Рассматриваются особенности применения диссольверов для совмещения процессов перемешивания и диспергирования
диссольвер, перемешивание, измельчение, диспергирование, гомогенизация
Перемешивание широко применяется в химической и других отраслях промышленности для получения однородных смесей, а также для увеличения поверхности контакта фаз при проведении химических реакций, массообменных процессов и для интенсификации теплообмена.
Выбор способа перемешивания и аппаратуры для его проведения определяется целью перемешивания, агрегатным состоянием и свойствами перемешиваемых материалов, производительностью технологической линии, температурными параметрами процесса и давлением, при котором процесс осуществляется. Такое многообразие факторов, влияющих на выбор конструкции, затрудняет задачу оптимального проектирования аппаратов. Различают следующие основные способы перемешивания в жидких средах: механическое, пневматическое, гидродинамическое и перемешивание с помощью ультразвука.
Механическое перемешивание проводится в аппаратах, состоящих, как правило, из корпуса, перемешивающего устройства и его привода, и носящих общее название аппаратов с мешалками. В частных случаях эти аппараты могут называться реактором, автоклавом и т. п.
Мешалки являются основными рабочими элементами аппаратов для перемешивания. При выборе конструкции мешалки следует отдавать предпочтение стандартизованным вариантам, описанным в нормативной литературе [1, 2].
Практический интерес представляет совмещение процесса перемешивания с диспергированием – тонким измельчением твердых или жидких частиц. Осуществление этих процессов при помощи одного перемешивающего устройства в одном аппарате, называемом диспергатором или диссольвером, позволяет значительно уменьшить продолжительность технологического процесса и капитальные затраты на оборудование за счет исключения мельниц.
Можно отметить, что диспергирование твердой фазы является весьма затратным и энергоемким процессом, значительно влияющим на свойства и себестоимость выпускаемой продукции, которая зависит от реализуемой степени измельчения.
Известно [3], что для диспергирования и гомогенизации можно использовать мешалки, обеспечивающие высокие напряжения сдвига. Наиболее простой мешалкой рассматриваемого типа является диск (рисунок 1, а), который может работать при высоких окружных скоростях (5–35 м/с). Энергия перемешивания передается жидкости в непосредственной близости от диска в результате трения диска о жидкость (рисунок 1, б). Ввиду больших окружных скоростей вокруг диска возникают большие градиенты скоростей, что приводит к возникновению высоких напряжений сдвига. Происходят явления, аналогичные тем, которые имеют место в коллоидных мельницах.
Рисунок 1 – Мешалки, создающие высокие напряжения сдвига: а – гладкий диск;
б – принцип действия дисковой мешалки.
Дополнительный эффект сдвига может быть получен, если по окружности диска сделать соответствующие надрезы. Например, стандартные зубчатые мешалки (рисунок 2) конструктивно схожи с дисковой пилой или фрезой и могут применяться не только для перемешивания, но и для диспергирования твердых частиц в жидкости и гомогенизации суспензий. Размер твердых частиц в суспензии после диспергирования зависит от многих факторов и, как правило, колеблется в пределах от 60 до 90 мкм [4].
Рисунок 2 – Зубчатая мешалка
Высота a и диаметр основания зубьев d1 связаны с диаметром мешалки dм соотношениями a=0,1dм; d1=0,8dм. Остальные размеры указаны в [1].
Соотношение суммарных площадей лобовых поверхностей лопастей на верхней и нижней сторонах диска (отношение числа лопастей на верхней и нижней сторонах диска) рекомендуется принимать равным 5:3.
Несмотря на то, что диссольверы схожи по конструкции с аппаратами с механическими вращающимися мешалками, для их работы требуются двигатели значительно больших мощностей, чем у обычных смесителей. Разница мощности двух установок основана на разном предназначении оборудования. Диссольвер используется, прежде всего, для процесса диспергирования твердых частиц в жидкость, т.е. для их измельчения. Если для образования суспензии твердых частиц в жидкость при смешении двух фаз затрачиваемая удельная мощность в среднем составляет 1 Вт/кг, то при измельчении ее значение изменяется в диапазоне от 10 до 100 Вт/кг. Если мощность устройства недостаточна, то происходит перемешивание суспензии без измельчения твердой фазы.
Еще одной особенностью диссольверов дискового типа является слабая циркуляция жидкости в сосуде и малая зона действия зубчатой мешалки. Так как измельчение происходит только в зоне фрезы, необходимо обеспечение циркуляции двухфазной среды через зону измельчения. С этой целью в аппарате устанавливают дополнительные мешалки [5], как правило, винтовые, шнековые или с наклонными лопастями, которые могут иметь отдельный привод (рисунок 3). Однако это приводит к существенному удорожанию конструкции аппарата, усложнению его обслуживания и возрастанию энергозатрат на перемешивание.
Рисунок 3 – Варианты исполнения
промышленных диссольверов
В некоторых случаях используют многоярусные перемешивающие устройства, у которых на одном валу закрепляют несколько дисков на разной высоте.
При наличии теплообменной рубашки для увеличения коэффициента теплоотдачи к перемешиваемой среде и предотвращения отложения осадка на внутренней поверхности аппарата используют якорные и рамные мешалки.
Для организации осевой циркуляции жидкости в аппарате и предотвращения оседания твердой фазы на дно также можно использовать циркуляционный насос совместно с эжектором (эдуктором), установленным на входе жидкости в аппарат. Это позволяет увеличить кратность циркуляции жидкости в 4-5 раз (рисунок 4).
Правильно подобранный диссольвер должен обеспечить возможность получения продукта не только с низкой величиной среднего диаметра частиц, но также и с узким распределением их размеров. Совмещение функций измельчения и перемешивания в диссольверах гарантирует высокое качество конечного продукта.
Большое значение для эффективности процесса диспергирования имеет величина окружной скорости вращения диска. Введение твердой фазы в систему целесообразно проводить на малых скоростях. При диспергировании скорость вращения фрезы должна быть такой, чтобы образовалась воронка, в основании которой было бы видно основание фрезы.
Рисунок 4 – Использование эдуктора для
организации циркуляции жидкости
На эффективность процесса при прочих равных условиях (окружная скорость фрезы, наполнение и вязкость суспензии) также значительное влияние оказывают конфигурация и соотношения геометрических размеров всей измельчающей системы. Согласно [4], геометрические пропорции системы диспергирования сопоставляются с диаметром мешалки dм следующим образом (рисунок 5):
– диаметр аппарата
D = (1,30 ÷ 3,00)dм;
– оптимальный диаметр аппарата
Dопт = (2,00 ÷ 2,50)dм;
– расстояние от фрезы до дна аппарата
h = (0,25 ÷ 0,50)dм;
– статистическая высота суспензии
hст = (0,50 ÷ 1,50)dм.
При выполнении вышеперечисленных кинетико-геометрических условий и обеспечении достаточно высокой вязкости суспензии в диссольвере, двухфазная среда подвергается специальному режиму течения “doughnut” (пончик), при котором среда ускоряется наружу от острия диска диспергатора (рисунок 5). При ударе о стенку сосуда поток делится на две части. Та, что движется вниз, течет обратно к середине диска диспергатора вдоль дна сосуда и снова поднимается, повторно попадая в зону измельчения. В рамках контуров циркуляции масса многократно протекает через зону измельчения фрезы, а находящиеся в ней агломераты подвергаются постепенному измельчению.
При необходимости последовательной обработки нескольких пигментных паст целесообразно использовать поворотные диссольверы.
В стандартном исполнении такой диссольвер способен поворачиваться на 180о, хотя существуют модели для работы с двумя, тремя, четырьмя емкостями, обеспечивающие поворот вала диссольвера на угол до 360о.
Рисунок 5 – Режим течения жидкости
“doughnut” в диссольвере
Стоимость поворотных диссольверов превышает стоимость стационарных аналогов. Однако, при необходимости диспергирования различных реагентов в двух, трех или четырех стационарных емкостях, один поворотный диссольвер обойдется дешевле, нежели несколько стационарных. Кроме того, следует принимать в расчет и экономию производственных площадей.
1. АТК 24.201.17-90. Мешалки. Типы, параметры, конструкция, основные размеры и технические требования.
2. ГОСТ 20680-2002. Аппараты с механическими перемешивающими устройствами. Общие технические условия.
3. Стренк, Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками: Пер. с польск. / Под ред. И. А. Шупляка. – Л. : Химия, 1975. - 384 с.
4. Рыбин, Н. В. Подбор диспергирующего оборудования для производства пигментированных лакокрасочных мате-риалов / Н. В. Рыбин. – Текст : электронный // Технология производства ЛКМ. – 2022. – URL: https: //www.himtek-yar.ru/useful/lkm_ technology/1669/ (дата обращения: 28.10.2024).
5. Диссольверы / – Текст : электронный // НПО АГРОМАШ. – URL: https://www.agro-mash.ru/AGROMASH/PISHEVOE/Dissolver.html?ysclid=m3gwbtflov310556626 (дата обращения 28.10.2024).
