Podstawy mieszania mechanicznego

PODSTAWOWE POJĘCIA

  • stopień zmieszania
    Stopień zmieszania to stosunek wzajemnego rozprowadzenia dwóch lub więcej składników odniesiony do stanu rozprowadzenia idealnego
  • intensywność mieszania
    Parametr ten określa się zwykle przy pomocy:
    a) częstości obrotów mieszadła n (1/s),
    b) prędkości obwodowej końca łopatek u (m/s),
    c) zastępczej liczby Reynoldsa, Rem,
    d) mocy mieszania liczonej na jednostkę masy lub pojemności \frac{P}{V} (W/m3) lub
    \frac{P}{V\rho} (W/kg).
  • efektywność mieszania
    Pojęcie to określa nakład energetyczny wprowadzony do układu w celu osiągnięcia zakładanego efektu technologicznego.

BUDOWA MIESZALNIKA

  mieszalnik

         

          Oznaczenia
   d – średnica mieszadła, m
   D – średnica mieszalnika, m
   H – wysokość słupa cieczy, m
   B – szerokość przegrody, m
   h – wysokość zawieszenia                                 mieszadła, m
   a – długość łopatki mieszadła, m
   b – wysokość łopatki mieszadła, m

Niektóre inwrianty geometryczne mieszalnika standardowego:

\frac{d}{D}=\frac{1}{3},  \frac{H}{D}=1,  \frac{h}{d}=1,  \frac{B}{D}=0,1

 

PODZIAŁ MIESZADEŁ

Istnieje wiele podziałów dla mieszadeł mechanicznych [1]. Jednym z najważniejszych jest następujący podział [2]:

TYP MIESZADŁA PRZYKŁAD ZASTOSOWANIE
PROMIENIOWE (radial flow) turbina Rushtona (RT), turbina Smitha (ST),  FBT układy ciecz-gaz, ukłądy ciecz-ciecz, wyższa burzliwośćć i siły ścinające
OSIOWE
(axial flow)		 śmigłowe, PBT, hydrofoilowe mieszanie układów jednorodnych, układów ciecz-ciało stałe, wymiana ciepła
ŚCINAJĄCE
(high shear)		 dyskowe, mieszadła z łopatkami spiczastymi, układy rotor-stator dyspersja, rozpuszczanie, wytwarzanie emulsji, niszczenie komórek
PULSACYJNE dyskowe, płytowe ekstrakcja, bioreaktory
WOLNOOBROTOWE kotwicowe, wstęgowe, ramowe  mieszanie płynów o dużych lepkościach >10 (Pa s)


PODSTAWOWE LICZBY KRYTERIALNE

  • zastępcza liczba Reynoldsa, Rem                                      Re_{m}=\frac{nd ^{2}\rho}{\eta} (liczba Rem nie jest uniwersalnym kryterium przepływu)
  • liczba mocy (liczba Newtona), Nem                                  Ne_{m}=\frac{P}{n^3d^5\rho}
  • liczba Froude’a Frm                                                                             Fr_{m}=\frac{n^2d}{g}
  • liczba wydajności pompowania Kp 

         K_{{p}}=\frac{Q}{nd^{3}}}     

Tabela 1. Liczby wydajności pompowania niektórych mieszadeł [1-2]

MieszadłoKp
śmigłowe0,4 - 0,6
PBT0,79
mieszadła hydrofoilowe0,55 - 0,73
turbina Rushtona0,72
turbina Smitha0,76

PODSTAWOWE RÓWNANIE KRYTERIALNE

Ne_{m}=ARe _{m}^{B}Fr _{m}^{C}w przypadku zamontowania przegród w mieszalniku powyższe rówanie przyjmuje postać uproszczoną:

Ne_{m}=ARe _{m}^{B}

Równanie to jest zwykle przedstawiane w postaci wykresów tzw. wykresów charakterystyki mocy, dla poszczególnych mieszadeł. 

mocCharakterystyka mocy mieszadeł turbinowych (na podstawie [1])

  • zakres mieszania burzliwego: Re>10000 (dla mieszalnika z przegrodami), Re>100000 (dla mieszalnika bez przegród)
  • liczba mocy, Ne, jest stała w zakresie mieszania burzliwego
  • moc mieszania jest większa w mieszalniku z przegrodami
  • wpływ obecności przegród uwidaczania się w zakresie Re>200-300
  • zakres mieszania laminarnego występuje dla Re<10
  • w zakresie mieszania laminarnego NeRe=const 

 

Literatura
[1]  F.Stręk, Mieszanie i mieszalniki, WNT, Warszawa, 1981.
[2]  Hermajani R, Tatterson G. Mechanically Stirred Vessels. Rozdział 6. w: Paul E,               Atiemo-Obeng V, Kresta S, editors. Handbook of Industrial Mixing: Science and               Practice. Hoboken, NJ:John Wiley & Sons, Inc.; 2004.