Кіріспе

Гетерогенді қоспаны біртекті ету үшін механикалық араластыру процесі. Өнеркәсіптік процестерде араластыру – гетерогенді физикалық жүйені біртекті ету мақсатымен манипуляциялауды қамтитын бірлік операциясы. Көрінетін мысалдарға, су температурасын біртекті ету үшін бассейнге су сору және кесектерді жою үшін қамырды араластыру (дезагломерация) жатады. Араластыру бір немесе бірнеше ағын, компонент немесе фаза арасында жылу және/немесе масса алмасуына жағдай жасау үшін жүзеге асырылады. Қазіргі заманғы өнеркәсіптік өңдеу процесінің басым бөлігі араластырудың қандай да бір түрін қамтиды. Химиялық реакторлардың кейбір түрлері де араластырғыштар болып табылады. Тиісті жабдықтар болған жағдайда, қатты, сұйық немесе газды басқа қатты, сұйық немесе газбен араластыруға болады. Биожанармай ферментаторында микробтарды, газдарды және сұйық ортаны араластыру қажет болуы мүмкін; органикалық нитраттау үшін шоғырланған (сұйық) азот және күкірт қышқылы гидрофобты органикалық фазамен араластырылуы тиіс; фармацевтикалық таблеткаларды өндіру үшін қатты ұнтақтарды араластыру қажет. Араластырудың кері процесі – бөліну. Сегрегацияның классикалық мысалы – бразилиялық жаңғақ эффектісі. Араластыру математикасы жоғары абстрактілі, ол эргодикалық теорияның бөлігі, ал ол өзі хаос теориясының бөлігі болып табылады.

Араластыруды жіктеу

Араластыру кезінде қолданылатын операциялар мен жабдықтардың түрі, араластырылатын материалдардың күйіне (сұйық, жартылай қатты немесе қатты) және өңделетін материалдардың бір-бірімен қосылу қабілетіне байланысты. Осы ретте, араластыру процесі, арақастыру немесе қамыру сияқты әрекеттермен бірдей болуы мүмкін.

Бір фазалы араластыру

Бір-бірімен жақсы араласатын немесе кем дегенде бір-бірінде еритін сұйықтықтарды араластыру инженерлік саласында (және күнделікті өмірде) жиі кездеседі. Мысалы, шай немесе кофеге сүт немесе қаймақ қосу – осыған жатады. Екі сұйықтық та су негізінде болғандықтан, олар бір-бірімен оңай ериді. Қосылған сұйықтықтың қозғалысы кейде оларды араластыру үшін жеткілікті турбуленттілік тудырады, себебі екі сұйықтықтың да тұтқырлығы салыстырмалы түрде төмен. Қажет болған жағдайда, араластыру процесін аяқтау үшін қасық немесе аралағыш пайдалануға болады. Ал бал сияқты жоғары тұтқырлыққа ие сұйықтықты араластыру үшін бірдей біртектілікке қол жеткізу үшін бірлік көлемге көбірек араластыру күші қажет болады.

Қатты-қатты қоспа

Құрғақ араластырғыштар – өнеркәсіптік араластырғыштардың бір түрі, олар әдетте бірнеше құрғақ компоненттерді біртектілікке дейін араластыру үшін қолданылады. Көбінесе өнімнің құрамын өзгерту үшін құрғақ қоспаға аздаған мөлшерде сұйықтар қосылады. Құрғақ ингредиенттерді араластыру уақыты көбінесе қысқа (15–30 минут) болады, бірақ бұл әр компоненттің пайыздық үлесіне және олардың көлемдік тығыздығының айырмашылығына байланысты өзгереді. Таспалы, қалақты, домалап түсетін және тік араластырғыштар қол жетімді. Дәрі-дәрмектер, азық-түлік өнімдері, химиялық заттар, тыңайтқыштар, пластиктер, пигменттер және косметика сияқты көптеген өнімдер осы конструкцияларда өндіріледі. Құрғақ араластырғыштардың сыйымдылығы жарты куб метрлік зертханалық үлгілерден бастап 500 куб метрлік өндірістік агрегаттарға дейін жетеді. Көптеген өндірушілер әртүрлі ат күші және жылдамдық комбинацияларын, сондай-ақ санитарлық жабын, вакуумдық конструкция, арнайы клапандар және қақпақтар сияқты қосымша мүмкіндіктерді ұсынады. Ұнтақтарды араластыру – қатты заттарды өңдеу өнеркәсібіндегі ең көне процестердің бірі. Он жылдар бойы ұнтақтарды араластыру тек көлемді материалдарды біртекті ету үшін қолданылып келді. Әртүрлі қасиеттері бар материалдарды өңдеу үшін көптеген машиналар жасалған. Осы машиналармен алынған тәжірибе негізінде, сенімді жабдықтарды құрастыру және масштабтау мен араластыру мінез-құлқын болжау үшін инженерлік білімдер жетілдірілді. Бүгінде осы араластыру технологиялары өнім сапасын жақсарту, бөлшектерді қаптау, материалдарды біріктіру, ылғалдандыру, сұйықтықта тарату, агломерациялау, материалдардың функционалдық қасиеттерін өзгерту және т.б. сияқты көптеген қолдану салаларында қолданылады. Араластыру жабдықтарының осы кең спектрі жабдықтар мен процестерді оңтайлы таңдау үшін жоғары білім деңгейі, ұзақ тәжірибе және кеңейтілген сынақ жабдықтарын талап етеді. Қатты-қатты араластыруды үзіліспен жұмыс істейтін араластырғыштарда жасауға болады, бұл араластырудың ең қарапайым түрі, немесе кейбір жағдайларда үздіксіз құрғақ араластыруда, бұл күрделірек, бірақ бөліну, сыйымдылық және растау тұрғысынан тиімді артықшылықтар береді. Қатты-қатты араластыру процесінің бір мысалы – құйма құмды араластыру, онда құм, бентонит сазы, ұсақ көмір шаңы және су пластикалық, қалыптауға және қайта пайдалануға болатын массаға араластырылады, ол металл құймаларын алу үшін құюға және құймаға қолданылады, бұл автомобиль, машина құрылысы, құрылыс және басқа да салаларда қолданылатын металл бөлшектері.

Араластыру механизмдері

Ұнтақта араластыру процесінде екі түрлі араласу деңгейін анықтауға болады: конвективті араластыру және интенсивті араластыру. Конвективті араластыру кезінде араластырғыштағы материал бір жерден екінші жерге тасымалданады. Бұл типтегі араластыру араластырғыштың ішінде нашар реттелген күйге алып келеді, араластырылуға тиіс компоненттер басқа компоненттер арасында таралады. Уақыт өте келе қоспа көбірек кездейсоқ ретке келтіріледі. Белгілі бір араластыру уақытынан кейін толық кездейсоқ күйге жетеді. Әдетте, бұл типтегі араластыру еркін ағып тұратын және ірі материалдар үшін қолданылады. Макроараластыру кезіндегі ықтимал қауіп – компоненттердің қайта бөлінуі, себебі әртүрлі бөлшектердің мөлшері, пішіні немесе тығыздығындағы айырмашылықтар олардың бөлінуіне әкелуі мүмкін. Материалдар ұйымшақ болған кезде, мысалы, ұсақ бөлшектер және ылғалды материалдар үшін, конвективті араластыру кездейсоқ реттелген қоспа алу үшін жеткіліксіз болады. Бөлшектер арасындағы күшті байланыс кесектерді құрайды, олар конвективті араластырғыштағы әлсіз тасымалдау күштерімен бұзылмайды. Кесектердің мөлшерін азайту үшін қосымша күштер қажет, яғни жоғары энергияны қажет ететін араластыру керек. Бұл қосымша күштер соққы күштері немесе серпімді күштер болуы мүмкін.

Сұйық-тұйық қоспа

Сұйық-қатты қоспалау әдетте ірі, еркін ағатын қатты заттарды суспензияда ұстау үшін, немесе ұсақ, біріккен қатты заттардың кеуектерін бөлшектеу үшін жасалады. Мысалы, бірінші жағдайда қант ұнтағын суға араластыру, ал екінші жағдайда ұн немесе құрғақ сүтті суға араластыру. Бірінші жағдайда бөлшектер сұйықтың күшті қозғалысы арқасында суспензияға көтеріліп, бір-бірінен ажыратылады; екінші жағдайда араластырғыш (немесе оның жанындағы жоғары серпілісті аймақ) кеуектерді тұрақсыздандырып, олардың ыдырауына себеп болуы керек. Өнеркәсіптегі қатты-сұйық қоспалау процесінің бір мысалы – бетон дайындау, онда цемент, құм, ұсақ тас немесе қиыршық тас және су біріктіріліп, өздігінен қатаятын біртекті массаға айналдырылады, ол құрылыс саласында қолданылады.

Қатты суспензия

Қатты заттардың сұйықтыққа суспензиялануы қатты заттар мен сұйықтық арасындағы масса алмасу жылдамдығын арттыру үшін жасалады. Мысалдарға қатты реактивті еріткіште еріту немесе реактивтер мен өнімдердің бөлшектерге және бөлшектерден ағылуын жақсарту үшін сұйықтықтағы катализатор бөлшектерін суспензиялау кіреді. Одан туындайтын еңкейіс диффузиясы сұйықтықтың көлемді бөлігінде масса алмасу жылдамдығын арттырады, ал материалдың бөлшектерден алыстауы шекаралық қабаттың мөлшерін азайтады, онда масса алмасуға қарсылық ең жоғары болады. Қатты затты суспензиялау үшін осьтік ағынды араластырғыштар артық, себебі қатты затты суспензиялауға қима емес, импульс қажет, бірақ радиалды ағынды араластырғыштарды бөгеттері бар ыдыста қолдануға болады, бұл айналу қозғалысының бір бөлігін тік қозғалысқа айналдырады. Егер қатты зат сұйықтықтан тығыз болса (сондықтан ыдыстың түбінде жиналады), араластырғыш сұйықтықты төмен қарай итеру үшін айналады; егер қатты зат сұйықтықтан жеңіл болса (сондықтан үстіне жүзеді), араластырғыш сұйықтықты жоғары қарай итеру үшін айналады (бірақ мұндай жағдай сирек кездеседі). Қатты затты суспензиялауға арналған жабдықтар үлкен көлемдік ағымдарды тудырады, бірақ міндетті түрде жоғары қиманы тудырмайды; әдетте гидрофойл сияқты жоғары ағынды турбиналық араластырғыштар қолданылады. Бір оське бірнеше турбина орнатылғанда, қуат тұтынуы төмендейді. [[File:Rsd Көшірме.jpg|thumb|Араластыру ыдысындағы қатты зат көлемінің үлесі, бірақ бұл жағдайға байланысты. RSD эксперименттік өлшемдер немесе есептеулер арқылы алынуы мүмкін. Өлшемдерді толық масштабта жүргізуге болады, бірақ бұл көбінесе практикалық емес, сондықтан өлшемдерді кішкентай масштабта жүргізу және RSD-ні кішкентай масштабтан толық масштабқа экстраполяциялау үшін «масштабтау» өлшемдерін пайдалану қалыпты. Есептеулер есептеу сұйықтық динамикасы бағдарламалық жасақтамасын немесе теориялық әзірлемелерге, тәжірибелік өлшемдерге және/немесе есептеу сұйықтық динамикасы деректеріне негізделген корреляцияларды пайдалану арқылы жүргізілуі мүмкін. Есептеу сұйықтық динамикасы есептеулері өте дәл және кез келген ыдыс пен араластырғыш конструкциясын қабылдай алады, бірақ олар тәжірибе мен ұзақ есептеу уақытын қажет етеді. Корреляцияларды қолдану оңай, бірақ олар аз дәл және кез келген ықтимал конструкцияны қамтымайды. Ең танымал корреляция – Цвитеринг (1958) жариялаған «жұмыс жылдамдығы» корреляциясы. Бұл қолдануға оңай корреляция, бірақ ол біртекті суспензия үшін емес. Ол тек «нашар» сапалы суспензиялар (жартылай суспензиялар) үшін араластыру жылдамдығының жуық шамасын ғана береді, онда бөлшектер 1 немесе 2 секундтан артық ыдыстың түбінде тұрмайды. Басқа эквивалентті корреляция – Мерсманн (1998) корреляциясы. «Жақсы» сапалы суспензиялар үшін пайдалы корреляциялардың мысалдарын Баррези (1987), Магелли (1991), Цекински (2010) немесе Маккерон (2017) жариялаған еңбектерінде табуға болады.

Қатты агломерациядан шығару

Өте ұсақ ұнтақтар, мысалы, титан диоксиді пигменттері, және шашыратып кептірілген материалдар тасымалдау және сақтау кезінде агломерациялануы немесе түйіршіктерге бірігуі мүмкін. Крахмалды материалдар немесе еріткішке ұшырағанда гель түзетін материалдар сыртынан ылғалданған, бірақ іші құрғақ түйіршіктерді құрайды. Мұндай материалдарды қатты суспензияға арналған араластырғыштармен сұйықтыққа араластыру қиын, себебі агломератталған бөлшектерді бөлшектеу үшін оларға күшті серпіліс күші түсірілуі керек. Бір жағынан қатты заттардың агломерациясын жою, араласпайтын сұйықтықтарды араластыруға ұқсас, бірақ бірігіп қалу әдетте мәселе тудырмайды. Мұндай араластырудың күнделікті мысалы – сұйық сүт пен қатты мұзқұймақтан сүт коктейлі жасау.

Сұйықтық пен газды араластыру

Сұйықтықтар мен газдар әдетте масса алмасуын қамтамасыз ету үшін араластырылады. Мысалы, ауадан тазарту кезінде газ сұйықтықтан ұшқыш заттарды алу үшін қолданылады. Әдетте, осы мақсатқа қапталған колонна қолданылады, онда қаптама жылжымайтын араластырғыш ретінде, ал ауа сорғысы жетекші күш ретінде қызмет етеді. Егер резервуар мен араластырғыш қолданылса, мақсат әдетте газ көпіршіктерінің сұйықтықпен мүмкіндігінше ұзақ уақыт байланыста болуын қамтамасыз ету болып табылады. Бұл газдың құны жоғары болғанда, мысалы таза оттегі, немесе сұйықтыққа баяу диффузияланғанда ерекше маңызды. Резервуардағы араластыру сұйық фазада (салыстырмалы түрде) баяу химиялық реакция жүрген кезде де пайдалы, себебі көпіршік маңындағы жұқа қабаттағы концентрация айырмашылығы көлемдік концентрацияға жақын болады. Бұл масса алмасудың жетекші күшін азайтады. Егер сұйық фазада (салыстырмалы түрде) жылдам химиялық реакция болса, газ көпіршіктерін тарату, бірақ оларды қайта араластырмау, олардың ағын режимінде болуын және массаны тиімдірек алмасуын қамтамасыз ету кейде тиімді. Руштон турбиналары газдарды сұйықтықтарға тарату үшін дәстүрлі түрде қолданылған, бірақ Смит турбинасы және Баккер турбинасы сияқты жаңа үлгілер кеңінен қолданылуда. Бір мәселе – газ ағыны артқан сайын, газдың көп бөлігі араластырғыш қанаттарының артындағы төмен қысым аймақтарында жиналады, бұл араластырғышқа жұмсалатын қуатты (демек, оның тиімділігін) азайтады. GDX араластырғышы сияқты жаңа конструкциялар бұл мәселені жойды.

Газ/тұйық қоспа

Газ-қатты қоспаны ұнтақтарды немесе ұсақ бөлшекті қатты заттарды бір жерден екінші жерге тасымалдау үшін, немесе газ тәрізді реактивтерді қатты катализатор бөлшектерімен араластыру үшін қолдануға болады. Екі жағдайда да, газдың турбулентті ағындары қатты бөлшектерді ауада ұстап тұруға жеткілікті күш беруі керек, әйтпесе олар гравитация күшінің әсерінен төмен түседі. Бөлшектердің мөлшері мен пішіні маңызды фактор, себебі әртүрлі бөлшектердің әртүрлі кедергі коэффициенттері болады, ал әртүрлі материалдардан жасалған бөлшектердің тығыздығы да әртүрлі келеді. Газ бен қатты заттарды бөлу үшін өңдеу өнеркәсібінде жиі қолданылатын бірлік операция – циклон, ол газдың жылдамдығын төмендетіп, бөлшектердің шөгуіне мүмкіндік береді.

Өнеркәсіптік араластыру жабдықтары

Өнеркәсіптік масштабта тиімді араластыруға қол жеткізу қиын болуы мүмкін. Инженерлік еңбектердің көп бөлігі араластыру процестерін жобалауға және жақсартуға жұмсалады. Өндірістік масштабтағы араластыру партиялар бойынша (динамикалық араластыру), тікелей желіде немесе статикалық араластырғыштардың көмегімен жүзеге асырылады. Қозғалмалы араластырғыштар стандартты 1800 немесе 1500 айналым/мин жылдамдықпен жұмыс істейтін электр моторларымен жабдықталады, бұл көбінесе қажетті жылдамдықтан әлдеқайда жоғары. Жылдамдықты төмендету және айналу моментін арттыру үшін редукторлар қолданылады. Кейбір жағдайларда өнімді толық араластыру үшін араластырғыштардың түрлерінің комбинациясын пайдаланатын көп осьті араластырғыштар қажет болады. Стандартты партиялық араластыру операцияларын орындаумен қатар, араластыру үздіксіз түрде де жүргізілуі мүмкін. Ұдайы процессор сияқты машинаны пайдаланып, бір немесе бірнеше құрғақ ингредиенттер және бір немесе бірнеше сұйық ингредиенттер машинаға дәл және тұрақты түрде дозаланып, машинадан үздіксіз, біртекті қоспа шығады. Көптеген салалар түрлі себептермен үздіксіз араластыруға көшкен. Олардың арасында тазалаудың қарапайымдығы, төмен энергия тұтынуы, кішкентай аумақ қажеттілігі, әмбебаптық, басқару мүмкіндігі және тағы да басқалары бар. Екі бұрандалы Ұдайы процессор сияқты үздіксіз араластырғыштар өте жоғары тұтқырлықты өңдеуге де қабілетті.

Турбиналар

Төменде турбина геометриясы мен қуат коэффициенттерінің таңдауы көрсетілген. + Таңдалған турбина геометриясы және қуат коэффициенттері АтауыҚуат коэффициентіАғын бағытыҚанатының бұрышы (дәреже)Қанатының саныҚанатының геометриясы Раштон турбинасы 4.6 Радиальды 0 6 Жалпақ Иілген қанатты турбина 1.3 Аксиальды 45–60 3–6 Жалпақ Гидрофойл 0.3 Аксиальды 45–60 3–6 Иілген Теңіз пернесі 0.2 Аксиальды Белгісіз 3 Иілген

thumb|200px|Аксиальды ағынды аралағыш (сол жақта) және радиальды ағынды аралағыш (оң жақта). Әртүрлі тапсырмалар үшін әртүрлі типтегі аралағыштар қолданылады; мысалы, Раштон турбиналары газдарды сұйықтықтарға таратуға пайдалы, бірақ тұнған қатты заттарды сұйықтықтарға таратуға тиімді емес. Газ-сұйық қоспасын жасау үшін Раштон турбинасын жаңа турбиналар, мысалы Смит турбинасы және Баккер турбинасы көптеген жағдайларда алмастырды. Қуат коэффициенті – бұл тұрақты қуат тығыздығында бірдей сұйықтықта әртүрлі аралағыштарды айналдыру үшін қажетті айналу моментінің эмпирикалық өлшемі; жоғары қуат коэффициентіне ие аралағыштарға көбірек айналу моменті қажет, бірақ олар төмен қуат коэффициентіне ие аралағыштарға қарағанда төмен жылдамдықпен жұмыс істейді, ал төмен қуат коэффициентіне ие аралағыштар аз айналу моментімен, бірақ жоғары жылдамдықпен жұмыс істейді.

Жақын аралықтағы араластырғыштар

Жақын аралықтағы араластырғыштардың екі негізгі түрі бар: зәкірлер және спиральді ленталар. Зәкірлік араластырғыштар қатты дененің айналуын тудырады, бірақ тік араластыруға көмектеспейді, ал спиральді ленталар көмектеседі. Жақын аралықтағы араластырғыштар ламинарлық режимде қолданылады, себебі сұйықтықтың тұтқырлығы ағынның инерциялық күштерін басып, араластырғыштан шыққан сұйықтықтың жанындағы сұйықтықты араластыруына кедерес жасайды. Спиральді ленталы араластырғыштар әдетте қабырғадағы материалды төмен қарай итеру үшін айналдырылады, бұл сұйықтықты айналдыруға және қабырғадағы бетті жаңартуға көмектеседі.

Жоғары қиып таратушы

Жоғары қималы таратушылар аралағыш маңында жоғары қарқынды қима жасайды, бірақ ыдыстың көп бөлігінде ағын өте аз болады. Бұл құрылғылар көбінесе дөңгелек ара пішінді болып келеді және жоғары жылдамдықпен айналады. Пішініне байланысты, олардың кедергі коэффициенті салыстырмалы түрде төмен, сондықтан жоғары жылдамдықпен айналу үшін салыстырмалы түрде аз момент күші қажет. Жоғары қималы таратушылар араласпайтын сұйықтықтардың эмульсиясын (немесе суспензиясын) жасауға, сондай-ақ қатты бөлшектерді агломерациядан босатуға қолданылады.

Статикалық араластырғыштар

Статикалық араластырғыштар белгілі бір процесте араластыру резервуары тым үлкен, тым баяу немесе тым қымбат болған жағдайларда қолданылады.

Сұйық сыбызғылар

Сұйық сыбызғылар – сұйықтықты жоғары қысыммен саңылаудан өткізіп, содан кейін қанатын басып өтетін статикалық араластырғыштың бір түрі. Бұл сұйықтықты жоғары турбуленттік күштерге түсіреді және араластыруға, эмульсияға айналдыруға, агломераттарды ыдыратуға және дезинфекциялауға ықпал етуі мүмкін.