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 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 ? (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 ? 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.