9.2. Перемешивание. Часть 1

Перемешивание реакционной смеси улучшает контакт между фазами, повышает скорость реакции, особенно в тех случаях, когда скорость растворения одной из фаз в жидкой реакционной среде меньше скорости самой реакции. Сильное перемешивание необходимо при быстром нагревании или охлаждении реакционной смеси для устранения местных зон перегрева или переохлаждения. В жидкостных термостатах и криостатах перемешивание способствует выравниванию температур в объеме жидкости.

Эффективность перемешивания в значительной мере зависит от конструкции мешалок. В лабораториях чаще применяют стеклянные мешалки, хотя используют для изготовления мешалок и полимерные материалы, прежде всего фторопласт-4 и полипропилен . Выбор той или иной конструкции мешалки следует проводить только опытным путем, так как до сих пор нет надежных расчетных методов определения эффективности перемешивания.

Механические мешалки разделяют по устройству на палочковые, центробежные, лопастные, якорные, пропеллерные, винтовые и вибрационные.

Палочковые мешалки (рис. 183, а) готовят из стеклянных палочек диаметром 3 - 6 мм, выбирая их форму в зависимости от диаметра сосуда, его высоты и вязкости перемешиваемой среды, плотности взвешенной твердой фазы. Эти виды мешалок применяют, когда нет более эффективных мешалок.

Центробежные мешалки (рис. 183, б), предложенные Виттом, представляют собой стеклянный полый сосуд грушевидной формы с отверстиями в центральной части. При вращении таких мешалок жидкость засасывается снизу или сверху (показано стрелками) и выбрасывается через отверстия. Такие мешалки прекрасно перемешивают маловязкие жидкости особенно при большом числе оборотов. Они пригодны и для перемешивания тонких суспензий и двух несмешивающихся жидкостей, капли которых интенсивно распыляются в двух жидких фазах.

Рис. 184. Лопастные мешалки (а). Вихри в слое жидкости (6). Углы крепления лопастей к оси (в). Сосуд с выступами (г)

Витт Отто Николаус (1853 - 1915) - немецкий химик-органик.

Лопастные мешалки (рис. 184) - наиболее распространенный вид лабораторных мешалок. Они имеют две или четыре плоские лопасти, приваренные к оси либо под углом 90°, либо под другими углами. Ширину лопасти определяют экспериментально, а диаметр лопастей обычно составляет 0,7 диаметра сосуда, в котором работает мешалка.

В сосудах с узким горлом используют складывающиеся иди поворачивающиеся лопасти 3 (рис. 184, а), которые при oт-сутствии вращения мешалки опускаются в обойме 2 и легкo проходят через небольшое горло сосуда. Обойма приварена к стержню мешалки 1.

Число оборотов лопастной мешалки колеблется от 12 дo 90 об/мин. При малых оборотах лопастной мешалки жидкость вращается по окружности, в которой движутся лопасти, и поэтому не происходит смешивания различных слоев жидкости При интенсивном перемешивании появляются вихревые потоки движения жидкости в плоскости вращения лопасти от центра сосуда к его стенкам (рис. 184, б). В центре сосуда от такого движения возникает область пониженного давления, в которую всасывается жидкость из слоев, лежащих выше и ниже лопасти. Все это приводит к интенсивному перемешиванию отдельных слоев жидкости, возрастающему с увеличением числа оборотов мешалки. При круговом движении жидкости на ее поверхности под действием центробежной силы образуется воронка, глубина которой возрастает с увеличением числа оборотов мешалки. Образование воронки ведет к частичному использованию емкости сосуда, к необходимости брать более высокий сосуд или уменьшать количество перемешиваемой смеси.

Установка плоской лопасти под некоторым углом к направлению ее движения вызывает появление вертикальных потоков жидкости. Когда угол а больше 90° (рис. 184, в), частицы суспензии, ударяясь о лопасть, отражаются вверх. При угле наклона лопасти,меньшем 90°,поток суспензии будет стремиться вниз. Поэтому при перемешивании тяжелых осадков или более тяжелой жидкости для взмучивания частиц тяжелого осадка со дна сосуда лопасти мешалки устанавливают под углом, большим 90°-Наоборот, когда суспензия концентрируется в верхних слоях жидкости, для лучшего перемешивания устанавливают лопасти с углом наклона,меньшим 90°.

Хорошее перемешивание лопастными мешалками достигается при использовании специальных химических стаканов с приваренными по окружности четырьмя стеклянными палочками (риc. 184, г). При обтекании жидкостью таких выступов за ними возникает зона пониженного давления, в которой появляются вихри жидкости. Вихри распространяются по всему объему, способствуя более равномерному перемешиванию жидкости и препятствуя вращению всей массы жидкости как целого с образованием воронок.

Снабжая мешалку несколькими парами лопастей с наклонами в разные стороны, можно создать перекрестные потоки жидкости и осуществлять весьма интенсивное перемешивание суспензий.

Рис. 185. Якорные (а) и пропеллерные (б) мешалки. Потоки суспензии при работе пропеллерных мешалок (в - д)

Якорные мешалки (рис. 185, а) отличаются от остальных мешалок тем, что их лопасти повторяют контур дна сосуда, образуя с ним незначительный зазор и напоминают якорь. Якорные мешалки относятся к тихоходным мешалкам; их применяют для перемешивания вязких растворов и предупреждения образования осадков и накипи на дне сосуда.

Якорные мешалки производят из нержавеющей стали, титана и ударопрочных полимерных материалов . При сборке таких мешалок сначала в сосуд заводят дугообразную часть мешалки, а затем вворачивают ее вал во втулку якоря.

Пропеллерные мешалки (рис. 185, б) имеют две-три лопасти, сваренные вместе, таких групп лопастей на валу может быть несколько. Лопасти этой мешалки фактически представляют собой пропеллер. Жидкость, окружающая его, перемещается в направлении оси мешалки. Если винтовая поверхность пропеллера правая, а вращение оси происходит по часовой стрелке, то осевое движение суспензии направлено вверх (рис. 185, в). Диа-диаметр лопасти пропеллера принято делать равным 0,25 -0.3 Диаметра сосуда.

Для энергичной циркуляции суспензии пропеллерная мешалка должна работать не менее чем при 400 об/мин. При перемешивании вязких жидкостей, а также суспензий и эмульсий, образующих пену, число оборотов уменьшают до 150 об/мин.

При расположении вала пропеллерной мешалки под углом 10 -20° к оси сосуда (рис. 185, г) интенсивность перемешивания резко возрастает. Чтобы улучшить циркуляцию суспензии пропеллерную мешалку помещают в диффузор (рис. 185, д), представляющий собой цилиндрический или слегка конический стакан без днища, имеющий ножки, а по бокам три выступа для центровки. Диффузор может быть как стеклянным, так и полимерным.

Пропеллерные мешалки создают более интенсивные осевые потоки, чем лопастные мешалки, и поэтому более энергично перемешивают суспензии. Такие мешалки применяют главным образом для приготовления суспензий и эмульсий, взмучивания осадков, содержащих до 10% твердой фазы с размером части до 0,15 мм, для интенсивного перемешивания маловязких жидкостей.

Винтовые мешалки (рис. 186, а) позволяют перемещать суспензию вверх по винту, а вниз она спускается по внутренней поверхности сосуда. Такие мешалки применяют в сосудах для определения растворимости (см. рис. 179) и для перемешивания пастообразных веществ.

Вибрационная (поршневая) магнитная мешалка перемешивает содержимое сосуда прямолинейным движением вдоль вертикальной оси (рис. 186, б). Диаметр колокола 4 или перфорированной стеклянной пластинки 5 делают на 2 мм меньше входного отверстия сосуда. К стеклянному валу мешалок вверху приварена стеклянная ампула 1 с железным сердечником 2, которая перемещается вертикально внутри соленоида 3. Катушку соленоида наматывают из провода длиной 61 м и диаметром 0,032 мм, изолированного эмалью и рассчитанного на постоянный ток 24 В (с прерывателем) или переменный ток 17 В. Электромагнит (соленоид) получает импульсы от прерывателя, заставляющего мешалку совершать 50 - 200 ходов в 1 мин.

Приводом вращающейся мешалки, работающей в вакуумном сосуде 6 (рис. 186, в), является железный ротор 2, связанный с осью 5 мешалки, сцентрированной во фторопластовых подшипниках 1. Вся поверхность ротора покрыта кислотоупорным лаком. Ротор предпочитают запаивать в тонкостенную цилиндрическую оболочку из полиэтилена. Ротор помещают в стеклянную головку 4, на которую одевают статор 3 трехфазного само синхронизирующегося электродвигателя (сельсина). Двигатель включают через автотрансформатор и конденсатор емкостью около 50 - 100 мкФ, чтобы можно было пользоваться одной фазой.

Рис. 186. Мешалки: винтовая (а), вибрационная (б), электромагнитная (в) и магнитная (г). Регуляторы скорости оборотов (д, е)

Безосевая магнитная мешалка (рис. 186, г) представляет coбой железный или магнитный стержень, запаянный в стеклянную или полиэтиленовую ампулу 2, помещенную в сосуд 1 с перемешиваемой суспензией. Сосуд устанавливают на прибор с вращающимся постоянным магнитом 4, скорость движения которого° регулируют от 400 до 1200 об/мин. Вокруг постоянного магнита располагают электронагреватель 3. Вращающееся движение ампулы по дну сосуда не дает твердой фазе оседать на дно и прилипать к нему. При включенном электронагревателе переживание ограничивают во времени, без нагрева такая мешалка может работать круглосуточно. Предельная кинематическая вязкость перемешиваемых таким способом растворов не должна превышать 5 сСт . Для предохранения постоянного магнита от размагничивания на верхний кожух неработающей мешалки над постоянным магнитом кладут ампулу с железным сердечником.

Мешалки с магнитным приводом дают возможность перемешивать жидкость в атмосфере инертного газа, в вакууме, в колбе с обратным холодильником.

 

Другие части:

9.2. Перемешивание. Часть 1

9.2. Перемешивание. Часть 2

 

 

К оглавлению