Как оценить суспензию твёрдой фазы в смесительном резервуаре? Критическая частота взвешивания и конфигурация мешалки

Какую задачу решает перемешивание суспензии твёрдой фазы?

Вывод: цель перемешивания суспензии - поднять все твёрдые частицы со дна и равномерно распределить их в жидкой фазе; критерии приёмки - отсутствие осевшего материала на дне и одинаковые концентрации проб сверху и снизу.

Производство красок, приготовление химических суспензий и растворение сахара или соли в пищевой промышленности опираются на смесительный резервуар. Когда плотность частиц выше жидкости, частицы медленно оседают в статическом состоянии; при недостаточной частоте на дне образуется уплотнённый слой, который дальнейшее перемешивание не разрушает. Перемешивание суспензий работает именно с такими оседающими материалами - типичные примеры: суспензии диоксида титана, карбоната кальция, пигментов и крахмала.

Качество суспензии напрямую влияет на последующие операции. При неравномерной концентрации колеблются цвет, вязкость и выход реакции следующей партии. Как производитель резервуаров из нержавеющей стали, мы обычно принимаем такие режимы по критерию "воспроизводимое состояние взвешивания" - не только по тахометру, но по фактическому состоянию на дне и у пробоотборных штуцеров.

Что такое критическая частота взвешивания?

Вывод: критическая частота взвешивания (Njs) - это минимальная частота, при которой все частицы только что покидают дно и переходят во взвешенное состояние; ниже - осаждение, выше - улучшение взвешивания незначительно.

Классический критерий перемешивания суспензии - "все частицы оторваны от дна". На практике два способа проверки: наблюдение через нижний смотровой люк - на дне не должно оставаться статичной насыпи; либо отбор проб со дна и из середины с сравнением концентраций - отклонение ниже определённого уровня считается равномерным. В отрасли отклонение концентрации дна от средней в пределах 10% обычно считается приемлемым, ужесточение или послабление - по требованию процесса.

При повышении частоты взвешивание проходит три стадии: статичное скопление частиц, частичное взвешивание, полное взвешивание. Критическая частота - точка, где только начинается третья стадия. Выше неё равномерность улучшается незначительно, а потребляемая мощность растёт примерно пропорционально кубу частоты, поэтому чрезмерно высокие частоты обычно не преследуются.

От каких факторов зависит критическая частота?

Вывод: чем крупнее и плотнее частицы и чем выше содержание твёрдой фазы, тем выше требуемая частота; чем больше диаметр резервуара и выше вязкость жидкости, тем выше частота; тип мешалки и перегородки определяют эффективность взвешивания при заданной частоте.

Факторы делятся на две группы - материал и оборудование. По материалу: размер частиц обычно 100-800 мкм (крупнее - труднее), содержание твёрдой фазы обычно 5-40% (выше - труднее), разность плотностей (больше - труднее), вязкость жидкости обычно 1-500 мПа·с (выше - труднее). По оборудованию: диаметр резервуара, уровень жидкости, диаметр лопасти, высота лопасти над дном, тип мешалки и перегородки.

Для начальной оценки обычно используют безразмерные корреляции: подстановка параметров даёт порядок величины критической частоты, затем добавляется запас. Для большинства водоподобных низковязких суспензий критическая частота обычно находится в диапазоне 60-180 об/мин; для высоковязких суспензий оценку нужно пересматривать с учётом типа мешалки, а не переносить значения для низкой вязкости.

Как оценить критическую частоту взвешивания?

Вывод: используйте корреляцию Цвитеринга для оценки порядка величины, скорректируйте по содержанию твёрдой фазы и размеру частиц, затем добавьте запас 20-30% как рабочую частоту.

Обычная форма: Njs = S·ν^0.1·dp^0.2·(g·Δρ/ρ)^0.45·X^0.13 / D^0.85, где ν - кинематическая вязкость жидкости, dp - размер частиц, Δρ - разность плотностей твёрдой и жидкой фаз, ρ - плотность жидкости, X - содержание твёрдой фазы (массовая доля), D - диаметр лопасти, S - коэффициент, связанный с геометрией мешалки и резервуара. Считать точно вручную не нужно; цель - оценить порядок величины и чувствительность: сразу видно, какой фактор сильнее всего влияет на частоту.

Веса факторов сильно различаются: разность плотностей и диаметр лопасти влияют сильнее всего, размер частиц - средне, содержание твёрдой фазы и вязкость - относительно слабо. При подготовке предложения сначала точно определите два главных параметра - разность плотностей и диаметр резервуара, остальные берите по средним значениям диапазона. Оценку обычно умножают на коэффициент запаса, так как фактическая форма дна и положение перегородок влияют на результат; после получения лабораторных данных коэффициент следует откалибровать.

Как настроить мешалку?

Вывод: для низкой вязкости - осевые мешалки с перегородками; для средней и высокой вязкости - лопасти большего диаметра; только для очень высокой вязкости - якорные, ленточные или планетарные мешалки; диаметр лопасти обычно 1/3-1/2 диаметра резервуара.

Низкая вязкость (обычно ниже 100 мПа·с): гребные или трёхлопастные обратные мешалки, 2-4 перегородки, диаметр лопасти около трети диаметра резервуара, высокая частота, осевая циркуляция поднимает частицы со дна. Средняя вязкость (обычно 100-1000 мПа·с): турбинные или рамные лопасти большего диаметра, ниже частота, больше циркуляционный поток. Высокая вязкость (обычно выше 1000 мПа·с): лопасть сама проталкивает материал; обычные осевые мешалки не создают циркуляцию, применяют ленточные или якорные, даже планетарную мешалку.

Высота лопасти над дном также критична, обычно 0.5-1 диаметр лопасти. Слишком высоко - частицы со дна не поднимаются; слишком низко - недостаточный поток под лопастью, тоже остаются мёртвые зоны. При многоярусных мешалках нижняя отвечает за взвешивание, верхняя - за гомогенизацию; расстояние между ярусами обычно 1-1.5 диаметра лопасти. Таблица ниже даёт типичные опытные диапазоны:

Нужно ли менять перегородки и форму дна?

Вывод: для низкой вязкости резервуар почти всегда требует перегородок против общего вращения жидкости; дно со склоном или мелким конусом заметно уменьшает мёртвые зоны.

Без перегородок низковязкая жидкость вращается как единое целое, частицы центробежно отбрасываются к стенке, а центр дна становится мёртвой зоной. Добавление 2-4 перегородок шириной около 1/10 диаметра резервуара превращает тангенциальный поток в осевой и заметно повышает эффективность взвешивания. Высоковязкие суспензии почти не закручиваются, роль перегородок снижается - их можно сократить или убрать.

Геометрия дна также влияет. Плоское дно накапливает материал у краёв и в центре; мелкоконическое или эллиптическое дно направляет придонную жидкость вверх по поверхности конуса, накопление заметно уменьшается. Для резервуаров с нижним сливным клапаном уклон дна обычно не менее 5 градусов для чистого слива. При модернизации старого резервуара проверяйте и тип дна - иначе даже более мощный двигатель может не решить проблему накопления.

Как оценить взвешивание в производстве?

Вывод: перекрёстно проверяйте наблюдением дна, сравнением проб и изменением тока; не полагайтесь только на тахометр.

Самый прямой способ - нижний смотровой люк: при нормальном взвешивании на дне видна только быстро перемешиваемая суспензия, без статичной насыпи. Если смотрового люка нет, отбирайте пробы из нижнего и среднего штуцеров, взвешивайте и сравнивайте содержание твёрдой фазы; отклонение обычно в пределах 10%. Ток также отражает состояние: резкое падение тока часто означает локальное оседание и снижение сопротивления лопасти; устойчиво высокий ток - агломерацию или рост вязкости.

Для приёмки зафиксируйте воспроизводимую процедуру: один и тот же рецепт, одна и та же загрузка, зафиксируйте поведение вблизи критической частоты, затем задайте рабочую частоту. Тогда даже при небольших колебаниях плотности сырья от партии к партии есть базовая линия для сравнения.

Какой запас частоты оставить?

Вывод: рабочая частота обычно в 1.2-1.3 раза выше критической; проверьте также запас мощности двигателя, чтобы колебания плотности партии не выводили резервуар из взвешивания.

Критическая частота рассчитана на проектный материал, но фактические партии различаются по содержанию твёрдой фазы и размеру частиц; чуть большая разность плотностей может вызвать повторное оседание. Запас 20-30% - обычная отраслевая практика: цена - рост энергопотребления, выгода - стабильность. Выше этого равномерность улучшается слабо, поэтому частоты обычно не превышают 1.5 критического значения.

Двигатель выбирайте по мощности на валу при рабочей частоте с учётом пускового режима. При пуске лопасть может быть погружена в осевший материал, пусковой момент заметно выше рабочего; двигатель и редуктор проверяйте по пусковому режиму, мощность двигателя обычно принимают примерно в 1.5 раза выше рабочей. Для частотно-регулируемых приводов проверьте, что диапазон постоянного момента покрывает работу вблизи критической частоты.

Как масштабировать лабораторные и пилотные данные?

Вывод: масштабирование от лабораторных данных к промышленному резервуару выполняется по геометрическому подобию и безразмерным критериям; масштабирование частоты пропорционально объёму либо слишком консервативно, либо неподъёмно по мощности - используйте безразмерные критерии как мост.

Лабораторный резервуар 5-10 л может хорошо взвешивать, но переход к промышленному резервуару 3 м³ не гарантирован. При росте объёма в сотни раз и масштабировании частоты по интуиции удельная мощность резко растёт, и двигатель не справляется; при консервативной частоте дно снова накапливает материал. В отрасли обычно используют безразмерные критерии - удельную мощность на объём или число Фруда - для переноса лабораторных данных на промышленный режим.

При запросе предложения передайте производителю тип мешалки лабораторного резервуара, высоту над дном, конфигурацию перегородок и испытательную частоту - это гораздо полезнее, чем просто "взвешивание плохое". Производитель пересчитает ваши лабораторные условия в промышленную конфигурацию и скорректирует по данным эксплуатации аналогичных резервуаров собственного производства - надёжнее, чем оценка с нуля. Основные источники отклонений при масштабировании взвешивания - форма дна и уплотнение мешалки, поэтому решайте их на этапе проектирования вместе.

Дополнительное чтение: - Выбор оборудования для перемешивания высоковязких материалов: от скоростного диссольвера до планетарной мешалки - Как расположить штуцеры смесительного резервуара: верхние патрубки и пространство для обслуживания

Статья подготовлена компанией Hyline Shengda Equipment Manufacturing Co., Ltd. (hyline.cn). Основная продукция: реакторы из нержавеющей стали, смесительные ёмкости, резервуары, диссольверы, концентраторы и комплектные линии для химической промышленности; поддерживается нестандартное изготовление по ТЗ.