Badania mieszalnika z przegrodami niestandardowymi własnej

Badania mieszalnika z przegrodami niestandardowymi własnej

Prosimy cytować jako: Inż. Ap. Chem. 2010, 49, 2, 117-118
INŻYNIERIA I APARATURA CHEMICZNA
Nr 2/2010
str. 117
Waldemar SZAFERSKI, Lubomira BRONIARZ-PRESS
e-mail: [email protected]
Zakład Inżynierii i Aparatury Chemicznej, Wydział Technologii Chemicznej, Politechnika Poznańska, Poznań
Badania mieszalnika z przegrodami niestandardowymi własnej konstrukcji
Wstęp
Jednym z najistotniejszych elementów konstrukcyjnych mieszalnika,
wpływającym na proces mieszania jest liczba przegród w mieszalniku
(J = 2÷6) i ich szerokość (B = (1/12÷1/10)D). Dla dużych mieszalników o średnicy D > 4 m zalecane jest stosowanie sześciu przegród.
Zastosowanie w zbiorniku przegród podwyższa znacznie moc mieszania w obszarze przepływu burzliwego w porównaniu z mocą zużywaną w zbiorniku bez przegród, co zostało niejednokrotnie potwierdzone
w wielu badaczy [1–6].
Analiza literaturowa wykazała, że dla mieszadła turbinowego z łopatkami prostymi przegrody podwyższają moc mieszania w zakresie przepływu burzliwego pięciokrotnie w stosunku do mocy dla zbiornika bez
przegród. Stwierdzenie to wynika z badań Rushtona, Costicha i Everetta
[7], którzy analizowali wpływ liczby i szerokości przegród oraz ustalili
następujące wielkości standardowe: liczbę przegród J = 4 i szerokość
przegród B = 0,1D. Bates, Fondy i Corpstein [5] z kolei wykazali, że
maksymalną moc mieszania można uzyskać przy czterech przegrodach
dla JB/D = 0,33÷0,4 i szerokości przegrody B = (0,1÷0,12)D. Nagata
i in. [8] przebadali wpływ szerokości i liczby przegród na moc mieszania mieszadeł łapowych. Wyniki badań [8] wskazują, że zwiększenie liczby i szerokości przegród powoduje wzrost mocy mieszania aż
do osiągnięcia pewnego maksimum, dla którego to wartość parametru
JB/D jest równa w przybliżeniu 0,5, co dla J = 4 daje B/D = 0,125. Dalsze poszerzanie przegród powoduje spadek mocy mieszania.
Wyniki badań
Badania eksperymentalne przeprowadzono na stanowisku pomiarowym (Rys. 1), którego głównym elementem był płaskodenny mieszalnik wykonany z polimetakrylanu metylu o średnicy 0,300 m z czterema
standardowymi przegrodami o szerokości 0,030 m i grubości 0,006 m
oraz czterema niestandardowymi przegrodami o szerokości 0,045 m
i grubości 0,010 m. Mieszalnik zaopatrzono w pojedyncze standardowe
mieszadło turbinowe Rushtona o średnicy 0,100 m.
W pracy wykorzystano przegrody płaskie oraz rowkowane na całej
długości (Rys. 2) o szerokości odpowiednio 0,020 m (dla pojedynczego
rowka) i po 0,008 m (dla dwóch rowków).
a)
b)
Rys. 2. Przegrody niestandardowe zastosowane w badaniach: a) typ I, b) typ II
Badania doświadczalne przeprowadzono dla wody destylowanej oraz
wodnych roztworów poliakryloamidu (Rokrysol WF1), o zawartości
substancji suchej 5-7 %, masie molowej 4,4·106 [kg/kmol] i wzorze
strukturalnym (CH2CHCONH2)n, gdzie n = (30÷35)⋅103. W przypadku
wodnych roztworów polimerów o stężeniach 0,05-0,15%, można jednoznacznie określić nienewtonowski charakter cieczy i zakwalifikować
je do rozrzedzanych ścinaniem. Wtedy liczbę Reynoldsa oblicza się
z definicji zaproponowanej przez Głuza i Pawłuszenko [9]. Głównym
celem pracy było zbadanie wpływu kształtu niestandardowych przegród
własnej konstrukcji, rodzaju mieszanej cieczy oraz wysokości zawieszenia mieszadła na nakłady energetyczne potrzebne do przeprowadzenia procesu.
Na podstawie przeprowadzonych badań doświadczalnych analizowano wpływ wysokości usytuowania mieszadła h względem dna aparatu
odpowiednio na 1/3, 1/2 i 2/3 średnicy aparatu D.
Analiza przebiegu punktów eksperymentalnych wykazała, iż we
wszystkich przypadkach wyznaczana zależność ma charakter potęgowy:
P A $ Re B ,
(1)
VC =
Porównanie wyznaczonych regresyjnie parametrów (Tab. 1) występujących w równaniu (1) wykazało, że dla wytwarzanych układów wykładniki A i B nie zależą od wysokości zawieszenia mieszadła względem
Tab. 1. Zestawienie współczynników równania (1)
Badane media
Woda destylowana
Rys. 1. Stanowisko pomiarowe: 1 – tensometryczny momentomierz, 2 – przekładnia
pasowa, 3 – silnik, 4 – układ regulacji prędkości obrotowej n, 5 – miernik prędkości
obrotowej z automatyczną obróbką wyników, 6 – komputer, 7 – układ zbiornik-mieszadło, 8 – podnośnik śrubowy
Wodne roztwory
poliakryloamidu,
Rokrysolu WF1
Stężenie [%]
Współczynniki równania
A
B
–
1,68·10-12
3,00
0,05
1,47·10-9
2,66
0,10
4,28·10-6
2,06
0,15
5,12·10-6
2,17
Prosimy cytować jako: Inż. Ap. Chem. 2010, 49, 2, 117-118
str. 118
INŻYNIERIA I APARATURA CHEMICZNA
Nr 2/2010
dna aparatu i rodzaju zastosowanych przegród. Wpływ na jednostkową
moc mieszania ma rodzaj cieczy stosowanej w badaniach oraz stężenia
w przypadku roztworów polimeru Rokrysol WF1.
Zwiększając obroty powyżej 15 1/s zauważono, że jednostkowa moc
mieszania zależy od usytuowania mieszadła względem dna aparatu oraz
rodzaju przegród. Ilość powietrza zasysana przez mieszadło jest na tyle
duża, że bezpośrednio wpływa na uzyskiwane wyniki.
Przeprowadzono analizę zależności liczby Newtona od liczby Reynoldsa dla trzech typów przegród i trzech wysokości usytuowania
mieszadła. W przypadku prowadzenia procesu w wodzie destylowanej
uzyskano liczbę mocy równą 5,6 dla wszystkich badanych układów
konstrukcyjnych mieszalnika.
Zaobserwowano, że wysokość zawieszenia mieszadła, jak i rodzaj
zastosowanych przegród nie wpływają na wartość liczby mocy. Prowadząc proces mieszania w roztworach polimeru uzyskano liczbę mocy
4,7 dla stężenia roztworu polimeru 0,05%, natomiast dla stężeń 0,1
i 0,15% uzyskano odpowiednio 3,5.
Rys. 3. Analiza wpływu wysokości usytuowania mieszadła oraz rodzaju przegród na
jednostkową moc mieszania
Wnioski
Rys. 4. Wpływ stężenia roztworu polimeru na jednostkową moc mieszania dla zastosowanych przegród w mieszalniku
Analiza mocy jednostkowej potrzebnej do przeprowadzenia procesu mieszania dla zastosowanych w badaniach przegród standardowych
oraz dwóch typów przegród niestandardowych własnej konstrukcji, wykazała brak wpływu typu przegrody dla częstości obrotów mieszadła
w granicach od 2 do 15 1/s oraz zakresie liczby Re ∈ (3500, 140000).
Nie zaobserwowano również wpływu usytuowania mieszadła względem dna aparatu z zastosowanymi przegrodami. Proces mieszania dla
wody destylowanej przebiega w zakresie burzliwym, a dla badanego
polimeru rozpoczyna się w zakresie przejściowym. Z badań eksperymentalnych wynika, iż otrzymane zależności mają charakter potęgowy,
co obrazuje równanie korelacyjne (1).
Podczas badań doświadczalnych zaobserwowano, iż zastosowanie
przegród niestandardowych powoduje lepsze napowietrzenie układu,
co będzie miało znaczenie w procesie mieszania z napowietrzaniem
mieszanin jedno i wielofazowych. Przeprowadzone badania mają charakter analizy wstępnej i będą rozszerzane o inne układy wielofazowe,
co ułatwi projektowanie aparatów zaopatrzonych w przegrody niestandardowe.
LITERATURA
Rys. 5. Wpływ parametrów konstrukcyjnych mieszalnika na liczbę mocy mieszania
[1] J. Kamieński: Mieszanie układów wielofazowych. WNT, Warszawa 2004.
[2] J. Karcz, D. Więch: Inż. Ap. Chem, 42, nr 4s, 81 (2003).
[3] L. Broniarz-Press, J. Borowski, A. Trybus: Inż. Ap. Chem, 41, nr 4s, 39
(2002).
[4] A. Trybus: Wpływ kształtu przegród w zbiorniku na procesy mieszania, Wydział Technologii Chemicznej Politechniki Poznańskiej, Rozprawa doktorska, Poznań 2004.
[5] R.L. Bate., P.L. Fondy, R.R. Corpstein: Ind. Eng. Chem. Process Design Develop., 2, nr 4, 310-314 (1963).
[6] M. Dyląg, J. Talaga: Modelowanie przepływu wielofazowego w mieszalniku, Inż. Chem. Proces., 17, nr 3, 407 (1995).
[7] J.H. Rushton, E.W. Costich, H.J. Everett: Chem. Eng. Progr., Part I, 46, nr 8,
395 (1950); Part III, 46, nr 9, 467 (1950).
[8] S. Nagata: Mixing. Principles and Applications, Kodanska Ltd., Tokyo
1975.
[9] M.D. Głuz, I.S. Pawłuszenko: Ż. Prikł. Chimii, 40, 2475 (1967).