным с ним зубчатым сателлитам 12 и выходному поводку 13, в опорах которого находятся валы сателлитов. За счет того, что кривошипы эксцентрично установлены на сателлитах, находящиеся в зацеплении с неподвижным зубчатым колесом, угловая скорость и ускорение зубчатых сателлитов и выходного поводка 13 становятся непостоянными по времени. Движения с внутрицикловым изменением амплитуды и угловой скорости выходного поводка 13 передаются валам периферийных мешалок 7 и полому валу 15 центральной верхней мешалки 16.

Таким образом, в аппарате создается сложное движение жидкости, обусловленное взаимодействием гидродинамических потоков, созданных вращением вокруг своей оси и движением по кругу периферийных мешалок с потоками, созданными центральной мешалкой. Установка двух мешалок на оси (нижняя мешалка пропеллерная, а верхняя лопастная) приводит к появлению в осевой плоскости двухциркуляционного течения, и взвешенные в жидкости твердые частицы проходят последовательно через области центральных мешалок и периферийных мешалок, но так как скорости у этих мешалок различны, то это создает дополнительную разницу скоростей между твердой частицей и жидкостью, что приводит к увеличению интенсивности массообмена. Так, твердая частица, находящаяся в потоке, образованном периферийными мешалками, попадает в поток нижней центральной мешалки, у которой скорость вращения отличается от скорости вращения периферийных мешалок, следовательно, в течение некоторого времени скорости движения твердой частицы и жидкости значительно отличаются. Затем скорости частицы и жидкости становятся равными, однако к этому времени частица попадает в область верхней мешалки, скорость вращения которой отлична от скорости вращения нижней мешалки. Затем из области верхней мешалки частица попадает в область периферийных мешалок. Описанное движение твердой частицы в аппарате приводит к возникновению дополнительного механизма повышения интенсивности смешения и массообменных процессов.