Перемешивание в жидкой среде. Способы перемешивания. Характеристика процесса перемешивания. Критерий мощности при перемещивании

Перемешивание -гидромеханический процесс перемещения частиц в жидкой среде с

целью их равномерного распределения во всем объеме под действием импульса, передаваемого среде механическим устройством, струей жидкости или газа.

Цели перемешивания

¨Создание суспензий-обеспечение равномерного распределения твердых частиц в

объеме жидкости;

¨Образование эмульсий, аэрация-равномерное распределение и дробление до

заданных размеров частиц жидкости в жидкости или газа в жидкости;

¨Интенсификация нагревания или охлаждения обрабатываемых масс;

¨Интенсификация массообмена в перемешиваемой системе(растворение, выщелачивание).

Основные схемы перемешивания.

§Механическое-перемешивание мешалками,вращающимися в аппарате с

перемешиваемой средой.

§Барботажное -перемешивание путем пропускания через жидкую среду потока

воздуха или газа, раздробленного на мелкие пузырьки, которые, поднимаясь в слое жидкости под действием Архимедовой силы, интенсивно перемешивают жидкость.

§Циркуляционное перемешивание -перемешивание, осуществляемое путем

создания многократных циркуляционных потоков в аппарате с помощью насоса.

Эффективность перемешивания

обеспечивается выбором параметров аппарата, перемешивающего устройства,

числа оборотов мешалки, обеспечивающих равномерность концентрации смеси в аппарате с заданной интенсивностью (т.е. за заданное время).

Теоретические аспекты процесса механического перемешивания

·При вращении лопасти мешалки в аппарате возникает

вынужденное движение жидкости, которое описывается критериальным уравнением вида: Eu_м= f(Re_м, Г)

где модифицированный критерий Эйлера

модифицированный критерий Рейнольдса Re

·геометрический симплекс Г:где

d-диаметр мешалки, м;

n-скорость вращения мешалки, об /с;

r-плотность жидкости, кг/м³;

N-мощность, потребляемая мешалкой, вт;

m-динамическая вязкость, Па·с;

К_n–критерий мощности.

Перемещение жидкостей.Основные понятия. Классификация насосов.

Перемещение жидкостей и газов

Все приведенные в дальнейшем рассуждения, относящиеся к жидкости, справедливы и для газа.

В качестве объекта управления примем трубопровод 6, по которому транспортируется жидкость от аппарата 1 к аппарату 8, и центробежный насос (компрессор) 2 с приводом от асинхронного двигателя 4 (рис. 4.1). Показателем эффективности данного процесса служит расход С перемещаемой жидкости.

Типовая схема автоматизации процесса перемещения жидкости

Рис. 4.1. Типовая схема автоматизации процесса перемещения жидкости

1, 8 - технологические аппараты; 2- насос (компрессор); 3 - подшипники; 4 - электродвигатель; 5 - обратный клапан; 6 - трубопровод; 7 - дроссельный орган.

Процесс перемещения в химической промышленности является вспомогательным; его необходимо проводить таким образом, чтобы обеспечивался эффективный режим основного процесса, обслуживаемого данной установкой перемещения. В связи с этим необходимо поддерживать определенное, чаще всего постоянное, значение расхода С. Это и будет целью управления.

Массовый расход жидкости в трубопроводе определяют по формуле

G=V/F • p, где V - скорость перемещения жидкости в трубопроводе; F - поперечное сечение трубопровода; р - плотность жидкости.

Скорость V в общем случае зависит от следующих параметров:

V = f (P, м, р), где Р - движущая сила процесса (разность давлений в начале Рн и в конце Рк трубопровода); м - динамическая вязкость перемещаемой жидкости,

Движущая сила Р зависит от характеристик насоса, от давления в аппаратах, в которые и из которых перемещается жидкость, и от общего гидравлического сопротивления трубопровода (суммы сопротивлений.собственно трубопровода, поворотов, сужений, запорной арматуры).

Насос нормального исполнения с асинхронным двигателем в качестве привода имеет постоянные характеристики. При использовании специального оборудования с изменением характеристик в объект могут быть внесены регулирующие воздействия.

Давление в аппаратах 1 и 8 определяется технологическим режимом процессов, протекающих в них. Если режим предусматривает изменение давлений, то по данным каналам в объект управления будут поступать возмущения.

Изменение общего гидравлического сопротивления трубопровода может быть обусловлено многими причинами. Его можно стабилизировать или же целенаправленно изменять, перемещая подвижную часть дроссельного органа (вентиля, клапана, заслонки), установленного на трубопроводе (дроссельное регулирование).

Вязкость и плотность перемещаемой жидкости определяются технологическим режимом предыдущего процесса, поэтому их изменения являются возмущающими воздействиями, ликвидировать которые при управлении данным процессом невозможно.

Анализ объекта управления показал, что большую часть возмущающих воздействий не удается ликвидировать. Учитывая это, в качестве регулируемой величины необходимо взять непосредственно показатель эффективности - расход G. Наиболее простым способом регулирования при этом является изменение положения дроссельного органа на трубопроводе нагнетания. Устанавливать дроссельный орган на трубопроводе всасывания не рекомендуется, так как это может привести к кавитации и быстрому разрушению лопаток насоса.

При пуске, наладке и поддержании нормального режима процесса перемещения необходимо контролировать расход G, а также давление во всасывающей и нагнетательной линиях насоса} для правильной эксплуатации установки перемещения требуется контролировать - температуру подшипников и обмоток электродвигателя насоса, температуру и давление смазки и охлаждающей жидкости; для подсчета технико-экономических показателей процесса следует контролировать количество энергии, потребляемой приводом.

Сигнализации подлежит давление в линии нагнетания; поскольку значительное изменение его свидетельствует о серьезных нарушениях процесса. Кроме того, следует сигнализировать давление и наличие потока в системе смазки и охлаждения, температуру подшипников и обмоток электродвигателя, масла и воды. Сигнализируется также положение задвижек в линиях всасывания и нагнетания.

Если давление в линии нагнетания или параметры, характеризующие состояние объекта, продолжают изменяться, несмотря на принятые обслуживающим персоналом меры, то должны сработать автоматические устройства защиты. Они отключают действующий аппарат перемещения и включают резервный (на рисунке не показан).

Регулирование при различных целях управления.

Часто установка перемещения должна обеспечить стабилизацию какого либо параметра процесса, предшествующего процессу перемещения или следующего за ним. Например, может быть поставлена следующая задача: изменением расхода газа поддерживать постоянное давление в аппарате или же изменением расхода жидкости в трубопроводе стабилизировать уровень в аппарате.

Учитывая многообразие процессов химической технологии и задач, которые ставятся при их проведении, можно сказать, что в качестве регулируемой величины при перемещении.потоков могут служить любые параметры этих процессов: температура, концентрация, плотность, толщина пленки, время и т. д.

Если заранее известно, что на установку перемещения будут поступать возмущения, приводящие к изменению расхода (и, следовательно, регулируемой величины) в последующем аппарате, следует применять многоконтурную систему регулирования. Основным регулятором в этой системе будет регулятор параметра, постоянство которого следует обеспечить, а вспомогательным - регулятор расхода.

Классификация насосов.

Основные термины и определения:

1.Насос – машина для создания потока жидкостей среды.

2.Динамический насос – насос, в котором среда перемещается под силовым воздействием на нее в камере, постоянно сообщающейся со входом и выходом насоса.

2.1.Лопасной насос – динамический насос, в котором жидкая среда перемещается путем обтекания лопасти.

2.1.1.Центробежный насос – лопастной насос, в котором жидкая среда перемещается через рабочее колесо от центра к периферии.

2.1.2.Осевой насос – лопастной насос, в котором жидкая среда перемещается через рабочее колесо в направлении его оси.

2.1.3.Диагональный насос – лопастной насос, в котором жидкая среда перемещается наклонно, по диагонали прямоугольника, составленного радиальным и осевым направлениями.

2.2.Насос трения – динамический насос, в котором жидкая среда перемещается под воздействием сил трения.

2.2.1.Черпаковый насос – насос трения, в котором жидкая среда перемещается через отвод от периферии к центру.

2.2.2.Вихревой насос – насос трения, в котором жидкая среда перемещается по периферии рабочего колеса в тангенциальном направлении.

2.2.3.Свободновихревой насос – насос трения, в котором жидкая среда перемещается через винтовой шнек в направлении его оси.

2.2.4.Шнековый насос – насос трения, в котором жидкая среда перемещается через винтовой шнек в направлении его оси.

2.2.5.Дисковый насос – насос трения, в котором жидкая среда перемещается через рабочее колесо от центра к периферии.

2.2.6.Вибрационный насос – насос трения, в котором жидкая среда перемещается в процессе возвратно-поступательного движения.

2.2.7.Струйный насос – насос трения, в котором жидкая среда перемещается внешним потоком жидкой или газообразной среды.

2.2.8.Наклоннодисковый насос – насос трения, в котором жидкая среда перемещается от центра к периферии вращающегося наклонного диска.

2.2.9.*Воздушный водоприемник (эрлифт) – насос трения, в котором жидкая среда выталкивает водовоздушную смесь, образующуюся в водоподъемной трубе при подаче в ее нижнюю часть сжатого воздуха (газа).

2.3.Электромагнитный насос – динамический насос, в котором жидкая среда перемещается под воздействием электромагнитных сил.

2.4.Центробежно-вихревой насос – динамический насос, в котором жидкая среда перемещается от центра к периферии и по периферии рабочего колеса (колес) в тангенциальном направлении.

3.Объемный насос – насос, в котором жидкая среда перемещается путем периодического изменения объема занимаемой ею камеры, попеременно сообщающейся со входом и выходом насоса.

3.1.Роторный насос – объемный насос с вращательным или вращательным и возвратно-поступательным движением рабочих органов независимо от характера движения ведущего звена насоса.

3.1.1.Роторно-вращательный насос – роторный насос с вращательным движением рабочих органов.

3.1.2.Роторно-поступательный насос – роторный насос с вращательным и возвратно-поступательным движением рабочих органов.

3.1.3.Роторно-поворотный насос – роторный насос с вращательным и возвратно-поворотным движением рабочих органов.

3.2.Возвратно-поступательный насос – объемный насос с прямолинейным возвратно-поступательным движением рабочих органов независимо от характера движения ведущего звена насоса.

3.2.1.Поршневой насос – возвратно-поступательный насос, у которого рабочие органы выполнены в виде поршней.

3.2.2.Плунжерный насос – возвратно-поступательный насос, у которого рабочие органы выполнены в виде плунжеров.

3.2.3.Диафрагменный насос – возвратно-поступательный насос, у которого рабочие органы выполнены в виде упругих диафрагм.

3.2.4.Вальный насос – возвратно-поступательный насос с вращательным движением ведущего звена.

3.2.5.Поступательно-поворотный насос – возвратно-поступательный насос с возвратно-поворотным движением ведущего звена.

3.3.Крыльчатый насос – объемный насос с возвратно-поступательным движением рабочих органов независимо от характера движения ведущего звена насоса.

3.4.Вращательный насос – объемный насос с вращательным движением ведущего звена насоса.

3.5.Прямодействующий насос – объемный насос с возвратно-поступательным движением ведущего звена насоса.

3.6.Поворотный насос – объемный насос с возвратно-поворотным движением ведущего звена насоса.

3.7.*Ленточные и шнуровые водоподъемники (капиллярные насосы) – объемные насосы, в которых силовое воздействие на жидкую среду в поверхностных капиллярах (которые являются рабочей камерой) бесконечной ленты или бесконечного шнура, двигающихся по двум шкивам, отказывает подъемная сила, возникающая в результате принудительного вращения одного из шкивов.

3.8.*Гидротараны – объемные насосы, в которых перемещение жидкой среды осуществляется энергией гидравлического удара, который периодически повторяется вследствие резкого закрывания клапана под действием естественного потока жидкой среды источника, расположенного выше по отношению к насосу.

3.9.*Вытеснители (пульсометры) – объемные насосы, в которых жидкая среда вытесняется из камеры при помощи пара.

3.10.*Насосы Гемфри – объемные насосы, в которых газы, образуемые от воспламенения горючей смеси, вытесняют из камеры жидкую среду и перемещают ее по особым напорным трубам.

Примечания:

1.роторно-вращательные насосы подразделяются на зубчатые (в т.ч. шестеренные, коловратные, шланговые) и на винтовые;

2.роторно-поступательные насосы подразделяются на роторно-поршневые и шиберные (в т.ч. пластинчатые);

3.вальные насосы подразделяются на кривошипные и кулачковые.

Единицы измерения величин параметров насоса и их соотношения

1.Подача насоса (Q) – количество жидкости перемещаемое в единицу времени

[Q] = м3/с; м3/ч; л/с; л/мин

2.Напор насоса (Н) – разность удельных энергий жидкости в сечениях после насоса и до насоса

[Н]=м (метры водяного столба)

3.Давление насоса (Р) – напор насоса с учетом удельного веса жидкости (сила давления жидкости на единицу площади)

[Р] = Н/м2 = (кПа; МПа); бар; ат; мм.рт.ст.

4.Мощность насоса (N) – мощность потребляемая насосом

[N] = Вт; кВт

5.КПД – коэффициент полезного действия насоса (h) – отношение полезной мощности насоса к мощности насоса

[h] = %; доли от единицы

6.Вакуумметрическая высота всасывания (Нвак) – характеристика кавитационных качеств насоса с учетом условий эксплуатации и рода жидкости

[H_вах] = м

7.Геометрическая высота всасывания (hв) – разность между отметками установки насоса и уровнем воды в источнике

[hв] = м

Основная связевая формула параметров насоса:

N= gЧQЧH / h, где g - удельный вес жидкости, кг/м3.

Основные термины и определения:

Насос – гидравлическая машина, в которой подводимая извне энергия преобразуется в энергию потока жидкости.

Рис.3.1. Схема консольного центробежного насоса:

1-входной патрубок; 2- центробежное колесо; 3,4 – передний и задний диски колеса; 5 –лопасть колеса; 6- вал; 7 –спиральный сборник; 8 – напорный патрубок; 9 –подшипники.

Рис.3.2. Продольный разрез консольного центробежного насоса:

1- всасывающий патрубок; 2 – корпус со спиральным отводом; 3 – уплотнительное кольцо; 4 – центробежное колесо;5 – гайка-обтекатель; 6 – сальниковая набивка; 7 – защитная втулка; 8 – поджимная гайка; 9 – вал; 10 – опорная стойка; 11 –шарикоподшипник.

Насосный агрегат –насос, двигатель и устройство для передачи мощности к насосу, собранные в единый узел.

Насосная установка – устройство, перекачивающее жидкость из источника к потребителю с помощью насоса; включает в себя насосный агрегат, всасывающий и напорный трубопроводы с необходимой запорно-регулирующей арматурой.

Энергетические параметрические (рабочие) характеристики насоса – зависимости напора, мощности и КПД насоса от подачи при постоянной частоте вращения.

Насосные станции – комплекс гидротехнических сооружений и оборудования, обеспечивающие забор воды из источника, транспортировку и подъем ее к месту потребления.

Требуемый напор насоса равен геодезической высоте подъема жидкости плюс сумма гидравлических потерь напора во всасывающей и напорной линиях насосной установки.

Напор насосной установки зависит от:

* геодезической высоты подъема воды от минимального уровня воды в источнике до отметки потребителя (статический напор);

* величины потерь напора во всасывающем и напорном трубопроводах (динамический напор);

* величины свободного напора.

Расчетный требуемый напор насоса:

Н = Нг + hвс + hl + hм +Нсв, м

Давление насоса определяется зависимостью:

Р = Рвых - Рвх +ρ·(vвых2-vвх2)/2+ρ·g·(zвых-zвх), Па.

Напор насоса насосной установки с положительной высотой всасывания равен сумме манометрического и вакуумметрического напоров плюс разность скоростных напоров жидкости на выходе и входе насоса плюс расстояние по вертикали между точками жидкости, где давления соответствуют показаниям манометра и вакуумметра.

Напор насоса насосной установки с отрицательной высотой всасывания равен разности манометрических напоров на его выходе и входе плюс разность скоростных напоров на выходе и входе плюс расстояние по вертикали между теми точками жидкости, где давления соответствуют показаниям манометров на выходе и входе насоса.

Потери по длине на трение определяются гидравлическим уклоном и зависят от материала трубы, диаметра трубы и величины расхода, протекающего в трубе.

Насосы подбирают по каталогам насосного оборудования, выпускаемого промышленностью.

Требования к подбору следующие: тип и марку главных насосов для каждого конкретного случая выбирают в результате технико-экономических расчетов с учетом рекомендаций нормативных документов в зависимости от максимальной подачи, расположения насосов по отношению к уровню воды в источнике и др. факторов. Насосы должны обеспечивать подачу воды по заданному графику с высокой степенью надежности и экономичности, работать с высокими КПД на всех режимах, обладать требуемыми кавитационными качествами, быть удобными при установке и эксплуатации, противостоять действию агрессивных вод и пр.

Тип насоса выбирают в зависимости от его назначения, расчетных значений подачи и напора, рода перекачиваемой жидкости, условий эксплуатации и др. факторов. Выбранный насос должен устойчиво, с высоким КПД, без кавитации работать во всем диапазоне расчетных (по режимам) подач.

В каталогах насосного оборудования для каждого типа насоса имеются сводные характеристики Н-Q, по которым для заданных расчетных значений подачи и напора можно установить марку и частоту вращения вала насоса. При нескольких вариантах предпочтение отдается насосам с меньшей мощностью, более высоким КПД, меньшим значением допустимого кавитационного запаса, меньшей массой и габаритными размерами.

Рис. 3.3. Сводные характеристики насосов типа Д.

При расчетных подачах менее 2 м3/с предпочтение следует отдавать наиболее надежным, простым по конструкции легким в эксплуатации центробежным насосам горизонтального исполнения.

Рис.3.5. Пределы изменения параметров насосов различных типов:

I – объемные; II – центробежные; III – осевые; IV – водоприемники различных типов.

Напорно-расходной характеристикой трубопровода называется зависимость, описываемая уравнением Нт = Нг + S·Q2, м. (Нг – геодезическая высота подъема, м; S·- суммарный коэффициент сопротивлений трубопровода).

Точка пересечения характеристики трубопровода с характеристикой насоса называют рабочей точкой насосной установки (т. В).

При несовпадении расчетной точки и фактической рабочей точки для обеспечения надежной технически и экологически безаварийной работы необходимо регулирование насоса одним из способов.

24. Основные характеристики насосной установки: производительность, напор, мощность двигателя. Характеристики насоса, трубопровода. (с. 267-270).