Лабораторна робота № 2

Визначення витрати енергії при механічному переміШуванні в рідкому середовищі.

Мета роботи:

1. Визначити витрати енергії на перемішування при різних режимах роботи мішалки.

2. Визначити залежність інтенсивності перемішування від числа обертів мішалки.

3. Вибрати оптимальний режим і конструкцію мішалки.

1 Теоретичні основи

Перемішуванням називають процес взаємопроникнення і розподілу частинок однієї речовини в іншій у результаті їх вільного і вимушеного відносного руху. Вільне перемішування може відбуватися внаслідок молекулярної дифузії, різниці густин або температур у різних шарах рідини або під впливом кількох з цих факторів одночасно.

На практиці доцільніше застосовувати перемішування за рахунок перенесення елементарних частинок однієї рідини в іншу у процесі турбулентної дифузії під час вимушеного руху компонентів, що перемішуються.

Для збільшення швидкості процесу треба створити велику поверхню взаємодії реагуючих тіл і турбулізацію потоків, чого досягають застосуванням механічного перемішування в рідкій фазі (наприклад, при утворенні розчинів, суспензій, а також для інтенсифікації процесів тепло- і масообміну).

Одним з головних питань техніки перемішування є визначення витрати енергії на обертання мішалки при відомих розмірах її і конструкції, частоті обертання і фізичних властивостях рідини. Процес перемішування при встановленому режимі подають загальним критеріальним рівнянням::

Г₁, Г₂ – симплекси геометричної подібності.

В разі геометричної подібності перемішуючих пристроїв і посудин узагальнена залежність для визначення витрати енергії при переміщуванні матиме вигляд:

де: – критерій Ейлера, або критерій потужності для перемішування;

– критерій Рейнольдса для перемішування;

– критерій Фруда для перемішування.

N – потужність на валу мішалки, Вт;

ρ – густина рідини, кг/м³;

μ – в’язкість рідини, нс/м²;

n – частота обертання мішалки, с ;

d – визначальний лінійний розмір (діаметр мішалки)

g – прискорення вільного падіння, м/с²;

Г₁-Г₂ – симплекси геометричної подібності.

Якщо на поверхні однорідної рідини не утворюється воронка (наприклад, коли встановлені вибивні перегородки), дія сили ваги є такою малою, що нею можна знехтувати, і рівняння (2) спроститься.

У цьому рівнянні коефіцієнт С і показник степеня m визначають дослідним шляхом.

Значення сталих величин С і m в узагальненому критеріальному рівнянні для геометрично подібних апаратів з різними мішалками наведені в табл. XXI [4], а залежність для тих же мішалок на рис. VII [4].

Експериментальні значення K як функції від Re для мішалок різних типів наведені при визначених відношеннях діаметра D посудини, висоти Н рівня рідини в ній, ширини b лопаті і діаметра d лопаті мішалки а також (для пропелерних мішалок) при відношення шагу гвинта до діаметра посудини , що дорівнює 1 або 2.

Однак, значення К , визначені за довідковими даними, точні тільки для мішалок, геометрично подібних тим, до яких відносяться відповідні дослідні дані. При відхиленні від цієї умови витрата енергії змінюється. Тому у випадку відсутності геометричної подібності значення знайдену за довідковими даними (2) необхідно помножити на відповідні поправочні коефіцієнти:

де: ά – відношення для модельної мішалки (2);

β – відношення для модельної мішалки (2);

b і l – ширина і довжина лопаті ;

B - ширина відбивної перегородки;

Z - кількість відбивних перегородок.

Значення показників степенів у випадках поправочних коефіцієнтів можна приймати за табл.1.

Найбільш важливими характеристиками перемішувальних пристроїв, які можуть бути покладені в основу їх порівняльної оцінки, є інтенсивність переміщування і ефективність перемішувального пристрою.

Таблиця 1 - Значення показників степенів у формулах:

Конструкція мішалок	d	h	K	m	P	r	n
Лопатеві без перегородок	1.1	0.6	0.3	-	-	-	-
Пропелерні і турбінні без перегородок	0.93	0.6	-	1.5	-	-	-
Пропелерні з перегородками	0	0	-	-	1.7	0.3	0.4
Трубінні з перегородками	0	0	-	1.5	-	0.3	0.4

Інтенсивність переміщування визначається часом досягнення заданого технологічного результату або числом обертів n мішалки при фіксованій тривалості процесу (для механічних мішалок). Чим вище інтенсивність перемішування, тим менше часу вимагається для досягнення заданого ефекту перемішування.

Інтенсивність виражається як:

або

Ефективність перемішувальних пристроїв характеризує якість проведення процесу перемішування і може бути виражена по-різному в залежності від мети перемішування.

Так ефективність Е роботи мішалок для процесів змішування рідин і розчинення твердих тіл звичайно оцінюють порівнянням витрат енергії для різних мішалок на одиницю перемішуваного об’єму при однаковому показнику інтенсивності процесу,що відбувається під час перемішування.

де N_пит=N/V – питома витратна потужність мішалки, Вт/м^3;

V – переміщуваний об'єм рідини, м^3.

Для економічного проведення процесу перемішування бажано, щоб потрібний ефект перемішування досягався за найменший час. При оцінці витрати енергії перемішувальним пристроєм треба враховувати витрату енергії за час, необхідний для забезпечення заданого результату перемішування.