Движение жидкости в аппаратах с мешалками - раздел Химия, ЛЕКЦИИ ПАХТ ч1. Предмет и задачи дисциплины. 3 Основные процессы химической технологии
Мешалка, Вращающаяся В Сосуде С Жидкостью, Передает Количеств...
Мешалка, вращающаяся в сосуде с жидкостью, передает количество движения от двигателя жидкости и вызывает тем самым ее движение, при котором происходит перемешивание. Передача количества движения происходит за счет давления лопастей мешалки на жидкость. В результате этого движения часть жидкости обтекает кромку лопасти и смешивается с окружающей жидкостью, которая начинает вращаться в направлении вращения мешалки. За лопастью возникает разрежение, вызывающее подсасывание жидкости из окружающей среды. В результате обтекания и подсасывания около лопастей возникают турбулентные вихри. При вращении жидкости возникают центробежные силы, вследствие которых происходит движение жидкости в радиальном направлении от мешалки к стенкам сосуда и подсасывание жидкости к центру мешалки.
Течение жидкости в сосуде, вызванное мешалкой, характеризуется линиями тока. В зависимости от направлений линий тока различают три главных типа течения: тангенциальное, радиальное и аксиальное (осевое).
При тангенциальном течении жидкость в сосуде движется, в основном, параллельно пути, описываемому мешалкой; такое движение изображено на рис. 10.5, где через wт обозначена тангенциальная скорость. Вытекание жидкости из пространства между лопастями мешалки и ее подсасывание незначительно. Перемешивание в вертикальном направлении мало. Преимущественно тангенциальное течение имеет место при перемешивании лопастными мешалками с малым числом оборотов, при котором еще не возникают ярко выраженные потоки, вызванные центробежной силой.
Рис. 10.5. Линии тока тангенциального движения
Радиальное течение, при кото-ром жидкость течет преимущественно от мешалки перпендикулярно оси ее вращения по направлению к стенкам сосуда, изображено на рис. 10.6, где wр – радиальная скорость.
Рис. 10.6. Радиальное течение жид-кости от периферии мешалки к стенкам сосуда
Радиальное течение возможно лишь тогда, когда центробежная сила, зависящая от диаметра мешалки и числа ее оборотов, будет достаточной для преодоления сопротивления окружающей жидкости. В некоторых случаях тангенциальное течение в сосуде можно изменить на радиальное увеличением числа оборотов мешалки. На рис. 10.6 показаны линии тока при радиальном течении жидкости. В этом случае мешалка образует в сосуде две зоны течения: в нижней части сосуда жидкость подсасывается снизу вверх, а в верхней части сосуда – сверху вниз.
Аксиальное (осевое) течение, при котором жидкость поступает и вытекает из мешалки параллельно оси ее вращения (wа – аксиальная скорость), в основном характерно для пропеллерных мешалок (рис. 10.7).
Рис. 10.7. Аксиальное (осевое) течение жидкости
В зависимости от поворота лопастей пропеллера по отношению к направлению вращения (правый или левый винт) различают два типа вертикальных мешалок с осевым течением жидкости в сосуде:
а) мешалка, засасывающая жидкость со дна и нагнетающая жидкость к поверхности;
б) мешалка, засасывающая жидкость от поверхности и нагнетающая ее ко дну.
В промышленных аппаратах с мешалками возможны различные сочетания вышеперечисленных типов течения жидкости. Таким образом, при работе мешалок возникает сложное трехмерное течение жидкости, при котором в зависимости от конструкции мешалок и частоты их вращения может превалировать один из указанных типов движения (тангенциальное, радиальное, аксиальное).
Большое влияние на интенсивность перемешивания в аппарате с мешалкой оказывает циркуляция жидкости в нем, которая вызывается насосным эффектом, т.е. способностью мешалки транспортировать жидкость подобно насосу. Насосный эффект характеризуется объемным расходом жидкости в радиальном и аксиальном направлениях.
Насосный эффект мешалки, создающий радиальный поток жидкости, определяется величиной средней радиальной скорости и вычисляется по уравнению
, (10.1)
где dм и hм – диаметр и высота лопастей мешалки. Величину – принимают пропорциональной окружной скорости мешалки ~ ndм (n – частота вращения мешалки). Для геометрически подобных мешалок отношение – величина постоянная. Отсюда
, (10.1а)
где – постоянная величина для данного типа мешалок.
Насосный эффект в аксиальном направлении движения жидкости , определяется уравнением
, (10.2)
где – средняя скорость жидкости в аксиальном направлении. Величина пропорциональна частоте вращения мешалки n и ее шагу S, т.е. ~ nS.
Для группы геометрически подобных мешалок , отсюда
. (10.2а)
Для пропеллерных мешалок шаг винта определяется выражением
, (10.3)
где j – угол наклона лопасти. Константы и определены экспери-ментально для различных конструкций мешалок и приводятся в справочной литературе.
Механическая мешалка, помещенная в центре сосуда, вызывает вращательное движение всего объема жидкости, находящейся в сосуде, что вызывает центробежную силу, и в соответствии с (5.19) в этом случае свободная поверхность жидкости примет форму параболоида вращения. При малых числах оборотов наблюдается небольшое понижение уровня жидкости у вала. С увеличением же числа оборотов возникшая воронка постепенно углубляется и может достигать лопастей мешалки. С целью предотвращения создания воронки или уменьшения ее глубины в сосуде устанавливают вертикальные перегородки 1 (рис. 10.8). На этом рисунке сплошной линией изображена воронка при отсутствии перегородок в сосуде, а пунктирной линией – при наличии перегородок.
Рис. 10.8. Образование воронки в сосуде с мешалкой
Поскольку в зависимости от конструкции мешалок и их числа оборотов движение жидкости в сосудах для перемешивания имеет свои особенности, то ниже рассмат-риваются условия работы ряда мешалок.
Мешалки лопастного типа. Лопастными мешалками называются устройства, состоящие из двух или большего числа лопастей прямоугольного сечения, закрепленных на вращающемся вертикальном валу (см. рис. 10.1). К лопастным мешалкам относятся также и рамные мешалки (см. рис. 10.2). Основные достоинства лопастных мешалок – простота устройства и невысокая стоимость изготовления. К недостаткам мешалок этого типа следует отнести низкое насосное действие мешалки (слабый осевой поток), не обеспечивающее достаточно полного перемешивания во всем объеме аппарата. Развитие турбулентности в объеме перемешиваемой жидкости происходит медленно, циркуляция жидкости невелика.
Некоторое увеличение осевого потока жидкости достигается при наклоне лопастей под углом 30-45° к оси вала. Для перемешивания жидкостей в аппаратах, обогреваемых с помощью рубашки, в тех случаях, когда возможно выпадение осадка, применяют рамные мешалки, которые имеют форму, соответствующую внутренней форме аппарата.
При высоких скоростях вращения лопастных мешалок в аппарате устанавливают отражающие перегородки, которые служат для уменьшения окружной скорости жидкости (предотвращает создание воронки на поверхности жидкости) и для организации осевого и радиального потоков.
Турбинные мешалки. Эти мешалки имеют форму колес водяных турбин с плоскими, наклонными или криволинейными лопастями, укрепленными на вертикальном валу (см. рис. 10.3). В аппаратах с турбинными мешалками создаются преимущественно радиальные потоки жидкости. При работе турбинных мешалок с большой частотой вращения наряду с радиальным потоком возможно возникновение тангенциального (кругового) течения жидкости в аппарате и образование воронки. В этом случае в аппарате устанавливаются отражательные перегородки.
Мощность, потребляемая турбинными мешалками при наличии в аппарате отражательных перегородок, при турбулентном режиме перемешивания практически не зависит от вязкости среды. Поэтому мешалки данного типа могут применяться для смесей, вязкость которых во время перемешивания изменяется.
Пропеллерные мешалки. Рабочей частью пропеллерной мешалки является пропеллер (см. рис. 10.4) – устройство с несколькими фасонными лопастями, изогнутыми по профилю гребного винта. Наибольшее распространение получили трехлопастные пропеллеры. Вследствие более обтекаемой формы пропеллерные мешалки при одинаковом числе Рейнольдса потребляют меньшую мощность, чем мешалки прочих типов. К достоинствам пропеллерных мешалок следует отнести высокую скорость вращения и возможность непосредственного присоединения мешалки к электродвигателю.
Пропеллерные мешалки создают преимущественно осевые потоки перемешиваемой среды и, как следствие этого, – большой насосный эффект, что позволяет существенно сократить продолжительность перемешивания. Вместе с тем пропеллерные мешалки отличаются сложностью конструкции и сравнительно высокой стоимостью изготовления. Пропеллерные мешалки следует применять в цилиндрических аппаратах с выпуклыми днищами. При установках их в прямоугольных баках или аппаратах с плоскими днищами интенсивность перемешивания падает вследствие образования застойных зон. Для улучшения перемешивания больших объемов жидкостей и организации направленного движения жидкости (при большом отношении высоты к диаметру аппарата) в сосудах устанавливают направляющий аппарат, или диффузор (рис. 10.9). Диффузор представляет собой короткую цилиндрическую или коническую трубу, внутри которой помещается мешалка. При большой частоте вращения мешалки в отсутствие диффузора в аппарате устанавливают отражающие перегородки.
Рис. 10.9. Пропеллерная мешалка с диффузором: 1 – диффузор.
Оглавление... Введение Предмет и задачи дисциплины Основные процессы химической технологии...
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Движение жидкости в аппаратах с мешалками
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Предмет и задачи дисциплины.
В химической технологии рассматривают процессы, в которых исходные материалы изменяют свои физические и химические свойства.
Химическая технология изучает процессы производства разл
Основные процессы химической технологии
Классификация основных процессов химической технологии. Стационарные и нестационарные процессы. Непрерывные и периодические процессы. Гипотеза сплошности среды. Режимы движения сред. Классификация
Гипотеза сплошности среды.
Жидкая среда заполняет объем без каких-либо свободных промежутков, сплошным образом.
Жидкая среда, благодаря изменению расстояния между частицами, меняет внешнюю конфигурацию, т.е. деформи
Режимы движения жидких сред.
При течении жидкой среды (жидкости) реализуется два режима: ламинарный и турбулентный
Ламинарный режим - жидкость течет с малой скоростью, отдельными струй
Условия равновесия
Состояние изолированной системы при равновесии определяется только внутренними условиями. Поэтому дифференциалы интенсивных параметров должны быть равны нулю:
- усло
Молекулярный механизм
Молекулярный механизм переноса субстанции обусловлен тепловым движением молекул.Взаимодействие между молекулами можно представить как “жесткое” отталкивание на малых расстояниях между их це
Условие проявления и направления процессов переноса.
Если система находится в равновесии, то макроскопического переноса субстанции не происходит. Тепловое движение молекул на всем направлении равновероятны.
Равновесию в одноф
Перенос массы. Молекулярный механизм переноса массы.
Молекулярный перенос массы в гомогенной смеси называется молекулярной диффузией.
Направленное движение i-го компонента возникает лишь в том случае, если в среде имеется градиент ко
Турбулентный механизм переноса массы.
Турбулентный перенос массы можно рассматривать по аналогии с молекулярным, как следствие хаотического перемещения вихрей. Вместо коэффициента молекулярной диффузии Dм вво
Локальная форма закона сохранения энергии.
Локальное уравнение сохранения энергии можно получить для единичного объема следующим образом:
Переносимая субстанция – энергия единичного объемаrЕ¢. Т
Локальная форма закона сохранения импульса.
Аналогично законам сохранения массы и энергии можно получить локальную (для точки) форму закона сохранения импульса.
Отличие будет заключаться лишь в векторной природе пере
Условия однозначности.
Общее решение дифференциального уравнения описывает целый класс процессов. Для получения частного решения необходимо задание условий однозначности. Они включают:
1) геометрическую форму и
Аналогия процессов переноса.
Аналогия уравнений переноса соответствующих субстанций и законов сохранения обуславливается идентичностью механизмов переноса субстанций.
Полная аналогия, т.е. совпадение полей C
Локальная форма уравнений.
Рассмотрим элементарный участок межфазной поверхности dF, совпадающей с плоскостью XOY. Поток субстанций направлен вдоль оси Z, движение фазы по оси X.
Z
Локальная форма уравнений.
Рассмотрим перенос субстанции из фазы 1 через межфазную поверхность в фазу 2 за счет молекулярного и турбулентного механизмов. Примем , что сопротивлением переносу субстанции со стороны межфазной п
Интегральная форма уравнений.
Усреднив локальные уравнения межфазного переноса субстанций по участку поверхности F можно получить интегральную форму уравнений:
, (2.85)
, (2.86)
. (2.8
Гидродинамическое подобие
Запишем уравнение Н-С для оси z..
Если движение установившееся, то
Тогда заменим дифференциалы конечными величинами,
– определяющий размер
Проблема масштабного переходадля промышленных аппаратов.
Проектированиеи внедрение аппаратов большой единичной мощности (например, массообменных колонн до 10м в диаметре и высотой до 100м) выявило существенное снижение их эффективности с лабораторными мо
Понятие о сопряжённомфизическом и математическом моделировании.
Это метод разработан в КГТУ профессором С.Г. Дьяконовым.
Сопряжённое физическое и математическое моделирование базируется на принципе иерархичности (многоуровневости) пространственно – вре
Гидродинамическая структура потоков.
Наибольший вклад в проблему масштабного перехода вносит изменение гидродинамической структуры потоков при увеличении размеров аппарата. Отыскание поля скоростей по дифференциальным уравнениям вызыв
Модель идеального смешения (МИС).
Предполагается, что любая порция входящего в аппарат меченых элементов потока мгновенно и равномерно перемешивается во всём объёме. Таким образом, концентрация меченых элемен
Идентификация модели
Под идентификацией модели понимается определение неизвестных параметров: для диффузионной модели и число ячеек m для ячеечной модели. Для этого в основной поток на входе в аппарат вводится индикато
Модели структуры потоков
Модель идеального вытеснения (МИВ)
В аппарате идеального вытеснения частицы потока движутся параллельно друг другу с одинаковой скоростью. При этом поперечное (по сечению
Гидромеханические процессы и аппараты
Прикладная гидромеханика Гидростатика. Основное уравнение гидростатики. Сила давления жидкости на стенки сосудов (плоские и криволинейные поверхности).
Гидродинамика. Классификация
Давление покоящейся жидкости на дно и стенки сосуда
Давление жидкости на горизонтальное дно сосуда везде одинаково. Давление же на его боковые стенки растет с увеличением глубины. Давление на дно не зависит от формы или угла наклона
Уравнение Бернулли
Интегрирование дифференциальных уравнений движения Эйлера приводит к важнейшему уравнению гидродинамики - уравнению Бернулли. Это уравнение широко используется в инженерных расчетах
Потери напора по длине турбулентного потока.График Никурадзе
Получить закон распределения местных скоростей по сечению турбулентного потока теоретически не представляется возможным,поскольку скорости в каждой точке изменяются по величине и направлению.
Характеристики турбулентности.
1. Интенсивность турбулентностиIT:
где - среднее квадратичное значение ( = ) пульсационной скорости. Обычно при движении по трубам
График Никурадзе
Формула Дарси-Вейсбаха позволяет рассчитывать потери напора по длине потока жидкости при любом режиме движения. Использование теории подобия для анализа экспериментальных данных по
Расчет простого трубопровода.Характеристика трубопроводной сети
Рассмотрим расчет простого трубопровода, решая задачу первого типа. Пусть простой трубопровод постоянного сечения имеет прямые участки суммарной длиной ℓ и диаметром d, а также несколько мест
Расчет сифонного трубопровода
Обычно при расчете сифонного трубопровода решается задача второго типа. Сифоном называется трубопровод постоянного диаметра, выполненный в виде петли, лежащей выше уровней жидкости в двух ре
Расчет сложных трубопроводов
Сложный трубопровод в общем случае состоит из простых трубопроводов с последовательным и (или) параллельным их соединением (рис. 40а) или с разветвлениями (рис 40б). Отсюда получаются сложные кольц
Расчет магистральной линии.
Магистральная линия в общем случае рассчитывается как простой трубопровод с участками различного диаметра и переменным расходом.
Участок АВ:
Диаметр трубопровод
Основы расчета газопроводов
При движении газа по трубопроводам постоянного диаметра (d = const) давление падает из-за потерь энергии на трение.
Согласно уравнению неразрывности потока для сжимаемой
жидкости
Понятие о технико–экономическом расчете трубопровода
В технике нередко возникает задача перемещения заданного расхода жидкости с наименьшими экономическими затратами.
Стоимость транспортирования обычно складывается из двух составляющих –
Псевдоожиженные слои
Слой зернистого твердого материала, пронизываемый восходящим потоком жидкости или газа, может находиться в двух качественно различных стационарных состояниях. При фиктивной скорости
Пневмотранспорт и гидротранспорт
Потоки газа и жидкости используются в ряде химических производств для перемещения зернистых материалов с целью их транспортировки на различные расстояния, а также для осуществления физических и хим
Физическое моделирование аппаратов с мешалками
Найти трехмерные поля скорости и давления в аппарате с мешалкой путем аналитического решения уравнения движения (2.55) и неразрывности (2.16) даже в стационарном однофазном случае н
Пневматическое перемешивание
Пневматическое перемешивание сжатым инертным газом или воздухом является малоэффективным процессом. Расход энергии при пневматическом перемешивании больше, чем при механическом. Пер
Перемешивание в трубопроводах
Перемешивание в трубопроводах является наиболее простым видом осуществления этого процесса. В этом случае используется энергия турбулентного потока жидкости (газа), движущейся в тру
Отстаивание
Отстаивание применяют в промышленности для сгущения суспензий или классификации суспензий по фракциям частиц твердой фазы, для грубой очистки газов от пылей и для разделения эмульси
Отстойники
Отстаивание проводят в аппаратах, называемых отстойниками. Отстойники для сгущения суспензий называют сгустителями, а д
Расчет отстойников.
При расчете сгустителей основываются на скорости осаждения самых мелких частиц суспензии, подлежащих отделению, а при расчете классификаторов - на скорости осаждения тех частиц, которые должны быть
Осаждение под действием центробежных сил
Проводя процесс разделения гетерогенных систем под действием центробежных сил, можно существенно интенсифицировать его по сравнению с отстаиванием благодаря увеличению движущей силы
Циклоны и отстойные центрифуги
Циклоны. Циклонный процесс получил свое название от циклонов - аппаратов для разделения пылей. Позднее начали использовать работающие
Отстойные (осадительные) центрифуги.
Эти центрифуги применяют для разделения суспензий и эмульсий путем осаждения дисперсных частиц под действием центробежной силы. Кроме отстойных центрифуг в химической технологии ис
Расчет отстойных центрифуг непрерывного действия.
При расчете центрифуги можно рассматривать как отстойники, в которых скорость осаждения частиц в Крраз больше, чем при гравитационном осаждении (п
Очистка газов в электрическом поле
Осаждение дисперсных твердых и жидких частиц в электрическом поле (электроосаждение) позволяет эффективно очистить газ от очень мелких частиц. Оно основано на иониз
Электрофильтры
По форме электродов электрофильтры делятся на трубчатыеи пластинчатые, а в зависимости от вида удаляемых из газа частиц - на сухие
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Новости и инфо для студентов