Лако-красочные материалы — производство

Под циркуляцией жидкости в аппарате с мешалкой следует понимать перемещение жидкости по замкнутому пути в соответствии с направлением линий тока [13, 205].

Характер циркуляции жидкости в аппарате с мешалкой зависит главным образом от типа мешалки и от того, имеются ли в аппарате перегородки. Каждая мешалка создает поток жидкости, который в свою очередь вызывает циркуляцию во всем объеме аппарата вдоль так называемых циркуляционных петель. Поток жидкости, создаваемый мешалкой, имеет по меньшей мере две или чаще всего три составляющие скорости. С этой точки зрения мешалки часто делят на группы, создающие окружной (тангенциальный) поток — мешалки лопастные и якорные, радиальный поток — некоторые типы турбинных мешалок, осевой поток — пропеллерные мешалки. Такое деление является ориентировочным, так как фактически можно говорить только о преобладании одной из составляющих скоростей в потоке жидкости, создаваемой мешалкой. Для оценки работы раз­личных мешалок были введены понятия окружной (периферийной) и радиально-осевой циркуляции [145]. Эти параметры учитывают разложение общего потока жидкости от мешалки на два циркуля­ционных потока, где частицы жидкости совершают движение по окружностям, концентрическим к оси аппарата, в горизонтальных плоскостях, перпендикулярных к оси, а также в вертикальных (меридиональных) плоскостях, пересекающих ось аппарата.

Окружная циркуляция (называемая также первичной) связана с вращением всей массы жидкости вокруг оси вращения мешалки. Ее объемную производительность можно определить формулой

(111-15)

О о

Где Н — высота жидкости в сосуде с мешалкой; R — D!2 — внутрен­ний радиус сосуда.-

Радиально-осевая циркуляция, называемая также вторичной Циркуляцией или, кратко, циркуляцией, связана с насосным дей­ствием мешалки. Ее объемную производительность для жидкости

Плотностью у = const можно выразить фор-

2я г0

7* = 2 | J Wzrdqdr = 2 J J wzrd(pdr

0

2 лЯ/2

J WRR^dr = 2 J J wrrdq>dr 0 20 0 0

Координаты центра (ядра) циркуляции 0 (рис. III-12) Ч

Уравнение (111-16) учитывает два одинаковых циркуляционных потока над и под мешалкой, т. е. предполагает симметрию этих по­токов (отсюда множитель 2). Это с хорошим приближением справед­ливо для случая установки мешалки на половине высоты жидкости, на­ходящейся в аппарате [148]. Для других положений мешалки инте­грирование следует производить от­дельно для верхнего и отдельно для нижнего объема аппарата. Если принять симметричность про­цесса относительно оси вращения мешалки (ось z), то уравнение (111-16) будет упрощено и примет вид:

SX Г о

YJ = 4jtJ wzrdr — 4я J wzrdr ■

Я/2

= 4л J wrrdr = 4л J

Zo

Вторичная циркуляция (V*c) имеет существенное значение для процесса перемешивания, так как при ее отсутствии не может быть и речи о конвективном перемешивании в аппарате. Вели­чина V* связана с насосным эффектом мешалки V*, т. е. ин­тенсивностью потока жидкости, отбрасываемого лопатками ме­шалки в радиальном и осевом направлениях.

Как следует из экспериментальных измерений различных иссле­дователей [145, 148, 181], между этими величинами существует тесная зависимость: как в аппаратах с перегородками, так и в со­судах без перегородок объемная производительность V* приблизи­тельно в два раза превышает насосный эффект мешалки V*P.

Согласно исследованиям Нагаты, Ямамото и Уджихары [145], для аппаратов без перегородок V* — 1,9V*, тогда как по исследо­ваниям Сакса и Раштона [181], а также Нагаты и др. [148] для аппа­ратов с перегородками V* = (1,8-^-1,96) V*.

Структура вторичного циркуляционного потока для турбинной мешалки в аппаратах без перегородок и с перегородками показана на рис. 111-13—III-15. Как следует из этих рисунков, в аппаратах обоих типов существует вторичная циркуляция. Она связана с на­личием радиальной либо осевой составляющей в потоке жидкости, создаваемом мешалкой (одна из этих составляющих всегда суще­ствует). Так, например, турбинная мешалка с прямыми лопатками (рис. 111-12) создает поток жидкости, имеющий радиальную и танген-

Циальную составляющие. На стенке аппарата этот поток приторма­живается, меняет свое направление на осевое, поднимается вверх вплоть до свободной поверхности жидкости и отсюда вновь пово­рачивает в направлении мешалки. Таким путем образуются замкну­тые циркуляционные петли с центрами 0. Точка 0 представляет место, в котором радиальная и осевая составляющие равны нулю.

На рис. 111-15 представлены траектории движения частиц жидко­сти в плоскостях (г, Z) — так называемых меридиональных плоско­стях. Действительный путь частичек жидкости в аппарате с мешал­кой весьма сложен. Например, в аппарате без перегородок он пред­ставляет собой спирали различного диаметра с переменным шагом, начинающиеся и оканчивающиеся в одном и том же месте, например в зоне мешалки; в аппарате с перегородками этот путь еще более сложен.

Рис. III-15. Фотография Рис. III-16. Схема циркуляции в случае изменения траектории движения расстояния мешалки от днища сосуда,

Частиц жидкости во вто­ричном циркуляционном

Потоке; турбинная ме — мешалках, приводят к уменьшению потока

Шалка с прямыми лопат — перВичной циркуляции и к увеличению нами, аппарат с пврвго — и *т

Родками (пузырьки воз — потока вторичнои — циркуляции. Некото-

Духа в глицерине, осве- рые авторы [129] указывают на возможность щение через зазор) [158]. возникновения циркуляционных петель

(подобных тем, которые образуют турбин­ные мешалки), если высота жидкости в аппарате будет достаточно большой (H/D >>1). Вместо применения перегородок пропеллерная мешалка может устанавливаться и несимметрично, причем будет получена схема циркуляции, показанная на рис. 111-18. Это имеет значение при перемешивании жидкостей большой вязкости, когда необходимо считаться с возможностью застоя жидкости вблизи перегородок.

Из рис. III-13—III-17 следует, что в пространстве, описываемом вращающейся мешалкой, наблюдается сильное уплотнение линий тока (там возникают наибольшие скорости и самая большая турбу­лентность потока жидкости), поэтому можно предполагать, что в этой зоне будет происходить наиболее интенсивное перемешива­ние жидкости.

Некоторые авторы [147, 152] предлагают выделять в объеме аппарата две зоны — зону мешалки, в которой происходит интен­сивное перемешивание, и зону циркуляции, в которой перемешивание является слабым и жидкость течет с меньшими скоростями.

Гзовский [69] выделяет дополнительно объем централь­ного вихря как зону, в кото­рой вообще отсутствует конвек­тивное перемешивание.