Введение

Процесс механического перемешивания неоднородной смеси для её гомогенизации. В промышленной технологической инженерии смешивание – это элементарная операция, включающая воздействие на неоднородную физическую систему с целью придания ей большей однородности. Примеры включают в себя перекачку воды в бассейне для выравнивания температуры и перемешивание теста для блинов для устранения комков (деагломерация). Смешивание осуществляется для обеспечения тепло- и/или массообмена между одним или несколькими потоками, компонентами или фазами. Современные промышленные процессы почти всегда включают ту или иную форму смешивания. Некоторые типы химических реакторов также являются смесителями. При наличии подходящего оборудования возможно смешивание твердого, жидкого или газообразного вещества с другим твердым, жидким или газообразным веществом. Ферментатор для производства биотоплива может требовать смешивания микроорганизмов, газов и жидкой среды для достижения оптимального выхода продукта; органическое нитрование требует смешивания концентрированных (жидких) азотной и серной кислот с гидрофобной органической фазой; производство фармацевтических таблеток требует смешивания твердых порошков. Обратным процессом смешиванию является разделение. Классическим примером разделения является эффект бразильского ореха. Математика смешивания является высоко абстрактной и входит в эргодическую теорию, которая, в свою очередь, является частью теории хаоса.

Классификация смешивания

Тип операции и используемого оборудования при смешивании зависит от состояния смешиваемых материалов (жидкого, полутвердого или твердого) и смешиваемости обрабатываемых материалов. В данном контексте смешивание может быть синонимом перемешивания или вымешивания.

Однофазный смешиватель

Смешивание жидкостей, которые смешиваются или, по крайней мере, растворимы друг в друге, часто встречается в инженерной практике (и в повседневной жизни). Типичный пример – добавление молока или сливок в чай или кофе. Поскольку обе жидкости имеют водную основу, они легко растворяются друг в друге. Импульс добавляемой жидкости иногда бывает достаточным для создания достаточной турбулентности, чтобы перемешать обе жидкости, так как вязкость обеих жидкостей относительно невелика. Если необходимо, для завершения процесса смешивания можно использовать ложку или мешалку. Смешивание в более вязкой жидкости, например, в меде, требует большей мощности на единицу объема для достижения той же однородности за то же время.

Смешивание твердых веществ

Сухие смесители – это тип промышленных смесителей, обычно используемых для смешивания нескольких сухих компонентов до достижения однородности. Часто в сухую смесь добавляют небольшое количество жидкости для модификации состава продукта. Время смешивания сухих ингредиентов обычно невелико (15–30 минут), но в некоторой степени зависит от процентного содержания каждого компонента и от разницы в их объемной плотности. Доступны смесители ленточного, лопастного, барабанного и вертикального типов. В таких конструкциях производят широкий спектр продукции, включая фармацевтические препараты, продукты питания, химические вещества, удобрения, пластмассы, пигменты и косметику. Вместимость сухих смесителей варьируется от лабораторных моделей объемом полкубического фута до производственных установок объемом 500 кубических футов. Большинство производителей предлагают широкий выбор комбинаций мощности и скорости, а также дополнительные опции, такие как санитарная отделка, вакуумное исполнение, специальные клапаны и отверстия для крышек. Смешивание порошков – одна из старейших технологических операций в отраслях, работающих с твердыми материалами. На протяжении многих десятилетий смешивание порошков использовалось исключительно для гомогенизации сыпучих материалов. Было разработано множество различных машин для работы с материалами, обладающими различными свойствами сыпучих твердых веществ. На основе практического опыта, полученного при работе с этими различными машинами, были разработаны инженерные знания для создания надежного оборудования и прогнозирования масштабирования и поведения при смешивании. В настоящее время те же технологии смешивания применяются для гораздо большего числа задач: улучшения качества продукции, нанесения покрытий на частицы, спекания материалов, смачивания, диспергирования в жидкости, агломерации, изменения функциональных свойств материалов и т. д. Такой широкий спектр применения смесительного оборудования требует высокого уровня знаний, многолетнего опыта и развитой испытательной базы для оптимального выбора оборудования и процессов. Смешивание твердых веществ может осуществляться либо в периодических смесителях (более простой вариант), либо, в некоторых случаях, в непрерывных сухих смесителях (более сложный, но обеспечивающий преимущества с точки зрения сегрегации, производительности и валидации). Одним из примеров процесса смешивания твердых веществ является приготовление формовочной массы для литья, где песок, бентонитовая глина, мелкая угольная пыль и вода смешиваются в пластичную, формуемую и многократно используемую массу, которая применяется для изготовления форм и заливки расплавленного металла с целью получения песчаных отливок – металлических деталей для автомобильной, машиностроительной, строительной и других отраслей промышленности.

Механизмы смешивания

В порошке в процессе смешивания можно выделить два различных типа: конвективное смешивание и интенсивное смешивание. При конвективном смешивании материал в смесителе перемещается из одной точки в другую. Этот тип смешивания приводит к менее упорядоченному состоянию внутри смесителя, когда компоненты, подлежащие смешиванию, распределяются среди других компонентов. Со временем смесь становится все более хаотичной. После определенного времени смешивания достигается предельное хаотичное состояние. Обычно этот тип смешивания применяется для сыпучих и крупнозернистых материалов. Возможной проблемой при макросмешивании является расслоение компонентов, поскольку различия в размере, форме или плотности частиц могут приводить к сегрегации. Когда материалы обладают когезией, как это бывает, например, с мелкими частицами или влажными материалами, конвективного смешивания недостаточно для получения однородной смеси. Относительно сильные силы межчастичного взаимодействия образуют агломераты, которые не разрушаются слабыми транспортными силами в конвективном смесителе. Для уменьшения размера агломератов необходимы дополнительные силы, то есть требуется более энергозатратное смешивание. Эти дополнительные силы могут быть ударными или сдвиговыми.

Смешивание жидкости и твердого вещества

Смешивание жидкости и твердого вещества обычно выполняется для суспендирования грубодисперсных свободно текучих твердых частиц или для разбивания комков мелкоагломерированных твердых веществ. Примером первого случая является смешивание гранулированного сахара с водой, а примером второго – смешивание муки или сухого молока с водой. В первом случае частицы могут быть подняты во взвешенное состояние (и разделены друг от друга) за счет объемного движения жидкости; во втором случае сам смеситель (или область высокого сдвига вблизи него) должен дестабилизировать комки и вызвать их распад. Одним из примеров процесса смешивания твердого вещества и жидкости в промышленности является приготовление бетонной смеси, где цемент, песок, мелкий щебень или гравий и вода смешиваются в однородную самоотвердевающую массу, используемую в строительстве.

Твердая суспензия

Суспензия твердых веществ в жидкости осуществляется для повышения скорости массопереноса между твердой и жидкой фазами. Примеры включают растворение твердого реагента в растворителе или суспендирование частиц катализатора в жидкости для улучшения потока реагентов и продуктов к частицам и от них. Сопутствующая турбулентная диффузия увеличивает скорость массопереноса в объеме жидкости, а конвекция вещества от частиц уменьшает размер пограничного слоя, где возникает основное сопротивление массопереносу. Для поддержания твердой суспензии предпочтительны осевые мешалки, поскольку для этого требуется импульс, а не сдвиг, хотя радиальные мешалки могут использоваться в резервуаре с перегородками, которые преобразуют часть вращательного движения в вертикальное. Если твердое вещество плотнее жидкости (и поэтому оседает на дне резервуара), мешалка вращается таким образом, чтобы жидкость направлялась вниз; если твердое вещество менее плотное, чем жидкость (и поэтому всплывает на поверхность), мешалка вращается так, чтобы жидкость направлялась вверх (хотя это встречается относительно редко). Оборудование, предпочтительное для поддержания твердой суспензии, создает большие объемные потоки, но не обязательно высокий сдвиг; обычно используются турбины с высоким числом потока, такие как гидрокрылья. Установка нескольких турбин на одном валу может снизить потребляемую мощность. [[Файл:Rsd Копия.jpg|thumb|Объемная доля твердого вещества в смесительном резервуаре, хотя это зависит от конкретного случая. RSD можно определить экспериментальными измерениями или расчетами. Измерения можно проводить в реальном масштабе, но это обычно непрактично, поэтому чаще всего измерения выполняются в малом масштабе с использованием критерия масштабирования для экстраполяции RSD из малого в реальный масштаб. Расчеты можно выполнять с помощью программного обеспечения для вычислительной гидродинамики или с использованием корреляций, основанных на теоретических разработках, экспериментальных измерениях и/или данных вычислительной гидродинамики. Расчеты с использованием вычислительной гидродинамики достаточно точны и могут учитывать практически любую конструкцию резервуара и мешалки, но требуют опыта и значительного времени вычислений. Корреляции просты в использовании, но менее точны и не охватывают все возможные конструкции. Наиболее популярной корреляцией является корреляция «скорости простого поддержания суспензии», опубликованная Звитерингом (1958). Это простая в использовании корреляция, но она не предназначена для однородной суспензии. Она дает лишь приблизительную оценку скорости перемешивания для суспензий «плохого» качества (частичных суспензий), при которых ни одна частица не остается на дне более 1 или 2 секунд. Другой эквивалентной корреляцией является корреляция Мерсмана (1998). Для суспензий «хорошего» качества примеры полезных корреляций можно найти в публикациях Баррези (1987), Магелли (1991), Чекински (2010) или Маккерона (2017).

Деагломерация твердых веществ

Очень мелкие порошки, такие как пигменты диоксида титана, и материалы, полученные методом распылительной сушки, могут агломерироваться или слеживаться при транспортировке и хранении. Крахмалистые материалы или материалы, образующие гели при контакте с растворителем, могут образовывать комки, влажные снаружи и сухие внутри. Такие материалы трудно диспергировать в жидкости с помощью смесителей, обычно используемых для приготовления суспензий, поскольку для разрушения агломератов требуется интенсивное механическое воздействие (сдвиг). Деагломерация твердых веществ во многом аналогична смешиванию несмешивающихся жидкостей, за исключением того, что коалесценция обычно не представляет собой проблемы. Примером подобного смешивания является приготовление молочных коктейлей из жидкого молока и твердого мороженого.

Смешивание жидкости и газа

Жидкости и газы обычно смешиваются для обеспечения массопереноса. Например, в процессе аэрационной очистки газ используется для удаления летучих веществ из жидкости. Как правило, для этой цели используют насадочную колонну, где насадка выполняет роль неподвижного смесителя, а подача воздуха обеспечивает движущую силу. При использовании резервуара и мешалки, обычно стремятся обеспечить максимально длительный контакт пузырьков газа с жидкостью. Это особенно важно, если газ дорогой, например, чистый кислород, или медленно диффундирует в жидкость. Смешивание в резервуаре также полезно, когда в жидкой фазе протекает (относительно) медленная химическая реакция, в результате чего разница концентраций в тонком слое у поверхности пузырька приближается к разнице в объеме жидкости. Это снижает движущую силу для массопереноса. Если в жидкой фазе протекает (относительно) быстрая химическая реакция, иногда целесообразно диспергировать, но не рециркулировать пузырьки газа, обеспечивая их течение в виде пробки и более эффективный массоперенос. Традиционно для диспергирования газов в жидкостях использовались турбины Руштона, но новые конструкции, такие как турбины Смита и Баккера, становятся все более распространенными. Одна из проблем заключается в том, что с увеличением расхода газа все больше газа накапливается в зонах низкого давления за лопастями мешалки, что снижает потребляемую мощность (и, следовательно, эффективность) смесителя. Новые конструкции, такие как мешалка GDX, практически устранили эту проблему.

Смешивание газов и твердых тел

Смешивание газа с твердыми частицами может осуществляться для транспортировки порошков или мелкодисперсных твердых частиц из одного места в другое, либо для смешения газообразных реагентов с твердыми частицами катализатора. В любом из этих случаев, турбулентные вихри газа должны создавать достаточную силу для удержания твердых частиц во взвешенном состоянии, поскольку в противном случае они оседают под действием силы тяжести. Размер и форма частиц имеют важное значение, так как различные частицы обладают разными коэффициентами сопротивления, а частицы, состоящие из разных материалов, имеют разную плотность. Циклон является распространенным аппаратом, используемым в химической промышленности для разделения газов и твердых веществ, он замедляет поток газа и способствует осаждению частиц.

Промышленное смешивающее оборудование

В промышленном масштабе добиться эффективного смешивания может быть сложно. Значительные инженерные усилия направлены на разработку и совершенствование процессов смешивания. Смешивание в промышленных масштабах осуществляется периодически (динамическое смешивание), в потоке или с использованием статических смесителей. Перемешивающие устройства приводятся в действие электродвигателями, работающими на стандартных скоростях 1800 или 1500 об/мин, что обычно значительно превышает необходимое значение. Редукторы используются для снижения скорости и увеличения крутящего момента. В некоторых случаях требуются многовальные смесители, в которых комбинация различных типов смесителей обеспечивает полное перемешивание продукта. Помимо стандартных операций периодического смешивания, возможно также непрерывное смешивание. С помощью оборудования, такого как непрерывный процессор, один или несколько сухих и один или несколько жидких компонентов могут точно и последовательно дозироваться в машину, на выходе из которой получается непрерывная однородная смесь. Многие отрасли перешли на непрерывное смешивание по ряду причин, включая простоту очистки, снижение энергопотребления, компактность, универсальность, точность управления и другие преимущества. Непрерывные смесители, такие как двухшнековый непрерывный процессор, также способны работать с материалами очень высокой вязкости.

Турбины

Ниже представлена подборка геометрий турбин и чисел мощности. + Выбранные геометрии турбин и числа мощности

Наименование | Число мощности | Направление потока | Угол лопасти (градусы) | Количество лопастей | Геометрия лопасти
---|---|---|---|---|---
Турбина Руштона | 4.6 | Радиальное | 0 | 6 | Плоская
Турбина с наклонными лопастями | 1.3 | Осевое | 45–60 | 3–6 | Плоская
Гидропрофиль | 0.3 | Осевое | 45–60 | 3–6 | Изогнутая
Морской винт | 0.2 | Осевое | N/A | 3 | Изогнутая

[thumb|200px|Импеллер с осевым потоком (слева) и импеллер с радиальным потоком (справа).] Различные типы импеллеров используются для разных задач; например, турбины Руштона полезны для диспергирования газов в жидкостях, но не очень эффективны для диспергирования осевших твердых частиц в жидкости. Более новые турбины, такие как турбина Смита и турбина Баккера, в значительной степени заменили турбину Руштона для смешивания газа и жидкости. Число мощности – это эмпирическая величина, характеризующая крутящий момент, необходимый для приведения в движение различных импеллеров в одной и той же жидкости при постоянной мощности на единицу объема; импеллеры с более высоким числом мощности требуют большего крутящего момента, но работают на более низкой скорости, чем импеллеры с более низким числом мощности, которые работают при меньшем крутящем моменте, но на более высокой скорости.

Смесители с близким расстоянием

Существует два основных типа смесителей с малым зазором: якорные и спиральные ленточные. Якорные смесители вызывают вращение всего объема и не способствуют вертикальному перемешиванию, в отличие от спиральных ленточных. Смесители с малым зазором используются в ламинарном режиме, поскольку вязкость жидкости преобладает над инерционными силами потока и предотвращает захват соседней жидкости потоком, выходящим от мешалки. Спиральные ленточные смесители обычно вращают таким образом, чтобы перемещать материал у стенки вниз, что способствует циркуляции жидкости и обновлению поверхности стенки.

Дисперсоры с высоким сдвигом

Дисперсоры с высоким сдвигом создают интенсивный сдвиг вблизи рабочего органа, но относительно небольшой поток в объеме сосуда. Такие устройства обычно имеют форму, напоминающую диски циркулярной пилы, и вращаются на высокой скорости. Благодаря своей форме они обладают относительно низким коэффициентом сопротивления и, следовательно, требуют сравнительно небольшого крутящего момента для вращения с высокой скоростью. Дисперсоры с высоким сдвигом используются для образования эмульсий (или суспензий) несмешивающихся жидкостей и деагломерации твердых частиц.

Статические смесители

Статические смесители применяются в тех случаях, когда использование смесительного бака было бы слишком громоздким, медленным или дорогостоящим для конкретного процесса.

Жидкие свистки

Жидкие свистки — это разновидность статического смесителя, который прогоняет жидкость под высоким давлением через отверстие, а затем направляет ее на лезвие. Это создает в жидкости высокие турбулентные напряжения и может приводить к перемешиванию, эмульгированию, деагломерации и дезинфекции.