Проектирование смесителя непрерывного действия

Введение

 

Перемешивание широко применяется в химической промышленности для приготовления  суспензий, эмульсий и растворов. Посредством  перемешивания достигается тесное соприкосновение частиц и непрерывное  обновление поверхности взаимодействия веществ. Вследствие этого при перемешивании  значительно ускоряются процессы массообмена, например растворение твердых веществ  в жидкостях, процессы теплообмена  и протекание многих химических реакций. Перемешивание используют для ускорения  абсорбции, выпаривания и других основных процессов химической технологии.

Наиболее  распространенным способом перемешивания  в жидких средах является механическое перемешивание при помощи мешалок, снабженных лопастями той или  иной формы. Помимо механического перемешивания, применяют также перемешивание сжатым воздухом. Иногда жидкости перемешивают многократным перекачиванием их насосом через аппарат, т.е. путем циркуляции в замкнутом контуре. Оба последних способа требуют сравнительно большого расхода энергии, а перемешивание воздухом сопряжено также с возможным окислением или испарением продуктов.

Механические  мешалки подразделяются на следующие подгруппы: 1) лопастные – с плоскими лопастями, 2) пропеллерные – с винтовыми лопастями, 3) турбинные, 4) специальные (якорные, барабанные и др.).

Наиболее  эффективны турбинные мешалки открытого  и закрытого типов.

Целью данной курсовой работы является изучение процесса перемешивания и проектирование турбинной мешалки закрытого типа, а задачей - рассчитать геометрические размеры смесителя.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Литературный обзор

1. Общие сведения

 

Перемешивание в промышленных условиях – это  процесс перераспределения вещества в данном ограниченном объёме с помощью  специальных устройств.

Основные  цели перемешивания:

• получение однородных смесей сухих и увлажнённых порошков;
• получение жидких неоднородных систем (суспензий, эмульсий, пен и т.д.);
• дополнительное диспергирование (дробление);
• выравнивание температурных градиентов;
• гомогенизация систем (греч. – однородный, придание однородности состава и свойств);
• создание условий, ускоряющих химические превращения.

Способ  перемешивания и аппаратура для  его проведения определяются агрегатным состоянием смешиваемых фаз и  целью перемешивания.  Для выбора и конструирования смесительных устройств и с целью получения  оптимального режима смешения необходимо знание основных свойств материалов и их влияние на процесс смешения (насыпная плотность, гранулометрический состав, сыпучесть материала, угол внутреннего  трения и т.д.).

Различают два основных способа перемешивания:

•   механический (с помощью мешалок);
•   пневматический (с помощью сжатого воздуха – барботаж).

Основными характеристиками любого процесса перемешивания  являются расход энергии и эффективность  перемешивания.

Под  интенсивностью перемешивающего аппарата понимают время, затраченное для достижения заданного результата или скорость вращения мешалки.

Под эффективностью перемешивающего аппарата понимают затрату энергии для достижения необходимого результата, которая характеризует качество проведения процесса.

В различных процессах эффективность  перемешивания определяется по-разному. Например, при суспендировании эффективность  перемешивания характеризуется  равномерностью распределения твердых частиц в жидкости и скоростью достижения достаточной равномерности. Если перемешивание применяется для интенсификации теплообмена, эффективность перемешивания может определяться возрастанием коэффициента теплоотдачи в перемешиваемой среде.

 

 

2. Классификация смесителей

 

Смешивание  сухих сыпучих материалов и порошкообразных  веществ, а также густых и вязких масс и пастообразных материалов производится в смесителях разнообразных  конструкций.

Смесители могут быть разделены на следующие  группы:

1. смесители с вращающимся корпусом (барабанные);
2. смесители с вращающимися лопастями различной формы (одновальные и двухвальные шнековые смесители);
3. циркуляционные смесители интенсивного действия.

Механические  мешалки для перемешивания в жидких средах разделяются по устройству лопастей на следующие группы:

1. лопастные (с плоскими лопастями);
2. пропеллерные (с винтовыми лопастями);
3. турбинные (открытые о закрытые);
4. специальные (якорные, барабанные и др.). 

 

3. Смесители с вращающимся корпусом

 

К смесителям с вращающимся корпусом относятся барабанные смесители, применяемые  для периодического и непрерывного смешивания сухих порошкообразных  веществ.

 

1 - барабан; 2 - бандажи; 3 - спиральные  перегородки; 4 - продольные полки; 5 - ролики; 6 - шнек.

Рисунок 1- Барабанный смеситель

 

Барабанный  смеситель (рисунок 1) представляет собой барабан 1 с двумя бандажами 2, который вращается на роликах 5, делая 6-8 об/мин.

Для лучшего смешивания материала на внутренних стенках барабана укреплены  косые спиральные перегородки 3, а  внутри него – несколько продольных полок 4 с перегородками. Загрузка и  выгрузка материала производятся при  помощи шнека 6, который при загрузке вращается в одном направлении, а при выгрузке – в противоположном. Направление вращения шнека изменяется посредством ручного приспособления.

Смесители барабанного типа являются тихоходными, циркуляция смешиваемого материала  в них малоинтенсивна и продолжительность  смешивания значительна. Поэтому барабанные смесители вытесняются аппаратами более интенсивного действия.

 

4. Смесители с вращающимися лопастями различной формы

 

Для непрерывного смешивания сыпучих, пластических и липких материалов применяют одновальные и двухвальные шнековые смесители.

Двухвальный шнековый смеситель (рисунок 2) состоит  из горизонтального корыта 1, в котором  с неодинаковой скоростью вращаются  два параллельных вала 2 с лопатками. На валах укреплены поочередно прямые перемешивающие лопатки 3 и транспортирующие лопатки 4, изогнутые по

 

 

1 - корыто; 2 - вал; 3 - перемешивающие лопатки; 4 - транспортирующие лопатки; 5, 6 - воронки; 7 - лопастное колесо.

 

Рисунок 2 – Двухвальный шнековый смеситель

 

винтовой линии. Материал поступает  через воронку 5 и движется, перемешиваясь, вдоль переднего вала 2, а затем  передается лопастным колесом 7 на задний вал и движется вдоль него в обратном направлении. Готовая смесь выгружается через воронку 6. при закрытии этой воронки смеситель может работать как аппарат периодического действия.

Смесители с вращающимися лопастями и неподвижным  корпусом также тихоходны.  Вследствие  небольшой  скорости  вращения  лопастей  (n = 10-50 об/мин) и одновременного воздействия лопастей лишь на небольшую долю объема обрабатываемого материала смесители этого типа также не являются высокоэффективными аппаратами и смешивание в них довольно длительно.

 

5. Циркуляционные смесители интенсивного действия

 

В последнее время разработаны  конструкции быстроходных смесительных аппаратов, в которых использован принцип интенсивной циркуляции смешиваемых материалов в распыленном состоянии.

Для получения смесей порошкообразных  веществ, главным образом в производстве пластических масс, применяют смесители, в которых обрабатываемые материалы  подвергают аэрации, чтобы смесь  по своей подвижности приближалась к жидкости.

 

1-корпус;  2-ротор; 3-масляная рубашка; 4-статор; 5-электродвигатель; 6-лопасти ротора.

Рисунок 3 – Циркуляционный смеситель

В корпусе 1 циркуляционного смесителя  такого типа (рисунок 3) быстро вращается  ротор 2 в виде кольцевого диска с  четырьмя лопастями 6 (две верхние  и две нижние). Две верхние лопасти  при вращении ротора засасывают воздух из воздушной подушки, создаваемой  над перемешиваемым материалом. При  проникании некоторого количества воздуха  в массу сыпучего материала начинается циркуляция этого материала в  аппарате. Ротор вращается внутри кольцевого неподвижного диска 4 с пальцами (статор). При прохождении частиц сыпучего материала между ротором и статором в материале создаются значительные срезающие напряжения, способствующие эффективному смешиванию компонентов сыпучей смеси. Окружная скорость ротора не превышает 40-60 м/сек, поэтому смешивание не сопровождается измельчением материала, которое происходит в дезинтеграторах.

Смесь удаляется двумя нижними лопастями  ротора через патрубок. Привод ротора осуществляется от электродвигателя 5.

Смешиваемый в таком аппарате материал нагревается  в следствии теплоты трения, выделяющейся при вращении ротора. Если требуется дополнительный подогрев смешиваемого материала, он может быть нагрет через стенку корпуса смесителя, снабженного масляной рубашкой 3 с электрообогревом.

На  рисунке 4 показан смеситель центробежного  действия, в котором возможно тщательное смешивание сыпучих материалов при  относительно небольшом расходе  энергии, обусловленном малой длительностью  смешивания и высокой производительностью  единицы объема аппарата.

 

1-корпус; 2-конус; 3-свободно вращающиеся лопасти; 4-ножи; 5-окна; 6-скребок; 7-тормоз.

 

Рисунок 4 – Смеситель центробежного действия

 

Смеситель состоит из корпуса 1, внутри которого вращается на вертикальной оси открытый полый конус 2, обращенный большим основанием кверху. Смешиваемый материал перемешивается по внутренней поверхности конуса снизу вверх под действием центробежных сил инерции, выбрасывается из конуса и образует взвешенный слой, внутри которого происходит интенсивное смешивание компонентов. Частицы смеси опускаются на днище корпуса и через окна 5 вновь поступают в конус 2. Таким образом в аппарате создается интенсивная циркуляция сыпучего материала, способствующая его быстрому и тщательному смешиванию.

   При перемешивании внутри конуса материал встречает на своем пути ножи, укрепленные на свободновращающейся раме с лопастями 3. Лопастям сообщается часть кинетической энергии движущегося материала, благодаря чему они начинают вращаться со скоростью, значительно меньшей скорости вращения конуса 2. Лопасти 3 смешивают материал в кольцевом пространстве между конусом и корпусом смесителя и направляют часть его в окна 5. Скорость вращения лопастей регулируют тормозом 7. Чтобы устранить слеживание материала возле днища корпуса, вместе с конусом 2 вращается наклонный скребок 6. Смесь выгружается через люк, имеющийся в днище корпуса смесителя.

В циркуляционных смесителях достигается  более высокая однородность смеси, а продолжительность смешивания сокращается в несколько раз  по сравнению с длительностью  смешивания в смесителях других типов.

 

6. Лопастные мешалки

 

Простейшие  лопастные мешалки имеют две  плоские лопасти, установленные  в вертикальной плоскости, т.е. перпендикулярно  к направлению вращения (рисунок 5). Лопасти укреплены на вертикальном валу, который приводится во вращение от зубчатой или червячной передачи и делает 12-80 об/мин. Диаметр лопастей составляет примерно 0,7 диаметра сосуда, в котором вращается мешалка.

 

 

а – стальная; б – чугунная.

 

Рисунок 5 – Лопастные мешалки

При малых числах оборотов мешалки жидкость совершает круговое движение, т.е. вращается  по окружностям, лежащим в горизонтальных плоскостях, в которых движутся лопасти. В этих условиях отсутствует смешивание различных слоев жидкости и интенсивность  перемешивания низкая.

Интенсивное перемешивание достигается в  результате появления вторичных  потоков и вихревого движения жидкости. Вторичные потоки возникают  под действием центробежных сил, вызывающих движение жидкости в плоскости  вращения лопасти от центра сосуда к его стенкам. Вследствие этого  в центре сосуда возникает пониженное давление, причем в область пониженного  давления всасывается жидкость из слоев, лежащих выше и ниже лопасти. В результате в сосуде происходит циркуляция жидкости, показанная стрелками на рисунке 6. Интенсивность перемешивания возрастает с увеличением числа оборотов; однако еще быстрее увеличивается мощность, потребляемая мешалкой.

 

 

Рисунок 6 – Циркуляция жидкости при перемешивании  лопастными мешалками

 

При круговом движении жидкости на ее поверхности  под действием центробежной силы образуется воронка (рисунок 6), глубина  которой возрастает с увеличением  числа оборотов. Образование воронки  ведет к ухудшению использования емкости сосуда.