Проблема смешивания высоковязких материалов. Реакторы с мешалками и рубашками – виды, технические особенности, модели

Проблема смешивания высоковязких сред

В наиболее общем смысле смешивание – это взаимодействие отдельных, независимых друг от друга ингредиентов под действием внешней силы, в результате чего должен образоваться однородный продукт. Однородность конечного продукта – ключевой критерий качества процесса. В случае смешивания высоковязких материалов задача достижения однородности становится более сложной, однако, выполнимой. Для понимания особенностей смешивания сред высокой вязкости необходимо рассмотреть более простой процесс смешивания сред низкой вязкости.

Турбулентность в смешивании низковязких материалов

Когда мешалка турбинного типа создает турбулентность в низковязких материалах (менее 5000 сантипауз (сП)), поток становится хаотичным. Лицевая часть вращающейся лопасти создает значительные движения, как в осевом, так и в радиальном направлении, обычно на расстоянии от 2 до 10 диаметров лопасти. Чем ниже вязкость, тем выше турбулентность и протяженность потока. Интенсивность потока измеряется как отношение пульсирующей скорости к средней скорости. В редких случаях, когда среднеквадратичные пульсирующие скорости равны, возникает состояние, называемое изотропная турбулентность.

Для определения турбулентности используется число Рейнольдса (Re) – безразмерной величины, вычисляемой на основе скорости потока, плотности и вязкости жидкости. Число Рейнольдса – это отношение инерционных сил к силам вязкого (внутреннего) трения материалов. Степень турбулентности определяет размер образующихся вихревых потоков. Обычно турбулентный поток находится в диапазоне 1000-100000 чисел Рейнольдса и во многом зависит от мешалки. Показатель мощности мешалки обычно оценивается в турбулентном диапазоне, при этом базовым показателем оценки в расчете является число Рейнольдса равное 100000.

Способ смешивания материалов может влиять на то, будет возникать изотропная или хаотичная турбулентность. При ламинарном потоке жидкости движутся слоями, не перемешиваясь, а, скользя относительно друг друга, пульсации скорости и давления при этом отсутствуют. В турбулентном потоке слоистость нарушается, движение жидкости сопровождается перемешиванием и беспорядочными пульсациями скорости и давления. Границей между ламинарным и турбулентным потоком считается число Рейнольдса равное 2100. При его превышении перемешивание усиливается, при снижении – интенсивность падает. При этом сама по себе интенсивность не характеризует турбулентное движение.

В турбулентном потоке скорость жидкости в одной точке часто связана с точкой в соседних вихрях. Не имея четкой границы между вихрями, эти потоки постепенно сливаются друг с другом, образуя новые вихри и сохраняя хаотическую турбулентность. Это обуславливает качественное перемешивание и высокую однородность получаемого продукта.

Смешивание высоковязких материалов

При смешивании высоковязких материалов перемешивающее устройство (реактор / миксер) должно максимально точно и интенсивно перемещать продукт. Для эффективного смешивания вязких продуктов необходимо использовать ламинарные, а не турбулентные мешалки. Это ключевой момент высоковязкого смешивания, поскольку ламинарные мешалки обычно заполняют всю рабочую емкость перемешивания. В вязкой области образование вихревых потоков ограничено в связи с тем, что исходная смесь движется преимущественно по обтекаемым линиям, движение останавливается на небольшом расстоянии от лопасти мешалки, формируется очень слабый турбулентный поток. Соответственно, высокие уровни энергии, передаваемые мешалкой, рассеиваются на очень коротком расстоянии, что приводит к локализованному накоплению тепла и плохому теплообмену. С учетом этих особенностей важно правильно подобрать перемешивающее устройство для конкретной задачи и продукта.

Как выбрать подходящее перемешивающее устройство

Наиболее общие критерии выбора включают время и методы загрузки, смешивания, очистки, разгрузки, особенности технического обслуживания, энергопотребление и конструкцию смесителя (включая контроль вакуума, давления и температуры). На этапе выбора важно оценить эффективность всей системы смешивания, а не только производительность устройства.

• Реологические свойства смешиваемых продуктов, в частности неньютоновских жидкостей
  В системах, зависящих от времени, вязкость тиксотропных продуктов снижается, а вязкость реопектических продуктов увеличивается при постоянных скоростях сдвига. В нестационарных системах с увеличением сдвига вязкость псевдопластических продуктов уменьшается, а дилатантных – увеличивается. Вязкоупругие жидкости способны восстанавливаться после деформаций, вызванных потоком от мешалки. Полимерные жидкости представляют собой самую большую группу в этом классе и могут проявлять эффект Вайсенберга, при котором жидкость поднимается вверх по вращающемуся валу мешалки.
• Сила сдвига
  Сдвиг обычно происходит при низких числах Рейнольдса. Он возникает из-за разных скоростей различных линий потока. Тепло является побочным продуктом напряжения, создаваемого между частицами. Это напряжение имеет тенденцию разрывать частицы на части в условиях вязкого потока. Сдвиг полезен при деагломерации, но может оказаться вредным при попытке сохранить размер частиц во время смешивания.
• Температурный режим
  Когда температуру необходимо поддерживать в определенном диапазоне, может потребоваться дополнительное оборудование для нагрева или охлаждения системы. В сложных случаях это могут быть устройства с компьютерным управлением, которые действуют по команде для управления теплообменом. Каждое из этих устройств потребует дополнительных капитальных затрат, затрат на установку, эксплуатацию и техническое обслуживание.
• Экономические факторы
  Эффективная система смешивания, идеально подходящая под производственные задачи может оказаться не самой экономичной. Прогнозируемая прибыльность системы должна быть сопоставлены не только с капитальными и эксплуатационными затратами, но и с ожидаемым временем запуска, необходимым для такой системы. Кроме того, следует учитывать альтернативное использование и стоимость оборудования при перепродаже.

Перечень технических критериев выбора

• Высоковязкие смесители ротационного типа, как правило, работают на низких скоростях (при скорости лопастей от 6000 до 24000 см/мин, но может быть и ещё ниже на вязкостях выше 1000 сантипуаз).
• Сдвиг может быть произведен простым движением лезвия, проходящего через продукт. На него влияют вязкость продукта, ширина лопастей, скорость лопастей, конструкция лопастей, количество лопастей, близость лопастей к стенкам резервуара и близость лопастей друг к другу.
• В ньютоновских системах (где скорость сдвига линейно связана с напряжением сдвига), сдвиг является прямой функцией скорости и не влияет на вязкость.
• В неньютоновских системах сдвиг уменьшает вязкость псевдопластов и увеличивает вязкость дилатантных материалов. На вязкость тиксотропных и реопектических материалов влияет время, поскольку сдвиг остается постоянным. Сама структура частиц также может меняться при постоянном сдвиге. В тиксотропных продуктах сдвиговые напряжения и вязкость уменьшаются, а в реопектических материалах возрастают.
• Потребляемая мощность и сдвиг имеют тенденцию увеличиваться по мере увеличения вязкости и падать по мере увеличения зазора между смесительными лопастями и корпусом рабочей емкости.
• Горизонтальные смесители могут обеспечить превосходное перемешивание, если в дополнение к правильной геометрии лопастей реология и вязкость продукта допускают опрокидывающее движение внутри смесительной камеры.
• Вертикальный смеситель обеспечивает превосходное перемешивание, если продукт перемещается с помощью лопастей таким образом, что создаются вихри, которые механически сталкиваются с соседними вихрями или волнами.
• Возможно дополнение устройства высокоскоростными измельчающими или пилообразными диспергирующими лопастями. Высокоскоростное лезвие со скоростью от 60000 до 150000 сантиметров в минуту будет генерировать гораздо более высокий сдвиг, чем одно низкоскоростное лезвие. Однако, высокоскоростная лопасть создает поток на очень ограниченном расстоянии внутри вязких материалов. Поэтому для подачи продукта на высокоскоростную лопасть требуется низкоскоростная лопасть, чтобы повысить однородность смеси и свести к минимуму образование зон плохого смешивания и высокой температуры.
• Шнеки улучшают осевое перемещение партии в вертикальных смесителях. Но большая часть их эффективности может быть потеряна, если они не будут эксплуатироваться внутри трубчатого корпуса. Усложняется очистка оборудования.
• Открытые спиральные лопасти хорошо работают в горизонтальной плоскости, создавая на выходе из вращающихся элементов вертикальное опрокидывающее действие, благоприятное для перемешивания.
• Открытые спиральные лопасти, работающие в вертикальной плоскости, более эффективны при использовании в сочетании с дополнительным перемешиванием внутри спирали или с подъемом и опусканием лопасти. Без этих опций часто создаются стационарные тороидальные вихри, которые уменьшают площадь, доступную для потока жидкости, и снижают производительность, поскольку требуют увеличения времени перемешивания.
• Коэффициент теплопередачи удваивается, когда скребки добавляются к анкерному или винтовому лезвию. Однако требования к мощности также удваиваются. Кроме того, некоторые продукты необходимо постоянно снимать со стенок емкости для обеспечения однородности.
• В жидкостях, разжижающихся при сдвиге, стандартная мешалка с осевым потоком может сравниться по перемешивающей способности с вертикальной винтовой лопастью, но требует примерно в 4 раза большей мощности.
• Добавление к высокоскоростному и низкоскоростному валу вала промежуточной скорости может усилить перемешивание.
• Включение центрального высокоскоростного вала и лопастей с вращающимся якорным захватом позволяет использовать лопасти большего диаметра с высокой скоростью сдвига.

В общем смысле для хорошего экономичного смешивания необходимо сочетание 3 принципов: низкая потребляемая мощность, быстрое распределение входной мощности по объёму реактора, хороший контакт и поток фаз.

Выбор типа мешалки под конкретные условия

	Дизайн / Тип	Схема потока	Зависимость от угла наклона	Макс.вязкость (сP)	Гомогенизация	Суспензии	Жидкость	Газ / Дисперсии	Теплопередача	Кристаллизация
Турбинная		зависит от угла наклона	•	3,000	+	-	++	+	+	-
Гидрокрыло		•	⚬	3,000	++	++	+	+	++	++
Турбина Раштона		□	•	3,000	-	-	+	+	+	-
Турбинная с лопатками 30°		•	•	4,000	-	-	-	-	-	++
Турбинная с лопатками 45°		⚬	⚬	8,000	+	+	+	-	+	++
Пропеллерная		□	⚬	8,000	+	++	++	+	+	+
Турбинная с лопатками 60°		⚬	⚬	10,000	++	++	+	+	++	+
Турбинная с лопатками 90°		□	•	12,000	+	++	++	+++	++	-
Трапециевидная		⚬	⚬	12,000	-	++	++	+++	++	-
Лопастная		□	⚬	70,000	++	+	-	-	++	++
Рамная		◼	□	100,000	+	-	-	-	+	+
Якорная		◼	□	150,000	-	-	-	-	++	++

Химические реакторы с мешалками и рубашками для перемешивания вязких сред

Химические реакторы представляют собой емкости для проведения и моделирования ряда химических процессов. В большинстве случаев реакторы используются со специальным перемешивающим устройством и называются химические реакторы с мешалкой. Тип мешалки и ее характеристики подбираются индивидуально, под конкретные технологические задачи. Реакторы с мешалками широко применяются в химическом, фармацевтическом, косметическом производстве, пищевой промышленности.

Химические реакторы с мешалками предназначены для решения таких лабораторных и производственных задач как гомогенизация, экстрагирование, дистилляция, изучение свойств различных веществ и сред, приготовление эмульсий, паст и кремов, подбор необходимых параметров процесса синтеза для промышленного производства. В зависимости от конкретных задач и условий используются различные способы перемешивания и перемешивающие устройства.

Типы мешалок в реакторах

Стандартная конструкция мешалки — это двигатель, вал и перемешивающая насадка. Рассмотрим наиболее востребованные мешалки с разным типом насадок.

Виды мешалок для реакторов:

• Мешалка лопастная – наиболее универсальная и распространенная мешалка. Основа конструкции – вращающиеся плоские лопасти, установленные на ось горизонтально или под небольшим углом. Сечение лопастей имеет прямоугольную форму. Реакторы с лопастными мешалками применяются для смешивания широкого круга веществ в основном низкой вязкости (до 0,1 Па*с), для грубого перемешивания жидких сред вязкостью до 20 Па*с, суспензирования и растворения твердых веществ. Модель реактора с лопастной мешалкой в каталоге.
• Мешалка якорная (рамная) – форма мешалки представляет собой якорь и повторяет форму области перемешивания реактора, конструкцией предусмотрены горизонтальные и вертикальные перемычки для лучшего смешивания. Реакторы с якорными мешалками подходят для веществ с вязкостью до 1 Па*с. За счет близкого расположения мешалки к стенкам реактора, обеспечивается хорошее движение перемешиваемой среды у стенок, минимизируется выпадение осадка. Якорные мешалки, как правило, используются в реакторах с плоским или коническим дном. Модель реактора с якорной мешалкой в каталоге.
• Мешалка пропеллерная (винтовая) – состоит из нескольких крыловидных винтовых пропеллеров, закрепленных на оси. Обеспечивает высокую скорость и равномерное перемешивание от верхних слоев к нижним, вещество перемешивается, перемещаясь одновременно в горизонтальной плоскости и в вертикальной по оси. Реакторы с пропеллерными мешалками применяются для сред низкой и средней вязкости (до 0,6 Па*с), в том числе для таких, которые требуется перемешивать быстро. Мешалки пропеллерного типа, как правило, используются в реакторах с выпуклым дном. Модель реактора с пропеллерной мешалкой в каталоге.
• Мешалка турбинная – перемешивающий узел состоит из колеса, внутри которого расположены лопасти. Мешалки этого типа могут быть открытыми (используются для перемешивания жидкостей вязкостью до 10 Па*с) и закрытыми (для жидкостей вязкостью до 50 Па*с).Перемешивание осуществляется за счет центробежной силы от вращения конструкции – при движении мешалки вещество направляется вниз, под перемешивающий узел, а оттуда выталкивается наверх. Реакторы с турбинными мешалками применяются для интенсивного перемешивания, тонкого диспергирования, быстрого растворения, взмучивания осадков.
• Мешалка ленточная – конструктивно представляет собой спираль, которая вращается вокруг своей оси. Мешалка не только перемешивает, но и очищает стенки реактора от частиц осадка. Реакторы с ленточными мешалками применяются для смешивания паст и тестообразных масс, а также для перемешивания жидкостей с особо высокими значениями вязкости. Модель реактора в каталоге.
• Мешалка газозахватывающая – используется для достижения более интенсивной циркуляции газа, насыщения среды и, как следствие, ускорения каталитической реакции. Модель реактора в каталоге.
• Специальная мешалка – класс более редких типов мешалок: барабанные, листовые, дисковые и другие. Применяются для решения специфических задач и изготавливаются под заказ.
• Диссольвер – применяется для сложного перемешивания, конструкция включает несколько мешалок разного типа.

• по исполнению (вертикальные, боковые, донные, погружные);
• по типу создаваемого потока (тангенциальные, радиальные, осевые, смешанные);
• по скорости вращения (тихоходные и быстроходные);
• по типу двигателя (электродвигатель и пневматический);
• по специальным опциям (с подогревом).

Модели реакторов с различными мешалками в каталоге «Тирит»

Лабораторный реактор с лопастной мешалкой Minni

Minni - это реакторы с мешалкой лопастного типа. Небольшие реакционные емкости (до 1 л) можно крепить на лабораторные штативы. Реакторная система на штативе представляет собой очень компактную систему и легко размещается на рабочем столе. Стеклянный реактор с рубашкой (одинарной/двойной) или без нее. Запросить цену на реактор с лопастной мешалкой Minni можно по телефону +7 (495) 223-18-07 или написав на info@tirit.org. Объем: 100 мл … 1 л Подробнее... Узнать цену

Стальные конические реакторы с якорной мешалкой CONNY

Реакторы Conny оборудованы якорной мешалкой. Стальные реакторы Conny были спроектированы для работы с погружными диспергаторами и с проточными диспергаторами. Коническая форма дна позволяет продукту легко стекать вниз и попадать в камеру диспергирования. Химические реакторы CONNY производятся в России. Запросить цену реактор с якорной мешалкой CONNY можно по телефону +7 (495) 223-18-07 или написав на info@tirit.org. Объем: 2 л … 100 л Подробнее... Узнать цену

Химический лабораторный реактор с пропеллерной мешалкой Steddy (на стенде)

На стенде может размещаться сам химический реактор, либо реактор со всем дополнительным оборудованием (термостатом, насосами и т.п.). Стенд огораживает внутреннее пространство, защищая оборудование от случайного контакта. оснащен мешалкой пропеллерного типа. Запросить цену на реактор с пропеллерной мешалкой Steddy можно по телефону +7 (495) 223-18-07 или написав на info@tirit.org. Объем: 0,5 л … 30 л Подробнее... Узнать цену

Реакторы-сушки с ленточной мешалкой Conny Dry

Конические сушки CONNY DRY - это упрощенный аналог конических сушилок CD (IKA, Германия). Они создаются на базе стальных реакторов Conny, но оснащены ленточной мешалкой для эффективного ворошения осадка и комплектом для принятия конденсата. Запросить цену на реакторы-сушки с ленточной мешалкой Conny Dry можно по телефону +7 (495) 223-18-07 или написав на info@tirit.org. Объем: 2 л … 100 л Подробнее... Узнать цену

Реактор высокого давления с газозахватывающей мешалкой Premex Twister

Является наиболее востребованной моделью реакторов Premex. Управление реактора осуществляется с контроллера, на котором отображается скорость перемешивания и температура. Оснащен газозахватывающей мешалкой. Запросить цену на реактор высокого давления Premex Twister с газозахватывающей мешалкой можно по телефону +7 (495) 223-18-07 или написав на info@tirit.org. Объем: 125 мл, 380 мл, 600 мл, 1200 мл Подробнее... Узнать цену

Рубашки в химических реакторах

Специальные тепловые рубашки являются важным конструктивным элементом любого химического реактора, поскольку позволяют поддерживать необходимую для осуществления реакции температуру. Рубашка представляет собой дополнительную оболочку емкости реактора, покрывающую емкость на некотором расстоянии от ее стенок. В образованную полость подают теплоноситель – масло, воду или пар из внешнего источника. Расстояние между стенками емкости и дополнительной оболочки, как правило, небольшое (полость узкая), это необходимо для обеспечения высокой скорости циркуляции теплоносителя / охладителя.

• реакторы с рубашками обеспечивают охлаждение или нагрев веществ внутри реактора, что создает необходимые оптимальные условия для успешного протекания реакции;
• за счет охлаждающих рубашек предотвращается возникновение горячих зон и точек, что может приводить к побочным реакциям или образованию продуктов, несоответствующих заданным требованиям.

• в рубашке должно циркулировать достаточное количество жидкости или пара (для реакторов с паровыми рубашками) для исключения турбулентности и перепадов давления;
• в зависимости от условий применения, используются различные материалы, влияющие на производительность и долговечность использования оборудования.
• Наиболее распространенные виды рубашек для химических реакторов: гладкие, каркасные, змеевики.

Пример модели химического реактора с мешалкой и рубашкой в каталоге «Тирит»

Один из самых популярных реакторов с мешалкой и рубашкой от компании “Тирит” — химический реактор ROMM с верхнеприводной мешалкой от немецкой компании IKA. Данный реактор для приготовления растворов с рубашкой и мешалкой предназначен для работы, как под небольшим избыточным давлением, так и при вакууме. В стандартном варианте химические реакторы ROMM работают в диапазоне температур от -40 до +200С, при необходимости, диапазон может быть расширен до +300С. Рабочий объем реакторов ROMM варьируется от 2 до 100 л. Подогрев и охлаждение стальных смесителей осуществляется с помощью циркуляционных термостатов, которые подают теплоноситель заданной температуры в рубашку химического реактора. Кроме того, могут быть выполнены реакторы с паровой рубашкой или без рубашки. Самый доступный по цене вариант — реактор без рубашки, но с электрическим подогревом.

Реактор ROMM можно оснастить механической или автоматической моделью мешалки. Устройства с электронным контролем имеют цифровой дисплей, на котором отображается основная информация о процессе. Благодаря встроенному микропроцессору заданная скорость точно поддерживается даже при изменении вязкости среды. Существуют также модели с дистанционным управлением и во взрывобезопасном исполнении. Перемешивающий элемент приобретается отдельно.

Реактора с мешалкой и рубашкой от компании «Тирит»

Выбор реактора, типа мешалки и рубашки определяется целевым назначением и индивидуальными условиями протекания химического процесса. Поэтому универсальные рекомендации невозможны.

Если Вы затрудняетесь, какой химический реактор с мешалкой купить или хотите запросить цены на различные реакторы с мешалками — технические специалисты компании “Тирит” всегда готовы помочь. Получить консультацию можно по телефону +7 (495) 223-18-03 или написав на info@tirit.org.