В аппаратах большого объема устранение малоэффективных зон особенно важно, так как в подобных аппаратах количество застойных зон может быть большим, а сами зоны обширными.
Эффективное смешение сред является необходимым условием получения качественного готового продукта. Поэтому учет особенностей процесса смешения сред, выявление малоэффективных и застойных областей в аппаратах с мешалками и устранение этих областей является одним из способов повышения эффективности технологических процессов.
Анализ поля скоростей показывает, что в аппаратах с турбинными или лопастными мешалками образуются двуциркулярные течения, если мешалка расположена вблизи дна, и четырехциркулярное течение, если мешалка размещена посередине объема среды в аппарате. Среда отбрасывается мешалкой к середине аппарата, у стенки среда поворачивается вверх и вниз и далее разворачивается у поверхности и у дна аппарата и снова засасывается мешалкой, при этом образуется четырехциркулярное течение в меридиональной плоскости аппарата. Экспериментальные данные показывают, что скорости в области, находящейся примерно посередине между поверхностью среды и мешалкой в меридиональной плоскости, существенно меньше, чем в остальном объеме аппарата. То есть перемешиваемая среда в этой области чрезвычайно медленно смешивается со средой в остальной части объема. По существу, эта область является малоэффективной областью в аппарате, и смешение сред в этой области является лимитирующей операцией в технологическом процессе. Одним из способов устранения этой области с одновременным увеличением интенсивности вторичного течения является установка кольцевой вставки в эту область. Аппарат с кольцевой вставкой изображен на рисунке, на рисунке б дан разрез А — А.
Аппарат состоит из корпуса 1 с крышкой 2, на крышке установлен загрузочный патрубок 3, а на дне корпуса размещен загрузочный патрубок 4, двигатель 5 жестко связан с валом б, на котором установлена мешалка 7 соосно оси аппарата и тороидальной вставке 8 с турбулизирующими выступами 9, при этом турбулизирующие выступы размещены на внешней поверхности тороидальной вставки. Аппарат снабжен установленным между двигателем и валом мешалки приводом 10.
- Аппарат с кольцевой вставкой: а) продольный разрез; б) разрез А-А
Аппарат работает следующим образом. Реагенты поступают в аппарат через загрузочный патрубок 3 в корпус 1, двигатель 5 приводит во вращение вал 6 и связанную с ней мешалку 7, реагенты выбрасываются мешалкой радиально к боковой стенке, далее поток поворачивает около боковой стенки вверх, огибает тороидальную вставку 8, проходит в зазорах между турбулизирующими выступами 9 и засасывается мешалкой. Так как тороидальная вставка занимает часть объема, а насосный эффект мешалки практически не изменился, то скорости в меридиональной плоскости возрастут, поскольку поперечное сечение, через которое проходит вторичный поток, уменьшилось. Соударение потока с турбулизирующими выступами приведет к резкому возрастанию энергии турбулентности в области тороидальной вставки, как раз в той области, в которой она была наименьшей. Кроме того, выступы гасят азимутальную скорость вблизи поверхности и ликвидируют воронку на свободной поверхности. Обычно для ликвидации воронки на свободной поверхности используют перегородки у стенки аппарата, но при этом азимутальная скорость сразу же гасится в потоке после выхода его из-под лопастей мешалки и достижения стенки, то есть практически во всем объеме аппарата. В предложенном аппарате азимутальная скорость практически во всем объеме аппарата сохраняется, за исключением узкой области вблизи поверхности, что приводит к интенсификации процессов смешения. Следует отметить, что по сравнению с гладкостенными аппаратами уменьшение рабочего объема из-за установки вставки компенсируется объемом занимаемой ранее воронкой.
Второй малоэффективной зоной в аппаратах с мешалками является область стенки аппарата. Установка отражающих перегородок приводит к образованию застойных зон за перегородками. Кроме того, наличие отражающих перегородок приводит к резкому возрастанию потребляемой мощности, затрачиваемой на смешение сред. Следовательно, необходимо, с одной стороны, турбулизировать поток вблизи стенок, а с другой стороны, ликвидировать все застойные зоны и по возможности снизить потребляемую мощность на перемешивание. На рисунке а представлен в разрезе аппарат, удовлетворяющий этим требованиям, на рисунке б — часть корпуса в изометрии.
- Аппарат с направляющими на боковой стенке:
а) продольный разрез; б) часть боковой стенки
Аппарат содержит цилиндрический корпус 1 с днищем 2, патрубок 3 ввода компонентов и патрубок 4 вывода готового продукта. На оси аппарата установлен вал 5, соединенный с приводом 6, на валу установлена мешалка 7. На стенке корпуса установлены отражательные перегородки 8 по всей его высоте. Перегородки выполнены зигзагообразно с разрывами 9 в вершинах зигов. Разрывы в вершине угла, обращенного в сторону вращения мешалки, являются струеобразующими зазорами 10, а разрывы, находящиеся в вершине угла, обращенного против вращения мешалки, являются проточными зазорами 11.
Аппарат работает следующим образом. Через патрубок 3 внутрь корпуса 1 подают компоненты. Поток жидкости от мешалки 7 отбрасывается к боковой стенке корпуса, часть потока опускается вниз, доходит до дна и засасывается мешалкой снизу, а часть поворачивает вверх и засасывается мешалкой сверху, при этом в меридиональной плоскости образуются два контура циркуляции. Поток жидкости, отбрасываемый к боковой стенке корпуса при своем вертикальном движении, сталкивается с перегородками 8, движется вдоль них. Часть потока направляется в струеобразующие зазоры 10, из которых далее поток, двигаясь вдоль пластин 12, совершает спиралевидное движение вдоль корпуса вниз, при этом возникает интенсивный спиралевидный поток, омывающий стенки. Так как поток, движущийся вдоль стенки, направлен в другую сторону, чем поток, образующий циркуляционное течение, то взаимодействие этих потоков приводит к резкой интенсификации энергии турбулентных пульсаций вблизи стенки, а также к гашению азимутальной компоненты скорости в узкой области вблизи стенки (не во всем потоке, как в общепринятом аппарате с перегородками). При этом именно заторможенные в азимутальном направлении слои среды поступают на свободную поверхность среды и гасят воронку. Следует отметить, что спиралевидное течение вблизи стенок может быть направлено в ту же сторону, что и основной поток. Тогда интенсивность вторичного движения возрастает, однако гашение воронки на поверхности среды не будет столь эффективным.