APARATURA W OCHRONIE ŚRODOWISKA - 7. MIESZANIE I MIESZALNIKI Wykład dla kierunku Ochrona Środowiska Wrocław, 2015 r. Wprowadzenie Mieszanie stosuje się w celu uzyskania jednorodności w jedno- lub wielofazowym środowisku. Uzyskanie jednorodności może dotyczyć: składu (stężenia) składników; gęstości; temperatury; innych właściwości mieszaniny. Mieszanie jest zasadniczym sposobem intensyfikacji procesów wymiany ciepła i masy oraz przyspieszenia reakcji chemicznych. 1
Mieszanie materiałów W procesach mieszania decydującą rolę odgrywa stan skupienia substancji. Zdolność do mieszania maleje w kolejności: gaz > ciecz > ciało stałe. Aparaty do mieszania ogólnie nazywane się mieszalnikami. W zależności od stanu skupienia stosuje się: mieszalniki przy fazie ciekłej; mieszarki przy ciałach stałych sypkich; zagniatarki przy cieczach lepkich, stężonych zawiesinach, szlamach, pastach. Mieszanie gazów Mieszanie gazów zachodzi łatwo wskutek dyfuzji molekularnej.! Dyfuzja; dyfuzja molekularna proces samorzutnego rozprzestrzenia i mieszania się cząsteczek, będący konsekwencją chaotycznych zderzeń cząstek. Mieszanie gazów może być przyspieszone poprzez dyfuzję burzliwą (turbulentną) z zastosowaniem tzw. promotorów burzliwości, np. półek sitowych lub wypełnień w kolumnach, mieszalników statycznych mieszadeł mechanicznych. 2
Mieszanie gazów w inżynierii środowiska W zagadnieniach związanych z inżynierią środowiska do transportu i mieszania gazów najczęściej wykorzystuje się wentylatory. Przykłady: układy wentylacji i klimatyzacji pomieszczeń mieszanie strumieni powietrza. Rodzaje wentylatorów: promieniowe; osiowe. Wentylatory promieniowe Zasada działania wentylatorów: promieniowych strumień powietrza zasysany jest osiowo, a tłoczony promieniowo; 1 wlot, 2 wirnik, 3 wał, 4 korpus, 5 wylot, Źródło: Koch R., Noworyta A., Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1998 Źródło:wentylatorownia.pl/2855,wenty lator-promieniowy-gd-2-1331000-3-0s.html 3
Wentylatory osiowe Zasada działania wentylatorów: osiowych strumień powietrza zasysany i tłoczony jest osiowo (wzdłuż wału wentylatora). 1 wirnik, 2 koło kierownicze, 3 dyfuzor Źródło: Koch R., Noworyta A., Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1998 Źródło:wentec.pl/produkt/30/20/WENTY LATORY/Osiowe_Kanalowe/WENTYLA TOR_OSIOWY_KANALOWY.html Mieszanie cieczy W cieczach dyfuzja molekularna jest wolniejsza niż w gazach mieszanie jest utrudnione. Do mieszania cieczy wykorzystać można: barbotaż; pompy; mieszalniki statyczne; mieszalniki mechaniczne. 4
Barbotaż Barbotaż (perlenie) przepływ pęcherzyków gazu przez warstwę cieczy. wlot gazu wylot gazu ciecz mieszana pęcherzyki gazu Barbotery Do generowanie pęcherzyków stosuje się barbotery (bełkotki), w których gaz wydobywa się przez pojedynczy otwór lub przez perforowane rury, dyski (talerze), membrany. Płuczka do gazów Dreschla, ze spiekiem szklanym odwróconym Źródło: alabin.pl/697188,pluczka-do-gazow-wg-dreschlaze-spiekiem-szklanym-odwroconym-profilowana Dyfuzor napowietrzający Źródło: www.akwatech.pl/ 5
Barbotaż w ochronie środowiska Zjawisko barbotażu wykorzystuje się np. w procesach oczyszczania ścieków do napowietrzania ścieków. Zbiornik otwarty napowietrzany barbotażowo wykorzystanie rur perforowanych Źródło: : Podgórski W., Inżynieria środowiska. Wybrane procesy. www.kbos.ue.wroc.pl/wp-content/uploads/2012/04/is-2012-skrypt.pdf Barbotaż napowietrzanie ścieków Oczyszczalnia ścieków Fordon w Bydgoszczy dyfuzory ceramiczne rurowe Oczyszczalnia ścieków w Somoninie dyfuzory elastomerowe talerzowe Źródło: www.stalbudom.pl/pl/referencje/realizacje/napowietrzanie-sciekow 6
Mieszanie cieczy przy użyciu pomp Mieszanie cieczy przy użyciu pomp polega na cyrkulacji lub recyrkulacji cieczy albo zawiesiny przez pompę. W układach takich często stosuje się dysze mieszające (dysze eżektorowe, hydroeżektory). Źródło: www.agrojet.pl/porady/dysze-ezektorowe-do-mieszania-cieczy-w-zbiorniku Hydroeżektory w ochronie środowiska Układy pompowe z hydroeżektorami stosowane są do mieszania wody oraz oczyszczania (spłukiwania) zbiorników retencyjnych (usuwanie osadów) Źródło: www.xylemwatersolutions.com/scs/poland/pl/documents/broszury/mieszadla/hydroezektory-flygt-jp4700.pdf 7
Mieszalniki statyczne Mieszalniki statyczne mają postać kolumn półkowych, kolumn z wypełnieniem lub przewodów rurowych z odpowiednio wyprofilowanymi kształtkami mieszającymi. Źródło: www.euromixers.co.uk/?page=static&l=po Wpływający płyn jest dzielony na dwie lub więcej warstw, przepływających przez kształtki mieszające. Warstwy te ciągle się rozdzielają i łączą aż do momentu otrzymania mieszaniny jednorodnej na wypływie. Mieszalniki statyczne przykłady rozwiązań Źródło: www.burlingtonpump.com/koflo-clear-pvc.htm Źródło: www.jlsintl.com/process- US/converting/mixers-ext/mixers-hx.html Źródło: www.koflo.com/static-mixers.html 8
Mieszalniki statyczne przykłady zastosowań Mieszalniki statyczne stosowane są w procesach uzdatniania wody i oczyszczania ścieków: odkwaszanie i zakwaszanie wody bezpośrednio w rurociągu, rozcieńczanie kwasów i zasad, mieszanie flokulantów ze strumieniami ścieków, usprawnianie procesów koagulacji. Źródło: www.fapo.com.pl/index.php/pl/mieszadla/mieszadla-statyczne Mieszalniki mechaniczne Mieszalniki mechaniczne to zbiorniki wyposażone w mieszadła. Mieszanie zachodzi wskutek ruchu masy cieczy, wywołanego ruchem mieszadła. W zależności od ruchu mieszadła rozróżnia się: mieszadła wibracyjne; mieszadła obrotowe. Źródło: www.umewar.gex.pl/galeria.html 9
Mieszadła wibracyjne Zasada działania mieszalników wibracyjnych tarcza perforowana umieszczona na wale wykonuje ruch posuwistozwrotny, wprawiając układ w ruch drgający powodujący homogenizację układu. Schemat mieszadła wibracyjnego Źródło: Koch R., Noworyta A., Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1998 Mieszadła obrotowe Ze względu na kierunek przepływu strumienia w mieszalniku rozróżnia się mieszadła wytwarzające przepływ: a) osiowy, a) b) c) b) promieniowy, c) okrężny. Mieszadła osiowe wytwarzają przepływ cieczy równoległy do wału mieszadła. Mieszadła promieniowe wytwarzają przepływ cieczy poziomy, promieniowo skierowany do ściany zbiornika. Przepływ okrężny to przepływ poziomy, dookoła wału mieszadła. 10
Mieszadła turbinowe Do mieszadeł promieniowych zalicza się mieszadła turbinowe płaskie dyski z łopatkami (prostymi lub profilowanymi), w obudowie otwartej lub zamkniętej. Liczba łopatek może dochodzić do 10 (zwykle 6). a) b) c) Mieszadła turbinowe z łopatkami: a) prostymi, b) wygiętymi, c) nachylonymi Źródło: Warych J., Aparatura chemiczna i procesowa. Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa, 2004 Mieszadła turbinowe d) e) f) g) h) Mieszadła turbinowe z łopatkami: d) talerzowymi, e) klatkowymi, f) zakrytymi, g) tarczowymi odkrytymi z łopatkami prostymi, h) tarczowymi odkrytymi z łopatkami wygiętymi Źródło: Warych J., Aparatura chemiczna i procesowa. Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa, 2004 11
Mieszadła turbinowe przykłady rozwiązań Mieszadła turbinowe Źródło: www.buchiglas.com/pl/produkty/reaktory-cisnieniowe-autoklawylaboratoryjne/skala-lab-pilot-025-250-litrow/pilotclave.html Mieszadła promieniowe łapowe i kotwicowe Do mieszadeł promieniowych zalicza się również mieszadła łapowe i kotwicowe zawierają dwie lub większą liczbę łap otwartych. a) b) c) Mieszadła : a) łapowe proste, b) wielołapowe, c) kotwicowe (palcowe) Źródło: Warych J., Aparatura chemiczna i procesowa. Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa, 2004 12
Mieszadła kotwicowe przykłady rozwiązań Źródło: www.agimix.pl Źródło: www.hornik.eu.com/pl/mieszadlokotwicowe-ptfe-sr-95-mm-dl-550-mm Źródło: www.hornik.eu.com/pl/mieszadlokotwicowe-ptfe-dlugosc-350-mmo-8-mm-a-o-40-mm Mieszadła osiowe Do mieszadeł osiowych zalicza się mieszadła: śmigłowe; helikoidalne: spiralne; ślimakowe; wstęgowe. a) b) Mieszadła : a) dwuśmigłowe, b) trzyśmigłowe Źródło: Warych J., Aparatura chemiczna i procesowa. Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa, 2004 Mieszadła śmigłowe stosowane są zazwyczaj w małych mieszalnikach do wytwarzania ruchu burzliwego cieczy w najbliższym otoczeniu mieszadła. 13
Mieszadła śmigłowe przykłady rozwiązań Źródło: www.hornik.eu.com/pl/mieszadlo- smiglowe-3-skrzydelka-d-preta-400-stal- 188-d1-zasieg-skrzydelek-70-srpreta-8 Źródło: elefantgroup.all.biz/pl/mieszadlasmiglowe-g2901978#!prettyphoto/0/ Źródło: www.intertools.eu/pl/p/mieszadlosmiglowe-ws-2-160x600-m14/1093 Mieszadła helikoidalne Mieszadła helikoidalne stosowane są do mieszania cieczy lepkich i zawiesin w procesach wymiany ciepła, przy dużym strumieniu przepływu. a) b) c) d) e) Mieszadła helikoidalne: a) pojedyncze, b) podwójne, c) ślimakowe, d), e) helikoidalno-ślimakowe Źródło: Warych J., Aparatura chemiczna i procesowa. Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa, 2004 14
Mieszadła helikoidalne przykłady rozwiązań Mieszadło z obrotowymi wstęgami Źródło: www.komela.bytom.pl/oferta/mieszadla Mieszadło wstęgowe Źródło: www.komela.bytom.pl/oferta/mieszadla Mieszadło spiralne Źródło: www.flexelektronarzedzia.pl Dobór mieszadeł Przy doborze mieszadła bierze się pod uwagę: właściwości fizyczne (zwłaszcza lepkość cieczy); przebieg lub możliwość przebiegu reakcji chemicznych lub wymiany ciepła; naturę fizyczną procesu w mieszalniku i rozpuszczalność cieczy; charakter substancji (roztwór, emulsja lub zawiesina); wymagany stopień wymieszania; charakter przebiegu procesu (okresowy lub ciągły). Dobór obejmuje obok typu mieszadła także ich liczbę, średnicę oraz lokalizację. 15
Dobór mieszalników Mieszalniki mogą mieć kształt prostokątny lub cylindryczny z dnem płaskim bądź stożkowym. Istotne przy projektowaniu mieszalników jest ograniczenie niekorzystnego dla jakości przemieszania ruchu okrężnego cieczy. W tym celu stosuje się: przegrody (umieszczone na ściankach zbiornika lub w pewnej odległości od nich); mieszadła umieszczone poza osią mieszalnika cylindrycznego (mimośrodowo), pod kątem lub w ścianie bocznej; dyfuzory. Dobór mieszalników Schemat mieszalnika z mieszadłem umieszczonym niecentrycznie Schemat mieszalnika z dyfuzorem Źródło: Koch R., Noworyta A., Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1998 Dyfuzor stanowi rura otaczająca szybkoobrotowe mieszadło. W dyfuzorze wytwarza się cyrkulacja wznosząca lub opadająca 16
Dobór mieszalników obliczenie mocy Jednym z podstawowych zagadnień w procesie mieszania jest obliczanie mocy niezbędnej do zapewnienia założonych warunków hydrodynamicznych. Moc mieszania zależy od następujących parametrów: 1. średnicy mieszadła; 2. wymiarów geometrycznych mieszadła i mieszalnika (średnica mieszalnika, wysokość cieczy w mieszalniku, szerokość przegród w mieszalniku, szerokość (wysokość) łopatek mieszadła, odległość mieszadła od dna mieszalnika); 3. lepkości cieczy; 4. gęstości cieczy; 5. częstości obrotów mieszadła; 6. przyspieszenia ziemskiego. Mieszadła i mieszalniki w ochronie środowiska Mieszadło śmigłowe oczyszczalnia ścieków Siemianowice Źródło: www.redor.com.pl/realizacje,23,pl.html Mieszadło turbinowe prętowe zagęszczanie osadów Źródło: www.sabkur.com/mieszad%c5%82o-pr%c4%99towe.html 17
Mieszanie ciał stałych Mieszanie ciał stałych o różnym stopniu sypkości prowadzi się w mieszarkach. Proces mieszania polega na wzajemnym przemieszczaniu się ziaren mieszanych składników tak, by uzyskać równomierny w przybliżeniu ich rozkład w całej mieszaninie. Mieszarki podzielić można na: a) mieszarki z wirującą komorą mieszania; b) mieszarki z nieruchomą komorą mieszania; c) mieszarki pneumatyczne. Mieszarki z obrotową komorą mieszania Mieszarki z obrotową (wirującą) komorą mieszania można podzielić na: a) bębnowe a) b) c) cylindryczne; a) dwustożkowe; b) dwustożkowe pochylone; a) graniaste; b) tetraedryczne; c) typu V. d) e) f) Źródło: Koch R., Noworyta A., Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1998 18
Mieszarki z obrotową komorą mieszania Dzięki odpowiednim kształtom komory i elementom wbudowanym wewnątrz (łopatki) uzyskuje się powtarzane wielokrotnie przesypywanie się materiału, z jednoczesnym przesuwem w kierunku osiowym. Mieszarki bębnowe stosowane są do mieszania materiałów sypkich (duża łatwość przesypywania się). Schemat mieszarki bębnowej cylindrycznej Źródło: Warych J., Aparatura chemiczna i procesowa. Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa, 2004 Mieszarki z nieruchomą komorą mieszania Mieszarki z nieruchomą komorą posiadają w komorze różnego rodzaju urządzenie mieszające (mieszadła). Mieszadła powodują przemieszczanie się materiału i mieszanie substancji. Mieszarki z nieruchomą komorą są stosowane do mieszania materiałów sypkich, jak również lepkich cieczy i zawiesin oraz materiałów ciastowatych. Mieszarka z komorą nieruchomą z podwójnym mieszadłem Źródło: Koch R., Noworyta A., Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1998 19
Mieszarki z nieruchomą komorą mieszania Szybkoobrotowa mieszarka łopatkowa odśrodkowa 1 bęben nieruchomy, 2 łopatki wyrzucające, 3 łopatki wciągające Źródło: Koch R., Noworyta A., Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej. Wydawnictwa Naukowo- Techniczne, Warszawa, 1998 Mieszarki w ochronie środowiska Mieszarka może być częścią układu technologicznego stacji odwadniania i higienizacji osadów ściekowych. Przeznaczona jest do wymieszania osadu odwodnionego z wapnem palonym i uzyskania jednolitej masy w celu stabilizacji lub higienizacji materii organicznej. Źródło: www.ekomontaz.com/?s=12&id_prd=37&id_gr p=27&id_pck=1 Źródło: www.pwpkatowice.pl/main/mieszarka_osadu_ z_wapnem.html 20
Mieszarki pneumatyczne Mieszarki pneumatyczne składają się ze zbiornika z lekko stożkowym dnem wykonanym w postaci rusztu. Przez ruszt wprowadzane jest powietrze, które wprawia materiał w stan fluidalny. Mieszanie pneumatyczne nadaje się do materiałów sypkich, których poszczególne składniki nie różnią się zbytnio prędkością opadania. Mieszalnik fluidyzacyjny z różnymi rusztami do napowietrzania Źródło: Koch R., Noworyta A., Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1998 Mieszarki z nieruchomą komorą mieszania zagniatarki Zagniatarki (ugniatarki) służą do mieszania materiałów plastycznych, gęstych past, bardzo lepkich cieczy. Zagniatarki charakteryzują się ciężką konstrukcją i wymagają dużych mocy do napędu mieszadeł. Składają się z koryta, w którym zazwyczaj obracają się w przeciwnych kierunkach dwa specjalnie ukształtowane mieszadła. Do ugniatania bardzo ciągliwych materiałów plastycznych lub mieszanin ciał stałych z bardzo lepkimi cieczami stosowane są zagniatarki walcowe. 21
Mieszarki z nieruchomą komorą mieszania zagniatarki Schemat zagniatarki: 1 koryto, 2 mieszadła, 3 napęd Źródło: Warych J., Aparatura chemiczna i procesowa. Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa, 2004 Mieszarki z nieruchomą komorą mieszania mieszadła zagniatarek a) d) b) e) c) Kształty mieszadeł zagniatarek: a) sigma, b) dzeta, c) czteropłatowe, d) wielopłatowe, e) krzywa falowa Źródło: Warych J., Aparatura chemiczna i procesowa. Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa, 2004 22