Исследование процесса перемешивания в жидкой среде

Цель работы — ознакомление с методами экспериментального изучения эффективности перемешивания в процессах получения эмульсий (суспензий) и способами приближенного моделирования движения жидкости в гладкостенном цилиндрическом сосуде с вращающейся мешалкой.

Общие сведения

Перемешивание играет существенную роль в интенсификации многих процессов Обновление и увеличение поверхности контакта взаимодействующих фаз, равномерное распределение одной фазы в другой способствует более полному и быстрому протеканию различных физико-химических процессов. В процессах, сопровождающихся теплообменом, перемешивание увеличивает коэффициент теплоотдачи, выравнивает температуру, уменьшает возможность перегрева и пригорания. Перемешивание используется и как самостоятельный процесс при приготовлении различных смесей, эмульсий, компацидирования нефтепродуктов и т. д.

Эффективность перемешивания

Наиболее важными характеристиками перемешивающих устройств являются:

• * эффективность перемешивающего устройства;
• * интенсивность его действия или потребляемая мощность.

Эффективность перемешивающего устройства характеризует качество проведения процесса перемешивания и может быть выражено по-разному, в зависимости от цепи перемешивания. Например, в процессах получения суспензий эффективность перемешивания характеризуется степенью равномерности распределения твердой фазы в объеме аппарата; при интенсификации тепловых и диффузионных процессов — отношением коэффициентов тепло или массоотдачи при перемешивании и без него.

При перемешивании легко расслаивающихся смесей экспериментально устанавливаются зависящие от числа оборотов мешалки изменения состава по высоте аппарата. Чем ближе ко дну аппарата, тем выше концентрация тяжелого компонента. При применении перемешивания для получения эмульсий эффективность характеризуется также величиной дисперсной фазы.

Пусть, например, в аппарат находятся расслаивающиеся жидкости — вода и трансформаторное масло. Обозначим V_в и V_м объемы соответственно воды и масла. Если при работающей мешалке будет достигаться полное перемешивание, т. е. равномерное распределение фаз по всему объему жидкости, то содержание воды (тяжёлого компонента) в любой пробе полученной смеси, взятых из различных зон аппарата, составит (в массовых долях):

(1).

где с_в, с_м — плотность воды и масла.

При недостаточно полном смешении фал содержание воды в различных пробах будет отличаться от х_ср. Можно отобрать ряд проб по высоте во время перемешивания и определить концентрации. Степень их отклонения от средней концентрации х_ср является мерой эффективности перемешивания. Эту степень можно определять статистическими методами.

Здесь рассмотрим простой эмпирический метод.

Для тех мест, где (верхние слои жидкости) отклонения определяют следующим образом:

перемешивание жидкая среда.

. (2).

Для тех мест, где (нижние слои жидкости) отклонения находят как:

. (3).

При таких определениях все значения х_i < 1. Среднее арифметическое этих отклонений называют «индексом перемешивания».

. (4).

Индекс перемешивания может служить мерой эффективности перемешивания. Он зависит от числа оборотов мешалки h, а также от расхода мощности N на единицу объема, перемешиваемой жидкости V. Величина I может изменяться от нуля до единицы. Когда достигается режим, близкий к полному перемешиванию значение I приближается к единице. Индекс перемешивания мал при низком удельном расходе мощности (N/V). При увеличении отношения N/V значение I быстро увеличивается.

Выполнение лабораторной работы предполагает построение зависимости индекса перемешивания от отношения N / V.