Увеличение эффективности якорной мешалки

Одним из путей повышения эффективности смесителей и реакторов с мешалками является внутрицикловое изменение угловой скорости вращения рабочих органов, то есть угловая скорость рабочих органов изменяется периодически по времени, например, по синусоидальному закону. При этом в аппарате ликвидируются застойные и малоэффективные зоны.

Исследуем влияние неравномерности вращения на процесс смешения в аппарате с якорной мешалкой.

Аппарат с нестационарным движением мешалки и кинематическим приводом
Аппарат с нестационарным движением мешалки и кинематической схемой привода

На рис. приведена схема аппарата с якорной мешалкой и приводом, преобразующим равномерное вращение вала двигателя в неравномерное вращение вала мешалки. Равномерное вращение от вала 2 двигателя 1 передается входному поводку 3 и сателлитам 4, которые вращаются одновременно с ним вокруг собственной оси в результате взаимодействия с лубьями неподвижного колеса 5. При этом кривошипы 6, жестко закрепленные на сателлитах, описывают гипоциклоидальную траекторию и движутся по ней неравномерно относительно неподвижного зубчатого колеса 5. Шатуны 7 передают неравномерное движение в одном направлении ведомому валу 8, на котором закреплена мешалка 9. Таким образом, угловая скорость и ускорение мешалки непрерывно изменяются в пределах одного цикла, что приводит к значительному увеличению скорости массообменных процессов и уменьшению глубины воронки.

Результаты экспериментальных исследований и расчетные данные для оценки влияния коэффициента неравномерности ? на изменение глубины воронки в аппарате с постоянной и переменной угловой скоростью вращения якорной мешалки при фиксированном значении безразмерной частоты неравномерности угловой скорости ?= 1,357 приведены в таблице.

? = ?2/?    где ?2 — частота неравномерности; ?— средняя угловая скорость вращения мешалки.

Влияние неравномерности вращения мешалки (?max=8,37)

?min, c-1

?

Коэффициент неоднородности смеси

Глубина воронки, м

Эксперимент

Расчет

?min = 8,37

-

14,82

0,14

0,1429

?min =7,22

0,148

14,31

0,135

0,129

?min =6,65

0,229

12,04

0,124

0,119

?min =6,08

0,317

10,18

0,106

0,106

?min =5,56

0,404

8,43

0,085

0,093

?min =5,14

0,478

7,21

0,063

0,084

?min =4,91

0,521

6,54

0,056

0,079

Для экспериментальных исследований использовали аппарат объемом 0,1 м3, заполненный водной суспензией Аl(ОН)3 с весовой концентрацией 0,515 г/л. Дисперсность частиц составляла 10 — 60 мкм, насыпная плотность 0,626 г/см3, диаметр аппарата 0,5 м, высота 0,58 м, диаметр якорной мешалки 0,42 м, высота установки мешалки от дна аппарата 0,08 м. Высота перемешиваемой суспензии 0,42 м. Время перемешивания во всех опытах — 12 мин.

Из таблицы видно: с ростом коэффициента неравномерности ? глубина воронки уменьшается.

Глубина воронки на свободной поверхности в зависимости от ?
Глубина воронки на свободной поверхности в зависимости от ? (кривая 1 — эксперимент, 2 — расчет)

Экспериментальные данные находятся в хорошем соответствии с величинами, рассчитанными по формуле.
Зависимость глубины воронки от ? при ?=0,317, ?ср=7,225 с представлена на рисунке. Небольшое расхождение экспериментальных данных с расчетными на рисунке и в таблице вызвано взаимодействием вихревых образований, которое приводит к дополнительной диссипации энергии и уменьшению азимутальной скорости.

Увеличение коэффициента неравномерности вращения ускоряет процесс выравнивания концентрации в аппарате, что связано с возникновением в потоке крупных вихревых образований вследствие резких изменений угловой скорости вращения мешалки. Вихри наблюдались визуально в аппарате с якорной мешалкой, а также в реакторах с резко изменяющейся формой канала. Согласно исследованиям такие вихревые пульсации по амплитуде значительно превосходят крупномасштабные пульсации в турбулентных потоках. Наложение на вращающиеся потоки низкочастотных колебаний, осуществляемое с помощью специального привода в аппаратах с мешалкой, также значительно интенсифицирует массообменные процессы вследствие повышения энергии турбулентных пульсаций и увеличения относительной скорости движения фаз.

Зависимость величины Sh/Shо от ?
Зависимость величины Sh/Shо от ? при ?=3,71 (а) и от ? при ?=0,6 (б). Диаметры частиц, мкм: 1 — 10; 2 — 50; 3 — 100

На рисунке приведены зависимости отношения диффузионного потока с частицы в аппаратах с неравномерным (Sh) и равномерным (Sh0) вращением мешалки от коэффициентов ? и ? при ? =8,37с-1( Sh, Sh0 — число Шервуда в неравномерно и равномерно вращающихся потоках). Увеличение обоих коэффициентов приводит к монотонному возрастанию отношения Sh/Sh0, и интенсивность диффузионного потока увеличивается более чем в два раза. Увеличение диаметра частицы также приводит к возрастанию отношения Sh/Sh0, но этот рост не столь резкий.

Следует отметить, что полученные зависимости справедливы лишь при умеренных угловых скоростях вращения якорной мешалки (как правило, якорные мешалки вращаются с небольшими угловыми скоростями) и в диапазоне низких частот неравномерности. Кроме того, размер частиц ограничен сверху условием, что он должен быть меньше минимального размера турбулентных вихрей.

Также следует отметить, что увеличение частоты неравномерности ? имеет технические ограничения. Поэтому коэффициенты ? и ? следует выбирать в результате оптимизации технологических параметров исходя из технических возможностей реализации параметров механизмов привода.

Следует отметить, что увеличение скорости массообменных процессов будет наблюдаться только до определенной частоты неравномерности, и далее этой частоты влияние неравномерности будет уменьшаться, и при больших частотах неравномерность практически не будет влиять на массообменные процессы.