Химия и химические технологии / 4. Химико-фармацевтическое производство

Ружинська Л. І., Кузьменко К. В.

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”

Вибір конструкції апарату з перемішуючим пристроєм

Перемішування широко використовується у фармацевтичній та біотехнологічній промисловостях на різних стадіях технологічного процесу. Перемішування здійснюється здебільшого в апаратах з механічними перемішуючими пристроями різних конструкцій. Енергія, необхідна для перемішування передається від двигуна, розміщеного зовні апарата, на вал мішалки.

Мішалки в найбільш загальному вигляді поділяють на швидкохідні і тихохідні. До швидкохідних відносять пропелерні і турбінні мішалки різних типів, а також спеціальні типи мішалок , наприклад дискові, лопатеві і т.п. Ці мішалки в залежності від типів лопаток (лопатей) і способу їх встановлення можуть створювати радіальний (рис. 1, ), осьовий (рис. 1, ) та радіально-осьовий потоки рідини.

Радіальні потоки створюють турбінні мішалки закритого типу, а також відкриті турбінні мішалки з прямими чи вигнутими лопатками. Осьовий потік можуть забезпечувати пропелерні і шнекові мішалки, а точніше – пропелерні і шнекові мішалки з дифузором. Проміжний радіально-осьовий потік створюють турбінні мішалки з лопатками, що встановлені під кутом до площини обертання мішалки.

Швидкохідні мішалки найчастіше працюють в апаратах з відбиваючими перегородками. Відсутність перегородок призводить до завихрення рідини в апараті і утворення воронки (рис. 1,). Кількість перегородок і їх розміри зазвичай складають: число перегородок , ширина , найчастіше зустрічаються .

а – турбінна, апарат з перегородками; б – пропелерна, апарат з перегородками; в – турбінна чи пропелерна, апарат без перегородок.

Рисунок 1 – Схема роботи турбінних і пропелерних швидкохідних мішалок

Для великих апаратів діаметром рекомендується використовувати більшу кількість перегородок ().

До тихохідних відносяться лопатеві, якірні і рамні мішалки. Вони створюють головним чином коловий потік рідини, тобто рідина обертається навколо осі апарата. В цю групу входять також шнекові і стрічкові мішалки.

Окрім вищезгаданих існують також спеціальні конструкції перемішуючих пристроїв, наприклад мішалки, що створюють великі напруження зсуву, вібраційні, скребкові мішалки і т.д.

Важливу роль при виборі мішалки відіграють фізичні параметри середовища, що перемішується, і в першу чергу, в’язкість.

Існує загальна думка, що для перемішування рідин з низькою в’язкістю слід використовувати швидкохідні мішалки, а для рідин з високою в’язкістю слід використовувати тихохідні мішалки.

В залежності від способу кріплення лопаток і їх конфігурації в промисловості зустрічаються різні типи турбінних мішалок.

Турбінні мішалки забезпечені лопатками і мають чітко окреслений ротор. Якщо лопатки мішалки поміщені в корпус таким чином, що вони утворюють закриті канали подібні до ротора відцентрового насоса, то таку мішалку називають закритою турбінною мішалкою. В відкритих мішалках лопатки не поміщені в корпус. Турбінні мішалки мають такі характеристики: відношення діаметра мішалки (діаметр кола, що описується кінцями лопаток при обертанні) до діаметра апарата ; число обертів , колова швидкість кінця лопатки складатиме .

Найбільш простою і одночасно високоефективною є мішалка з прямими лопатями (рис. 2), що розташовані радіально. Пласкі лопатки можуть також бути нахилені під певним кутом відносно площини обертання мішалки.

Основні розміри турбінної мішалки з прямими лопатками:

.

Рисунок 2 – Турбінна мішалка з прямими лопатками

Найчастіше кут нахилу дорівнює . Така мішалка створює осьовий потік рідини, що може бути необхідним при перемішуванні суспензій, для підняття твердих часточок з дна. Нахил лопаток відносно радіуса застосовується рідше.

Лопатки можуть також бути вигнутими. Мішалки з такими лопатками споживають менше потужності. Інші форми лопаток не знайшли широкого застосування, бо вартість їх виготовлення набагато більша, а ефективність роботи не вища, ніж у мішалки з прямими лопатками.

Крім відкритих турбінних мішалок широке застосування знайшли так звані турбінні мішалки з лопатками повної довжини. Лопатки таких мішалок прикріплені безпосередньо до ступиці або до вала за допомогою болтів чи зварювання. Пласкі лопатки можуть бути розташовані радіально чи з нахилом відносно площини обертання мішалки або відносно радіуса. Крім того, лопатки можуть бути вигнуті різноманітними способами.

Окрему групу турбінних мішалок складають закриті мішалки, що побудовані за принципом роторів відцентрових насосів. Виготовляються вони з листової сталі за допомогою зварки чи литтям . Мішалки такого типу можуть бути поєднані з напрямним апаратом , який являє собою нерухомий обід з вигнутими відповідним чином лопатками.

Задача напрямного апарата – випрямлення потоку рідини, що відкидається мішалкою. Внаслідок цього відбиваючі перегородки в апараті з мішалкою стають непотрібними. Лопатки напрямного апарата мають бути вигнуті таким чином, щоб вектор абсолютної швидкості рідини, що виходить з мішалки, був направлений тангенціально до лопаток напрямного апарата на вході в нього. На виході з напрямного апарата рідина повинна відкидатися радіально.

Напрямний апарат може кріпитися або до корпуса апарата, або до відповідної нерухомої втулки, в якій обертається вал.

Пропелерні мішалки вважаються найбільш ефективними в тих випадках, коли необхідно створити значну циркуляцію рідини в апараті при мінімальній витраті механічної енергії. Вони виконують цю задачу краще, ніж мішалки іншого типу, наприклад турбінні. Пропелерні мішалки створюють осьову циркуляцію за рахунок насосного ефекту, тому вони легко піднімають тверді частки із дна апарату та використовуються для отримання суспензій (суспендування).

Пропелерні мішалки придатні для отримання емульсій, для процесів розчинення та процесів, що протікають з хімічними реакціями, при об’ємі рідини до 7 . При утворенні суспензій діаметр частинок не повинен перевищувати , а концентрація частинок . Пропелерні мішалки не можуть використовуватися для диспергування газу у рідині, але при певному виконанні пропелерні мішалки також гарантують гарне перемішування у цих системах. Співвідношення для даного типу мішалок таке ж, як і для турбінних мішалок (найчастіше ). Можливе також зменшення діаметру мішалки до величини . Колова швидкість краю лопаток пропелерних мішалок складає .

Межі для чисел обертів пропелерних мішалок:

1) – мішалки, що використовуються для перемішування важких масел, шламів, а також для перемішування систем, що схильні до утворення піни (не варто перевищувати значення , якщо в’язкість рідини, що перемішується , або об’єм рідини в апараті );

2) – мішалки, що використовуються для легких масел, лаків (не варто перевищувати значення , якщо в’язкість рідини , або об’єм рідини в апараті );

3) – мішалки, що використовуються для перемішування рідин з невеликою в’язкістю в апаратах невеликих об’ємів.

Коли в’язкість рідини , а висота рідини в апараті , використовується більше ніж одна мішалка. У даному випадку на валу розміщують від одної до трьох пропелерних мішалок.

Пропелерні мішалки можуть бути безпосередньо зв’язані з електродвигуном без проміжної передачі, що знижує капіталовкладення та підвищує ККД привода. Електродвигун при цьому отримує навантаження лише після досягнення великого числа обертів, а тому не потребує запасу потужності на період пуску. Це є перевагою такого типу мішалок. Недолік пропелерних мішалок – відносно висока вартість їх виготовлення.

Проектування та виготовлення пропелерної мішалки є справою складною та дорогою, тому може себе виправдати лише у випадку великих мішалок, для яких економія енергії, що витрачається на перемішування, перекриває витрати. У випадку невеликих мішалок пропелер можна виготовити спрощеним способом, наприклад шляхом вигинання або видавлювання лопатей з листового заліза.

Одним з найбільш важливих геометричних параметрів пропелерної мішалки є її крок, що зв’язаний із нахилом лопатей залежністю (1):

, (1)

де – кут нахилу лопаті на радіусі , розрахований відносно площини обертання мішалки.

Як правило, ці мішалки конструюються з кроком, незмінним по радіусу. Лопать мішалки являє собою частину гвинтової поверхні із постійним кроком.

Корабельні гвинти працюють у діапазоні , тоді як пропелерні мішалки можуть працювати при більших значеннях , до (прямі лопатки). У цьому випадку пропелерна мішалка переходить у турбінну з лопатками еліптичної конфігурації.

Часто використовуються пропелерні мішалки з кроком . Такі мішалки мають нахил кромки лопаті або . Зустрічаються також пропелерні мішалки, у яких кут нахилу кінця лопатей складає . Ці мішалки мають крок або . Найкращу циркуляцію рідини в апараті для перемішування забезпечують мішалки з кроком .

Із збільшенням кроку мішалки зростає тенденція до завихрення рідини в апараті. Щоб запобігти завихренню рідини та утворенню воронки, використовують наступні способи:

- ексцентричне розташування валу мішалки або встановлення його під деяким кутом до вісі апарату (можна використовувати одночасно обидва способи);

- встановлення відбиваючих перегородок в апараті;

- встановлення направляючого диску для випрямлення потоку рідини, що відкидається мішалкою в осьовому напрямку.

Іноді пропелерні мішалки оснащуються дифузором (циркуляційною трубою). У дифузорі можуть бути розташовані напрямні лопаті. Дифузор дозволяє встановлювати пропелер значно вище від дна посудини, що скорочує довжину валу, а також дозволяє забезпечити явно осьову циркуляцію рідини в апараті. При боковому розташуванні пропелерної мішалки варто звертати увагу на збереження відповідного кута встановлення вісі мішалки відносно радіусу апарата. Цей кут повинен становити 7 – 9 º.

Лопатеві мішалки, як правило, – низькообертові, з двома лопатками (лопатями), довжина яких по відношенню до діаметра апарата більша, ніж у турбінних мішалок (рис. 3). Діаметр та висоту лопатей для цих мішалок зазвичай приймають у межах та . Висота встановлення від дна апарата , тоді як висота рідини в апараті . Якщо перемішування відбувається у високих апаратах, то на одному валу можна встановити декілька мішалок. Колова швидкість лопатевих мішалок знаходиться у межах .

Лопатеві мішалки відносяться до найбільш давніх перемішуючих пристроїв в фармацевтичній промисловості, однак вони використовуються і на даний час у тих випадках, коли немає необхідності в інтенсивній радіально-осьовій циркуляції рідини в апараті. Такі мішалки створюють головним чином колову (периметричну) циркуляцію рідини і лише досить незначну радіально-осьову циркуляцію.

Основною перевагою лопатевих мішалок є їх простота, а також низька вартість у тих випадках, коли матеріал не є визначаючим в загальній вартості їх виробництва.

Недолік цього типу мішалок – слабка інтенсивність перемішування. Нахилені лопаті (рис. 3, б) більш інтенсивно перемішують рідину ніж прямі. Мішалки з такими лопатями використовуються у випадку важкоперемішуваних рідин, густини яких значно відрізняються одна від одної, а також для утворення суспензій та емульсій. Кут нахилу найчастіше складає . Можна також кріпити на одному валу дві або три пари лопатей (рис. 3, в) у вигляді хреста, що сприяє кращому перемішуванню всього об’єму рідини.

а – мішалка з низькими лопатями; б – мішалка з низькими нахиленими лопатями; в – мішалка із схрещеними лопатями; г – мішалка із високими лопатями; д – мішалка із багатьма лопатями на одному валу в апараті з радіальними відбиваючими перегородками.

Рисунок 3 – Параметри різних конструкцій лопатевих мішалок з двома лопатями

Зустрічаються також лопатеві мішалки з високими лопатями (). Ці мішалки називають також листовими. Їх діаметр зазвичай приймається рівним . Колова швидкість не повинна перевищувати . Такі мішалки успішно використовуються в операціях розчинення та теплообміну. Інколи в лопатях висвердлюють отвори, внаслідок чого підсилюється турбулентність перемішуваної рідини (рис. 3, г). У випадку перемішування високов’язкої рідини на корпусі апарату монтуються радіально перегородки (рис. 3, д), які запобігають завихренню рідини, збільшують турбулентність та покращують перемішування у всьому об’ємі. Слід відмітити, що недоцільно використовувати мішалки із занадто довгими лопатями, оскільки із збільшенням діаметра мішалки швидко збільшується споживана потужність. Тому в апаратах великого діаметру встановлюють дві (або більше) мішалки меншого діаметра.

Таким чином виникла ідея створення планетарних мішалок, які обертаються навколо осі апарату і додатково навколо власної вісі, паралельної вісі апарату. Це дозволило скоротити діаметр мішалки вдвічі.

Якірні та рамні мішалки відрізняються виключно низькими числами обертів. Їх колова швидкість не перевищує , а число обертів .

Діаметр мішалок наближається до діаметра апарату, і зазор між лопаттю та стінкою апарату зазвичай приймається у межах . Таким чином, у випадку використання цих мішалок можна запобігти місцевим перегрівам рідини (при нагріві за допомогою рубашки) або осаду на дні апарату. Якірні та рамні мішалки використовуються для перемішування рідин високої в’язкості. Якірні мішалки придатні для перемішування рідин з в’язкістю , а рамні – для перемішування рідин в’язкістю .

Шнекові мішалки, що також називаються гвинтовими, працюють за тим же принципом, що і пропелерні, але при менших числах обертів (); вони придатні для перемішування рідин високої в’язкості (до ), не ньютонівських рідин та паст. У даному випадку вони споживають менше енергії, ніж пропелерні мішалки, для створення однакової циркуляції рідини в апараті. Пропелерні мішалки найчастіше працюють таким чином, що піднімають рідину догори, хоча при цьому вони споживають більшу потужність ніж при зворотній роботі.

Працювати шнекові мішалки можуть в апараті як з перегородками так і без них (рис. 4, а та б). В останньому випадку доцільно, щоб перегородки знаходились від стінки апарату на відстані, що не перевищує ширину перегородки. Замість перегородок можна використовувати ексцентричне розташування шнекової мішалки в апараті. Для того, щоб досягти такого ж ефекту, як і у випадку встановлення перегородок, слід розташувати мішалку поблизу стінки апарату (зазор між кінцем лопаті мішалки та стінкою повинен бути менше ). Однак оскільки у даному випадку потужність, що споживається мішалкою, виявляється більше, ніж при центральному її розташуванні в апараті з перегородками, то перевага віддається варіанту з перегородками. Шнекові мішалки оснащуються також дифузором (циркуляційною трубою), що забезпечує осьову циркуляцію рідини в апараті (рис. 4, в).

а – апарат без перегородок; б – апарат з перегородками; в – мішалка з дифузором і апарат без перегородок.

Рисунок 4 – Приклади різних варіантів установки шнекових мішалок

Для рідин з особливо високими в’язкостями (до ) та при великих об’ємах використовують стрічкові мішалки. Такі мішалки зазвичай мають дві спіралі (зовнішню та внутрішню) із протилежним кутом нахилу гвинтової лінії, що створює осьову циркуляцію рідини в апараті. Працювати такі мішалки можуть як у вертикальних так і в горизонтальних апаратах.

У наш час відомо багато різноманітних конструкцій апаратів з мішалкою. Конструкцію апаратів з мішалкою визначає не лише тип мішалки, але й тип резервуару, в якому ця мішалка встановлена.

Як було сказано, в апаратах з мішалками часто встановлюють відбивні перегородки для уникнення утворення воронки в апараті. Перегородки можуть бути розташовані біля самої стінки апарата або на певній відстані від неї, встановлюватися під кутом до радіуса обертання мішалки, а також мати висоту, рівну чи меншу від рівня рідини. Варіанти розташування представлені на рис.5. Розташування використовують для рідин невисокої в’язкості, що наближається до в’язкості води, розташування – для рідин середньої в’язкості (). Для таких рідин розташування призвело б до утворення застійних зон навколо перегородки. Для рідин з в’язкістю більше перегородки використовувати не потрібно. Якщо в апараті з мішалкою знаходиться змійовик, то рекомендується встановлювати перегородки в середині змійовика. В цьому випадку перегородки можуть слугувати опорою для змійовика.

а – для рідин з невеликою в’язкістю; б – для рідин з середньою в’язкістю; в – для рідин з великою в’язкістю; г – для посудини зі змійовиком.

Рисунок 5 – Способи встановлення перегородок

За способом закріплення валу мішалки можна поділити на: мішалки з вертикальним валом, з горизонтальним валом, бічного монтажу, погружні мішалки, переносні та донні мішалки, а також мішалки спеціального застосування (рис. 6).

Мішалки з вертикальним валом (рис. 6, а) найчастіше використовують у хімічній, паперовій промисловості, на станціях очистки та на підприємствах фармацевтичної, харчової, лакофарбової промисловості. Їх застосовують для змішування різних рідин з твердими речовинами або рідини з рідиною.

Мішалки з горизонтальним валом (рис. 6, б) зустрічаються у хімічній та паперовій промисловості.

Погружні мішалки (рис. 6, в) використовуються в резервуарах очистки стічних вод, резервуарах нітрифікації та денітрифікації, резервуарах фосфатації та дефосфатації, у зонах з киснем та зонах без кисню.

а	б		в		г
д		є		е

а – з вертикальним валом, б – з горизонтальним валом, в – погружні, г – переносні, д – донні, є – бокового монтажу, е - спеціального призначення

Рисунок 6 – Способи закріплення мішалок в апараті

В літературі відмічено відсутність спеціального критерію, який дозволив би зробити вибір відповідної мішалки для даного процесу. Важливу роль при виборі мішалки відіграють фізичні параметри середовища, що перемішується, і в першу чергу, в’язкість. Правильний вибір типу мішалки для перемішування середовища дозволяє підвищити ефективність та якість перемішування і покращити якість продукту.