к.с.-х.н., доцент Горькова И.В.
Классификация гидромеханических процессов Перемешивание Эффект разделения Осаждение
Гидромеханика изучает равновесие, движение и взаимодействие жидкости с погружёнными в неё или движущимися в ней телами. Гидромеханические процессы основаны на переносе импульса – именно этот признак объединяет указанные процессы в отдельную группу.
Процессы перемешивания жидкостных, газовых и других одно- и многофазных сред весьма широко применяются в химической и родственных технологиях. Перемешивание состоит в многократном относительном перемещении частиц среды и макрообъёмов относительно друг друга под действием импульса (количества движения), передаваемого ей побудителем – струёй жидкости или газа, мешалкой, насосом и т.д.
Существуют три основные цели использования процесса перемешивания: 1) получение однородных гомогенных и гетерогенных систем (растворов, суспензий, эмульсий, твёрдых и других смесей) с одинаковыми составами в разных точках рабочей зоны аппарата; 2) интенсификация тепло- и массообменных процессов в гомо- и гетерогенных системах; 3) интенсификация химических превращений.
Для сравнительной оценки различных перемешивающих устройств обычно используют две их наиболее важных характеристики: 1. Эффективность перемешивающего устройства, Э; 2. Интенсивность его действия, I. Эффективность перемешивающего устройства характеризует качество проведения процесса и может быть выражена по-разному, в зависимости от цели перемешивания. Но в любом случае она зависит от величины энергии, вводимой в перемешиваемую жидкость: где V – объем перемешиваемой жидкости, м 3 ; N – потребляемая мощность, Вт; τ – время процесса, сек.
Интенсивность перемешивания определяется временем достижения технологического результата или числом оборотов мешалки в единицу времени n при фиксированной продолжительности процесса (для механических мешалок):
Пневматическое перемешивание сжатым инертным газом или воздухом используют, когда перемешиваемая жидкость отличается большой химической активностью и быстро разрушает механические мешалки. Пневматическая мешалка
При транспортировании жидкости по трубам с большой скоростью происходит интенсивное перемешивание – турбуляция потока. Поэтому для перемешивания жидкостей, содержащихся в аппарате, достаточно установить циркуляционный насос, который в течение некоторого времени будет перекачивать жидкость. Циркуляционно-струйное перемешивающее устройство
Ультразвук значительно ускоряет растворение веществ как за счет образования потоков растворителя, так и за счет дробления растворяемого вещества. Применяется чаще всего в медицине для стерильного перемешивания небольшого количества вещества. Для получения акустических колебаний используются электромагнитные излучатели, а также гидродинамические устройства, действующие по принципу жидкостных сирен.
Якорная мешалка Самым распространенным способом перемешивания в жидких средах является механическое перемешивание, которое производится при помощи пропеллерных, лопастных, турбинных, якорных и рамных мешалок.
Все механические перемешивающие устройства можно разделить на две группы: тихоходные и быстроходные. Лопастные, (рис. 1 и 2), рамные (рис. 3) и якорные (рис. 4) мешалки относятся к тихоходным: частота их вращения составляет от 0,5 до 1,5 с -1.
Быстроходные мешалки создают радиальный, осевой и радиально-осевой потоки жидкости. Тихоходные создают окружной поток жидкости, т.е. жидкость вращается вокруг оси аппарата
К быстроходным относятся пропеллерные и турбинные мешалки: часто та их вращения составляет от 2 до 50 с -1. 1 – Пропеллерная, 2 - Турбинная
Вибрационные используются для перемешивания жидких смесей и суспензий в аппаратах, работающих под давлением. Поверхность жидкости остается спокойной, воронки не образуется. Мешалки имеют вал с закрепленными на нем Магнитные мешалки чаще используются в лабораториях для перемешивания небольших объемов жидкостей. одним или несколькими перфорированными дисками. Диски совершают возвратно-поступательное движение.
Под эффектом разделения понимают отношение массы данного компонента, выделенного из дисперсной фазы, к начальному его содержанию в смеси. Эффект разделения ( Эр) характеризует степень технического совершенства данного аппарата: где К Ч.Н. – масса дисперсной фазы в неоднородной системе (количество частиц начальное); К Ч.О. – масса выделенного вещества (например, перешедшее в осадок).
Процесс состоит в разделении суспензий на осветлённую жидкость и оса док. В идеале осветлённая жидкость не должна содержать твёрдых частиц. Влажный осадок состоит из твердых частиц в просветах между которыми находится то или иное количество жидкости. В основе процесса осаждения лежит явление отстаивание. Это явление реализуется в поле каких-либо массовых сил: такие силы, действующие на единицу объёма частиц и жидкости, должны быть не одинаковы – в этом и заключается условие разделения неоднородных систем методом осаждения. Условие разделения выполняется когда, плотности твёрдого материала ρ т и жидкости ρ различны, т.е. ρ т ≠ρ или обычно ρ т > ρ.
В условиях турбулентного режима ( Re ≥ 500): Re 2 = 3,03Ar, При ламинарном режиме Re ≤ 2 -формула Стокса Для определения расчетной скорости движения w p необходимо учесть влияние формы частиц и объемной концентрации суспензии путем введения коэффициентов ϕ и λ. Тогда расчётная скорость: w p = w oc ⋅ϕ⋅λ.
Осаждение под действием центробежных сил происходит в машинах, называемых центрифугами.
Под центробежным осаждением (центрифугированием)понимают процесс разделения неоднородных систем в поле центробежных сил с использованием сплошных или проницаемых для жидкости перегородок. Под действием центробежных сил суспензия разделяется на осадок и жидкую фазу, называемую фугатом. Осадок остается в роторе, а фугат удаляется из него. В отстойных центрифугах со сплошными стенками производится разделение эмульсий и суспензий по принципу отстаивания, причем сила тяжести заменяется на центробежную силу. Разделение эмульсий в отстойных центрифугах обычно называется сепарацией, а устройства в которых осуществляется этот процесс - сепараторами. При разделении суспензий в отстойных центрифугах различают процессы центробежного осветления и центробежного отстаивания. В первом случае из жидкости удаляются твердые примеси, содержащиеся в незначительном количестве (< 5%).
В фильтрующих центрифугах с проницаемыми стенками осуществляет ся процесс разделения суспензий по принципу фильтрования, причем вместо разности давлений используется действие центробежных сил. Таким образом, общие закономерности центрифугирования, отстаивания имеют сходство. Однако эти процессы в центрифугах протекают гораздо сложнее, т.к. вместо силы тяжести и разности давлений здесь действует центробежная сила, достигающая значительной величины.
Спасибо за внимание!
