Механические перемешивающие устройства

Механические перемешивающие устройства состоят из трех основных частей: собственно из мешалки, вала и привода. Мешалка является рабочим элементом устройства, закрепляемым на вертикальном, горизонтальном или на наклонном валу. Привод может быть осуществлен либо непосредственно от электродвигателя (для быстроходных мешалок), либо через редуктор или клиноременную передачу.

По устройству лопастей различают мешалки лопастные, пропеллерные, турбинные и специальные.

По типу создаваемого мешалкой потока жидкости в аппарате различают мешалки, обеспечивающие тангенциальное, радиальное, осевое и смешанное течение. При тангенциальном течении жидкость в аппарате движется преимущественно по концентрическим окружностям, параллельным плоскости вращения мешалки. Радиальное течение характеризуется направленным течением жидкости от мешалки к стенкам аппарата перпендикулярно оси вращения мешалки. Осевое течение жидкости направлено параллельно оси вращения мешалки.

В промышленных аппаратах с мешалками возможны различные сочетания этих типов течения. Тип создаваемого потока, а также конструктивные особенности мешалок определяют их области применения. При высоких скоростях вращения жидкость вовлекается в круговое движение и вокруг вала образуется воронка, глубина которой увеличивается с возрастанием числа оборотов и уменьшением плотности и вязкости среды. Для предотвращения образования воронки в аппарате помещают отражательные перегородки, которые, способствуют возникновению вихрей и увеличению турбулентности системы. Образование воронки можно предотвратить и при полном заполнении аппарата, т.е. при отсутствии воздушной прослойки между жидкостью и крышкой аппарата. Помимо этого, отражательные перегородки устанавливают во всех случаях при перемешивании в системах газ – жидкость.

Мешалки подразделяют на:- лопастные;- пропеллерные;- турбинные;- листовые;- специальные;- барабанные;- дисковые, - вибрационные.

Выбор того или иного типа мешалок определяется целевым назначением перемешивающих устройств и конкретными условиями протекания процесса. Какие-либо четкие рекомендации по этому вопросу не могут быть сформулированы. Поэтому при выборе того или иного типа перемешивающего устройства можно использовать ориентировочные характеристики условий целесообразного применения различных типов мешалок (табл..1).

Таблица 1. - Рекомендации по использовании основных типов мешалок

Тип мешалок	Объем жид- кости, пере- мешиваемой одной мешалкой,	Содержание твердой фазы при суспензи- ровании, %	Динами- ческая вязкость перемешивае- мой жидкости, Па с	Окружная скорость мешалки,	Частота вращения мешалки,
Лопастные Пропеллерные Турбинные: открытые закрытые   Специальные	до 1,5 до 4,0   до 10,0 до 20,0   до 20,0	до 5 до 10   до 60 до 60 и более   до 75	до 0,01 0,5- 3   до 0,06 0,1- 4   до 10 10- 40   до 5,00 до 10	до 1,7-5,0 1,5-3,2   до 4,5-17,0 3,8-10   до 1,8-13,0 2,6-7   до 2,1-8,0 до 6,0-30,0 0,5- 4	0,3-1,35 8,5-20,0   0,7-10,0 1,7-6,0   1,7-25,0

В различных отраслях промышленности изредка применяют мешалки специфических конструкций. В качестве примера можно привести всасывающие (импеллерные) мешалки, которые применяют для обеспечения хорошего контакта газа с жидкостью при одновременном интенсивном перемешивании (рисунок 1.). Вал мешалки помещен внутри трубы 1, по которой подается воздух под небольшим избыточным давлением (в некоторых конструкциях воздух всасывается при вращении мешалки). На мешалке имеется ряд лопастей, а на конце трубы установлен статор с лопастями. Наличие двух рядов лопастей, подвижного и неподвижного обеспечивает хорошее перемешивание жидкости и газа.

1 - центральная труба ; 2 - лопасти статора ; 3 - лопасти мешалки (ротора) Рисунок 1 - Импеллерная мешалка.

Лопастные мешалкиприменяют для перемешивания жидкостей с небольшой вязкостью (до 0,1 Па с), растворения и суспензирования твердых веществ с малым удельным весом, а также для грубого смешения жидкостей вязкостью меньше 20 Па с). Лопастные мешалки отличаются простотой конструкции и низкой стоимостью изготовления. Наиболее просты по устройству мешалки с плоскими лопастями из полосовой или угловой стали, установленные перпендикулярно или наклонно к направлению их движения. Частота вращения таких мешалок колеблется от 18 до 80 об/мин, при увеличении частоты вращения выше указанной, эффективность перемешивания резко снижается. Диаметр лопастей составляет 0,7 диаметра сосуда, в котором работает мешалка. К недостаткам лопастных мешалок относятся - малая интенсивность перемешивания густых и вязких жидкостей, а также полная непригодность для перемешивания легко расслаивающихся веществ, для быстрого растворения, тонкого диспергирования и получения суспензий, содержащих твердую фазу с большим удельным весом.

Пропеллерные мешалки. Плоские лопасти мешалок, поверхность которых перпендикулярна направлению движения перемешиваемой жидкости, не могут обеспечить хорошего перемешивания во всех слоях жидкости, так как создают в ней главным образом только горизонтальные токи. При использовании пропеллерных мешалок (рисунок 2), вследствие изменении угла наклона Q по всей плоскости лопасти, частицы жидкости при перемешивании отталкиваются в любом направлении, в результате возникают встречные токи, способствующие интенсификации перемешивания.

1- корпус аппарата; 2- вал; 3- пропеллер; 4- диффузор

Рисунок 2. -Пропеллерная мешалка: а) без диффузора; б) с диффузором

Для улучшения циркуляции перемешиваемой жидкости пропеллерную мешалку часто устанавливают в диффузоре, последняя представляет собой стакан, имеющий форму цилиндра или слегка усеченного конуса. Пропеллерные мешалки применяют для интенсивного перемешиваемого маловязких жидкостей, взмучивания осадков, содержащих до 10% твердой фазы с размерами до 0,15 мм, а также для приготовлении суспензий и эмульсий. Пропеллерные мешалки не пригодны для совершенного смешивания жидкостей значительной вязкости (более 0,6 Па ^. с) или жидкостей, включающих твердую фазу большого удельного веса.

Турбинные мешалки применяют для интенсивного перемешивания и смешения жидкостей с вязкостью до 10 Па с для мешалок открытого типа и до 50 Па с для мешалок закрытого типа, для тонкого диспергирования, быстрого растворения или выделения осадков в больших объемах (5 - 6 и более). Эти мешалки используют для взмучивания осадков в жидкостях, содержащих до 60% твердой фазы (мешалки открытого типа) и более (мешалки закрытого типа), причем максимальные размеры твердых частиц до 1,5 мм для мешалок открытого типа и до 2,5 мм для мешалок закрытого типа. Мешалка состоит из одного или нескольких центробежных колес (турбинок), укрепленных на вертикальном валу. Турбинные мешалки могут быть двух типов: открытого (рисунок 3а, б, в) и закрытого (рисунок 3г) типов. Закрытые мешалки устанавливают внутри направляющего аппарата, представляющего собой неподвижное кольцо с лопатками, последние изогнуты под углом, изменяющимся от 45° до 90° . При частоте вращения 100 – 350 об/мин турбинные мешалки обеспечивают интенсивное перемешивание жидкости. Недостатки мешалок этого типа – относительная сложность конструкции и высокая стоимость изготовления. Нормализованные турбинные мешалки имеют диаметр турбин 400, 500, 600 и 800 мм.

Для перемешивания жидкостей вязкостью не более 10 Па ^. с, а также для перемешивания в аппаратах, обогреваемых с помощью рубашки или внутренних змеевиков, в тех случаях, когда возможно выпадение осадка или загрязнение теплопередающей поверхности, применяют якорные (рисунок 3а) или рамные (рисунок 3б) мешалки. Они имеют форму, соответствующую форме аппарата и диаметр, близкий к внутреннему диаметру аппарата или змеевика. При вращении эти мешалки очищают стенки и дно аппарата от налипающих загрязнений.

а) открытая с прямыми лопатками; б) открытая с криволинейными лопатками; в) открытая с наклонными лопатками; г) закрытая с направляющим аппаратом: 1- турбинная мешалка; 2- направляющий аппаратРисунок 3 - Турбинные мешалки.

а) б) в)   а) якорная; б) рамная; в) листовая Рисунок 4 -Тихоходные мешалки.

Листовые мешалки (рисунок 3в) имеют лопасти большей ширины, чем у лопастных мешалок, и относятся к мешалкам, обеспечивающим тангенциальное течение перемешиваемой среды. Кроме чисто тангенциального потока, который является преобладающим, верхние и нижние кромки мешалки создают вихревые токи, подобные тем, которые возникают при обтекании жидкостью плоской пластины с острыми краями. При больших скоростях вращения листовой мешалки на тангенциальный поток накладывается радиальное течение, вызванное центробежными силами.Листовые мешалки применяют для перемешивания маловязких жидкостей (вязкостью менее 0,05 Па ^. с), интенсификации процессов теплообмена, при проведении химической реакции в объеме и растворении.

Барабанные мешалки (рисунок 4) состоят из двух цилиндрических колец, соединенных между собой вертикальными лопастями прямоугольного сечения. Высота мешалки составляет 1,5 -1,6 ее диаметра. Мешалки этой конструкции создают значительный осевой поток и применяются (при отношении высоты столба жидкости в аппарате к диаметру барабана не менее 10) для проведения газо - жидкостных реакций, получения эмульсий и взмучивания осадков.

Дисковые мешалки (рисунок 5) представляют собой один или несколько гладких дисков, вращающихся с большой скоростью на вертикальном валу. Течение жидкости в аппарате происходит в тангенциальном направлении за счет трения жидкости о диск, причем сужающиеся диски создают также осевой поток. Иногда края диски делают зубчатыми. Диаметр диска составляет 0,1 - 0,15 диаметра аппарата. Окружная скорость равна 5 - 35 м/с, что при небольших размерах диска соответствует очень высоким числам оборотов. Потребление энергии колеблется от 0,5 кВт для маловязких сред, до 20 кВт для вязких смесей. Дисковые мешалки применяют для перемешивания жидкостей в объемах до 4 .

Рисунок 4 - Барабанная мешалка	Рисунок 5 - Дисковая мешалка

Рисунок 6 - Устройство дисков вибрационных мешалок

Вибрационные мешалки имеют вал с закрепленными на нем одним или несколькими перфорированными дисками (рисунок 6). Диски совершают возвратно-поступательное движение, при котором достигается интенсивное перемешивание содержимого аппарата. Энергия, потребляемая мешалками этого типа, невелика. Они используются для перемешивания жидких смесей и суспензий преимущественно в аппаратах, работающих под давлением. Время, необходимое для растворения, гомогенизации, диспергирования при использовании вибрационных мешалок, значительно сокращается. Поверхность жидкости при перемешивании этими мешалками остается спокойной, воронки не образуется. Вибрационные мешалки изготовляются диаметром до 0,3 м и применяются в аппаратах емкостью не более 3 .

Приводы мешалок

Тихоходные мешалки – лопастные, якорные и т. п. – обычно приводятся во вращение от индивидуального электродвигателя через зубчатую передачу. Приводы обычно устанавливают на крышках аппаратов, в которых мешалка работает, иногда на балках или рамах, укрепленных на крыше. Если вал длинный, то на днище сосуда монтируется дополнительная опора. В современных конструкциях привод обычно осуществляется непосредственно от электродвигателя, через редуктор. Для комбинированных мешалок применяются приводы типа, изображенного на рис. 10.

Рисунок 10 - Привод комбинированной мешалки.

От вала 1 вращение передается через две конические зубчатые передачи: через колеса 3 и 5 в одном направлении и через колеса 2 и 4 в обратном направлении. Если передаточные числа обеих пар одинаковы, то валы колес 4 и 5 будут вращаться с одинаковой скоростью, но в разные стороны. Если комбинированная мешалка состоит из тихоходной и быстроходной мешалок, ставятся два независимых привода. Якорная мешалка приводится во вращение от электродвигателя через пару конических колес, а турбинная – от своего электродвигателя (валы соединены муфтам). Если места на крышке сосуда или над ней недостаточно, привод располагают под сосудом, что, однако требует установки хорошего сальникового уплотнения.

Приводы пропеллерных мешалок чаще всего осуществляются в зависимости от скорости вращения: 1.от электродвигателя, непосредственно связанного с валом мешалки; 2.от электродвигателя через шестеренчатую передачу; 3.от электродвигателя со встроенным редуктором; 4.от электродвигателя через клиноременную передачу. Пример привода первого типа для стационарных пропеллеров показан на рисунке 11.

Рисунок 11 - Привод пропеллерной 1- стойка ; 2- подшипник ; 3- подвижная мешалки. втулка ; 4- неподвижная втулка ; 5- штифты ; 6,7- болты Рисунок 12 - Опоры концевые внутренние для вертикальных валов перемешивающих устройств.

Для уменьшения длины вала прибегают к установке привода под сосудом. Более короткие валы имеют также боковые мешалки, привод которых устанавливается или на вертикальной стенке сосуда, или на днище в случае горизонтальных сосудов.

Стойкиотливают из чугуна или сваривают из углеродистой стали. Они представляют собой цилиндры или усеченные конусы, снабженные верхним и нижним присоединительными фланцами. В обечайке стоек имеются вырезы для удобства монтажа и демонтажа.

В приводах концевые опоры служат для подвижного закрепления нижнего конца вала перемешивающего органа. Опоры состоят (рисунок 12) из стойки 1, к которой болтами 7 прикреплен подшипник 2, в нем закреплена штифтами 5 неподвижная втулка 4. На нижнем конце вала закреплена болтом 6 подвижная втулка 3, которая вращается вместе с валом внутри неподвижной втулки 4.

Применяются также электродвигатели с регулируемым числом оборотов, что делает мешалку более универсальной, в тех случаях, когда в процессе перемешивания резко изменяется вязкость системы.

Для вертикальных стационарных пропеллеров, при обычных на практике диаметрах и скоростях вращения валов, считают допустимой длину вала до 1,8 м. Если необходимо иметь большую длину, то принимают следующие меры:

Рисунок 14 - Концевые подшипники мешалок. 1. Устанавливают концевые подшипники, монтируемые на днище сосуда, как это показано на рисунок 14а и б. 2. Устанавливают дополнительный подшипник в приводе (рисунок 15а, или дополнительный вынесенный подшипник (рисунок 15в).       Рисунок 13 - Приспособления для снижения амплитуды колебаний вала мешалки.

3. Устанавливают стабилизаторы в виде наваренных на лопасти пропеллера крылышек (рисунок 13а) или в виде широкого кольца со спицами, укрепляемого на конце вала (рисунок 13б).

Рисунок 15 - Дополнительные подшипники в приводах мешалок.

Втулки изготавливают из чугуна, графита, капрона, текстолита или фторопласта-4, остальные детали из углеродистой стали для нейтральных сред или из коррозионно-стойких материалов для агрессивных сред.

С точки зрения распределения нагрузок наиболее рациональны приводы с концевыми подшипниками, однако, во многих случаях из-за коррозионного или абразивного действия среды их нельзя устанавливать.

Концевые подшипники в аппарате работают в очень тяжелых условиях: их невозможно смазывать, они плохо доступны для осмотра и ремонта. Конструкция подшипника должна обеспечивать свободную циркуляцию жидкости через него. На рисунке 16а показан типовой концевой подшипник (подпятник). Подпятник, показанный на рисунке 16б, применяется для футерованных аппаратов. Коническое основание этого подпятника обеспечивает ему высокую жесткость и предохраняет футеровку вблизи подпятника от разрушения.

а) типовая конструкция; б) подпятник для футерованных аппаратов

Рисунок 16 - Концевые подшипники.

При работе мешалки без концевого подшипника возможно появление крутильных колебаний консольного вала мешалки, являющихся следствием динамических нагрузок на вал от перемешиваемой среды, условий закрепления вала в опорах, конструкции мешалки. При неправильном учете в процессе конструирования таких важных критериев надежности, как жесткость и виброустойчивость, эксплуатация аппаратов с мешалками встречает ряд затруднений. Если вал с мешалкой не отбалансирован и в его подшипниковых опорах имеется люфт d , то возможно отклонение нижнего конца вала на величину s. Схема отклонения вала с двумя подшипниковыми опорами изображена на рисунке 18.

1- редуктор; 2- продольно-разъемная муфта; 3- стойка привода; 4- уплотнение; 5- опора привода; 6- маслоуловитель; 7- вал; 8- концевой подшипник Рисунок 17 - Привод.	Рисунок 18 - Схема колебаний вала.

Из подобия треугольников (рисунок 18) получаем соотношение:

, (29)

, (30)

Т.е. колебания вала зависит от величины люфта d и отношения L/l.

Если люфт устранить полностью, то величину отношения L/l можно ограничить. Для надежной работы консольного вала мешалки рекомендуется L/l 4. Для уменьшения крутильных колебаний вала после крепления мешалки он должен быть статически отбалансирован. При опасности возникновения крутильных колебаний, которые ведут к нарушению работы сальника, или при больших значениях L/l необходима установка концевого подшипника. Крутильные колебания вызывают повышенный износ подшипников и сальника. Концевой подшипник устраняет крутильные колебания, улучшая работу сальника и подшипниковых опор. Хотя концевой подшипник работает в агрессивной среде, применение его для нормальной работы аппарата необходимо при большой длине или высокой частоте вращения вала. Для обеспечения соосности обеих втулок может применяться концевой подшипник (рисунок 19), в котором обойма невращающейся втулки имеет шаровую поверхность, что дает возможность устанавливать ось этой втулки в нужном направлении.

1- вал; 2- вращающаяся втулка; 3- невращающаяся текстолитовая втулка; 4- обойма.

Рисунок 19. - Концевой подшипник с шаровой обоймой

Крепление мешалок.В простейших конструкциях лопасти приваривают непосредственно к валу. Однако, элементы крепятся на валу с помощью разъемных соединений. Обычно мешалка состоит из ступицы, к которой привариваются лопасти. Ступица крепится на валу с помощью шпонки и стопорных устройств, препятствующих осевому смещению. В случае установки мешалки в середине вала ее закрепляют стопорным винтом (рисунок 20а), при установке на конце вала – концевой гайкой (рисунок 20б) или с помощью двух полуколец, которые закладываются в кольцевую выточку на валу (рисунок 20.в).

а) стопорным винтом; б) концевой гайкой; в) полукольцами

Рисунок 20. - Способы крепления мешалок на валу.

При конструировании мешалок необходимо учитывать условия их монтажа. Мешалки небольших аппаратов (диаметром 1,2 м и менее) обычно собираются совместно с крышкой и вместе с ней устанавливаются в аппарат. Они должны иметь минимум разъемных соединений. Мешалки для крупногабаритных аппаратов целесообразно делать разъемными из частей таких размеров, которые можно пронести через лаз аппарата. Это дает возможность разбирать мешалку при ремонтных и монтажных работах, не снимая крышку и привод. В цельносварных аппаратах мешалка обязательно должна быть разборной.

Муфты служат для соединения вала привода с валом мешалки. Применяют в основном нормализованные муфты двух типов – продольно-разъемные и зубчатые.

1- корпус; 2- накидные фланцы; 3- разрезное кольцо; 4- пружины; 5- болты Рисунок 21 - Продольно- разъемная муфта.

1- обойма зубчатая; 2- втулка зубчатая; 3- крышка; 4- уплотнение; 5- масленка Рисунок 22 - Муфты зубчатые для соединения вертикальных валов приводов перемешивающих устройств.

Продольно-разъемные муфты применяют для жесткого соединения выходного вала редуктора (мотор-редуктор) с валом перемешивающего устройства с промежуточным валом при любом числе промежуточных опор. Муфта состоит (рисунок 21) из корпуса 1 (образующегося двумя половинами), накидных фланцев 2 и шпилек 5 с шайбами и гайками. Соединяемые концы валов имеют кольцевые проточки, на которые надето разрезное кольцо 3, половинки его скрепляются двумя пружинами 4. Сверху надеты на шпонке половины корпуса, после затяжки шпилек фланцев получается жесткое соосное соединение валов. Зубчатые муфты применяют для соединения выходных валов мотор-редуктора и электродвигателя (гидромотора) с промежуточным валом при двух промежуточных опорах. Муфта состоит (рисунок 22) из зубчатой обоймы 1, укрепленной шпонкой на валу мотор-редуктора, и зубчатой втулки 2, сидящей на шпонке на промежуточном валу. Зубья втулки входят во впадины обоймы. Муфта передает крутящий момент, но не соединяет валы жестко по оси.