Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami

Procesy mechaniczne i hydromechaniczne

Mieszanie

Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami

Mieszanie - proces jednostkowy, polegający na uzyskaniu lub utrzymaniu
jednorodności w środowisku jedno- lub wielofazowym, pod względem
stężenia, gęstości, temperatury i innych właściwości mieszaniny.
Cel procesu mieszania:
- osiągnięcie jednorodności stężenia,
- osiągnięcie jednorodności temperatury,
- osiągnięcie granicznej rozpuszczalności,
- przyspieszenia procesów chemicznych i biochemicznych,
- wytworzenia emulsji i zawiesin o jednakowym składzie,
-

zapobiegania

niepożądanym

procesom:

przegrzewanie

lub

przypalanie.

Mieszanie może być stosowane dla układów o różnym stanie skupienia:
- mieszanie w fazie gazowej,
- mieszanie w fazie ciekłej,
- mieszanie w fazie stałej, czyli mieszanie ciał sypkich,
- mieszanie układów o znacznej lepkości.

Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie

Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami

Aparaty służące do mieszania nazywają się mieszalnikami i jest to nazwa

ogólna, stosowana niezależnie od ich konstrukcji, które są bardzo

różnorodne. Niejednokrotnie, określony typ mieszalnika jest stosowany

tylko i wyłącznie do mieszania określonego układu.

Sposoby mieszania:
- mechaniczne,
- pneumatyczne,
- przepływowe,
- cyrkulacyjne.

Ważnym zagadnieniem przy eksploatacji mieszalników oraz przy
projektowaniu nowych aparatów do mieszania jest sposób oceny
intensywności mieszania.

Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie

Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami

Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie

Ponieważ stopień zmieszania jest pojęciem subiektywnym, dlatego
wprowadzono tzw. indeks mieszania, który jest miarą stopnia
zmieszania.

o

s

s

1

I





gdzie: I - indeks mieszania, s - średnie odchylenie

standardowe po mieszaniu, s

o

- średnie odchylenie

standardowe przed mieszaniem.

Średnie odchylenie standardową oblicza się z zależności:

2

n

1

i

i

)

C

C

(

1

n

1

s











Średnią arytmetyczną wartość wybranej cechy charakteryzującej
mieszany układ oblicza się z zależności:







n

1

i

i

C

n

1

C

Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami

Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie

Indeks mieszania zmienia się w granicach od 0 do 1, co oznacza, że:
układom przed procesem mieszania przypisuje się wartość I=0,
układom o idealnej jednorodności wartość I=1.

Mieszaniny o jednorodności rzeczywistej mają indeks mieszania zawarty
w przedziale 0 < I < 1.

W miarę upływu czasu indeks mieszania zmienia się wykładniczo wg
zależności:









k

e

1

I

gdzie: k – stała; τ - czas mieszania

Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami

Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie

Rys. 1. Indeks mieszania w zależności od czasu mieszania: 1 - układ idealny, 2, 3 - układy

rzeczywiste

Dla układów, gdzie w fazie ciągłej zawarte są cząstki ciała stałego, w
dodatku o różnej gęstości, różnych wymiarach i kształtach, występuje
dodatkowa tendencja do segregacji, powodująca niejednorodność
mieszaniny po mieszaniu. W rezultacie tego indeks mieszania dąży do
wartości niższej od jedności, co jest wynikiem równowagi między
segregacją a mieszaniem.

Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami

Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie

Aparaty do mieszania stosowane w przemyśle spożywczym dzieli się ze
względu na rodzaj mieszanej substancji na:

- mieszalniki, gdy mieszaniu podlegają ciecze, w tym ciecze o znacznej

lepkości,

- mieszarki, gdy mieszaniu podlegają materiały sypkie,
- zagniatarki, gdy mieszane są, ciała plastyczne.

MIESZANIE W FAZIE CIEKŁEJ

1. Mechaniczne

a) ruch wibracyjny
b) ruch obrotowy

Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami

Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie

Mieszadła obrotowe dzielą się na:

- mieszadła wolnoobrotowe (do 90 obrotów w ciągu minuty),
- mieszadła szybkoobrotowe (powyżej 90 obrotów w ciągu minuty).
Ze względu na konstrukcję można je podzielić na trzy podstawowe typy:

- mieszadła łapowe, (a)
- mieszadła śmigłowe, (b)
- mieszadła turbinowo-łopatkowe. (c)

W dużych zbiornikach i dla cieczy o znacznej lepkości
stosuje się mieszadło planetarne, 1 - wał
napędzający, 2 - koło zębate nieruchome, 3 – wał
mieszadła, 4 - koło zębate ruchome

Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami

Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie

Rodzaje ruchu cieczy w mieszalniku :
- ruch okrężny,
- ruch osiowy,
- ruch promieniowy.

Ruch osiowy i ruch promieniowy tworzą razem przepływ cyrkulacyjny
cieczy, który decyduje o efekcie procesu mieszania.
Ruch okrężny cieczy, którego prędkości (a stąd i zużycie energii) są
zazwyczaj największe, powoduje wirowanie cieczy wokół mieszadła z
niewielkimi efektami mieszania. Dodatkowo ten ruch cieczy powoduje
przesuwanie cieczy po promieniu na skutek działania siły odśrodkowej,
w wyniku czego powstaje centryczny lej.

Oprócz wymienionych typów mieszadeł spotyka się mieszadła:

- płytowe,

- ramowe,
- kotwicowe
- ślimakowe.

Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami

Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie

Rys. 3. Działanie przegród w zbiorniku mieszalnika: a - zbiornik bez
przegród, b - zbiornik z przegrodami

Zastosowanie przegród (kierownice) w zbiorniku mieszalnika stosuje się
w celu zmniejszenia wirowania cieczy wokół osi obrotu wału mieszadła.

Przegrody występują w liczbie parzystej

Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami

Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie

Rys. 4. Mieszalniki z łapami skośnymi oraz łapami

nieruchomymi: przegrodami - łapy skośne, b - łapy

nieruchome

Rys. 5. Odmiany mieszadeł łapowych: a - mieszadła

płytowe, b - mieszadło ramowe

Usytuowanie mieszadeł:
- osiowe,
- ekscentryczne,
- skośne (w zbiornikach o kształcie cysterny),
- mieszadło z dyfuzorem,
- planetarne,

Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami

Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie

Rys. 7. Zbiornik ze skośnym mieszadłem śmigłowym

Rys. 6. Mieszalnik z mieszadłem śmigłowym

Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami

Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie

Jednym z najistotniejszych problemów w procesie mieszania cieczy i
zawiesin jest obliczenie mocy niezbędnej do utrzymywania wymaganych
ilości obrotów mieszadła. Powyższe zagadnienie nie obejmuje zużycia
mocy na okres rozruchu, czyli dochodzenia do określonej liczby obrotów
w jednostce czasu, która bywa znacznie większa.

Zużycie mocy w ustalonym procesie mieszania zależy od:

- parametrów kinetycznych i dynamicznych układu, czyli od prędkości
obrotowej mieszadła i przyspieszenia ziemskiego;

- parametrów fizycznych mieszanego układu, czyli od gęstości i lepkości;

- parametrów geometrycznych a przede wszystkim od średnicy
mieszadła i od średnicy mieszalnika.

Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami

Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie

gdzie: N - moc mieszania, W;

r

- gęstość mieszanego układu, kg/m

3

; η - lepkość

mieszanego układu, Pa·s; n - szybkość obrotowa mieszadła, s

-1

; g - przyspieszenie

ziemskie, m/s

2

; d - średnica mieszadła, m; D - średnica mieszalnika, m.

stosunek sił statycznych powodujących mieszanie do sił dynamicznych

Moc mieszania

𝐸

𝑉

𝑀

= 𝐶 ∙ 𝑅𝑒

𝑀

𝑎

∙ 𝐹𝑟

𝑀

𝑏

∙ 𝑋

Fr – Liczba Frou’da
E – liczba Eulera
X – parametr podobieństwa geometrycznego
Re – liczba Reynoldsa,
N – ilość zużywanej mocy,
C – stała,
a, b – wykładniki, które można wyznaczyć eksperymentalnie

𝐸

𝑉

𝑀

𝑅𝑒

𝑀

stosunek sił bezwładności do sił tarcia

𝐹𝑟

𝑀

stosunek sił bezwładności do sił ciężkości

𝑁

𝜌 ∙ 𝑛

3

∙ 𝑑

5

= −

𝑛 ∙ 𝑑

2

∙ 𝜌

𝜂

𝑛

2

𝑔

−

Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami

Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie

H - wysokość cieczy w zbiorniku
D – średnica mieszalnika
d – średnica mieszadła
x – szerokość przegrody
b – szerokość łopatek
y – odległość mieszadła od dna zbiornika
n – obroty mieszadła

Jednym z podstawowych zagadnień w procesie mieszania jest obliczanie mocy

niezbędnej do zapewnienia założonych warunków hydrodynamicznych.

Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami

Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie

Liczba Reynoldsa Re

M

< 50 występuje uwarstwiony przepływ cieczy

Liczba Raynoldsa dla procesu mieszania Re

M

> l0

4

- wtedy występuje

burzliwy przepływ cieczy w mieszalniku.

Dla procesu mieszania liczba Reynoldsa ma postać:

a=-1, b=0,

𝐹𝑟

𝑀

𝑏

= 1

𝑁

𝜌 ∙ 𝑛

3

∙ 𝑑

5

= 𝐶

𝜂

𝑛 ∙ 𝑑

2

∙ 𝜌

𝑁 = 𝐶 ∙ 𝑑

3

∙ 𝑛

2

∙ 𝜂

a=0, b=0,

𝐹𝑟

𝑀

𝑏

= 1

𝑁 = 𝐶 ∙ 𝜌 ∙ 𝑛

3

∙ 𝑑

5

Zużycie mocy w obszarze burzliwym:

Zużycie mocy w obszarze laminarnym:

𝑁

𝜌 ∙ 𝑛

3

∙ 𝑑

5

= 𝐶

Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami

Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie

Liczba Reynoldsa 50 < Re

M

< 10

4

występuje obszar przejściowy

gdzie: α, β - stałe zależne od konstrukcji mieszadła

wartość „a” zależy od szeregu czynników, w tym głównie od parametrów
geometrycznych mieszadła i mieszalnika

Zużycie mocy w obszarze przejściowym:

𝑅𝑒

𝑀

> 300

𝑎 ∈ (−1; 0

𝑏 =

∝ −𝑙𝑜𝑔𝑅𝑒

𝑀

𝛽

brak przegród

Tabela 1. Wartości stałych α oraz β

Typ mieszadła

α

β

turbinowe

6-łopatkowe

1,0

40

śmigłowe

3-skrzydłowe o śr. 0,1m

1,7

18

śmigłowe

3-skrzydłowe o śr. 0,457m

2,1

18

Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami

Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie

W zakresie liczb Reynoldsa 50 < Re

M

< l0

4

- obszar nazywa się

przejściowym zakresem mieszania

Rys. 8. Zależność mocy mieszania od liczby Reynoldsa: I - obszar laminarny, II - obszar
przejściowy, III - obszar burzliwy, l - mieszalnik z przegrodarmi, 2 - mieszalnik bez
przegród

Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami

Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie

2. Mieszanie pneumatyczne, przepływowe i cyrkulacyjne

Proces mieszania pneumatycznego polega na doprowadzeniu do
zbiornika z mieszanym układem, powietrza lub pary przez odpowiednie
otwory w mieszadle zwanym bełkotką, umieszczonym blisko dna
mieszalnika.

Intensywność mieszania zależy od zużycia gazu na jednostkę powierzchni
swobodnej mieszanej cieczy i jest uważana za intensywną, gdy wynosi
powyżej 1,5

.

10

-2

m

3

/(m

2

·s) w odniesieniu do powietrza mieszającego

warstwę wodną. (



p=10% p atm)

Rys. 9. Mieszanie pneumatyczne w kadzi

drożdżowniczej: 1- wlot powietrza, 2 -

bełkotka, 3 - szczegół bełkotki

Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami

Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie

Lepsze wyniki pod względem efektywności mieszania oraz zużywanej
energii daje połączenie mieszania mechanicznego z mieszaniem
pneumatycznym

Rys. 10. Mieszalnik pneumatyczno-mechaniczny: 1 - wylot powietrza, 2 - śmigło z otworkami, 3 -
fragment śmigła

Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami

Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie

Zasada działania mieszalników przepływowych polega na zetknięciu ze
sobą i wymieszaniu bezpośrednim strumieni w mieszalniku na skutek
działania odpowiednio skonstruowanych przegród

Rys. 11. Mieszalnik przepływowy do mieszania
melasu z wodą: 1 - wlot melasy, 2 - wlot wody,
3 - przegroda, 4 - wylot mieszaniny

Innym

rodzajem

mieszalników

przepływowych

są

mieszalniki

inżektorowe,

często

montowane

bezpośrednio w przewód transportowy

Rys. 12. Mieszalnik inżektorowy: 1 - wloty obu
cieczy, 2 - komora mieszania, 3 - dyfuzor

Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami

Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie

Równie często jak mieszanie przepływowe stosuje się mieszanie
cyrkulacyjne, polegające na tłoczeniu cieczy przez pompę w układzie
zamkniętym w jednym albo w dwóch zbiornikach.

3. Mieszanie materiałów sypkich

Mechanizm mieszania ciał sypkich jest o wiele bardziej skomplikowany
od mechanizmu mieszania układów ciekłych.

Ciała sypkie w odróżnieniu od cieczy przenoszą naprężenia ścinające
również w stanie spoczynku.

Dodatkową cechą ciał sypkich jest spójność, szczególnie silnie
występująca w materiałach wilgotnych, będąca efektem oddziaływań
między cząsteczkowych. Z tego względu nie ma do tej pory jednolitego
opisu zjawisk zachodzących w mieszarkach poza oceną jakości produktu.

Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami

Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie

Mieszarki:
- z mieszadłem mechanicznym
- przesypowe
- fluidalne

- o ruchu ciągłym lub okresowym
- wolnoobrotowe lub szybkoobrotowe (90 obrotów w ciągu minuty),

Rys. 13. Mieszarka z mieszadłem ślimakowym: 1 - korpus mieszarki, 2 – mieszadło ślimakowe

Mieszarka w której następuje jednoczesne
mieszanie

i

przenoszenie

materiału

sypkiego.

Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami

Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie

Rys. 14. Mieszarka stożkowa z mieszadłem ślimakowym: l- napęd mieszadła 2 –
ramię mieszadła, 3 - ślimak

Mieszarka

do

mieszania

materiałów

o różnym stopniu rozdrobnienia oraz do
materiałów wilgotnych

Mieszarki przesypowe, zwane też zbiornikowymi nie posiadają
ruchomego mieszadła jako elementu roboczego, natomiast proces
mieszania zachodzi w nich na skutek ruchu (najczęściej obrotu) samej
mieszarki. Tego rodzaju aparaty są stosowane do mieszania żywności
sproszkowanej, żywności w kawałkach oraz do rozprowadzania w
produktach spożywczych niektórych dodatków, jak barwniki lub środki
konserwujące.

Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami

Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie

Rys. 15. Cylindryczna mieszarka bębnowa

Aparaty mogą pracować w pozycji pionowej, poziomej
lub też pod pewnym kątem do poziomu. Obroty
aparatów następują zgodnie z osią bębna, niektóre
konstrukcje stosują bardziej skomplikowane rozwiązania
ruchu aparatu, wymuszające mieszanie promieniowe i
osiowe cząstek materiału sypkiego.

Rys. 16. Mieszarka bębnowa dwustożkowa pochyła

Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami

Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie

Rys. 17. Mieszarka fluidalna: l - podajnik ślimakowy, 2 - zasobniki, 3 - odbieralnik

Mieszarki fluidalne, zwane też mieszarkami pneumatycznymi, działają na
zasadzie mieszania materiałów sypkich w strumieniu powietrza. Są
stosowane do aglomeracji i homogenizacji proszków.

Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami

Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie

4. Mieszanie układów o znacznej lepkości

Mieszanie składników o bardzo dużej lepkości (powyżej 10

3

Pa·s) lub

tych składników z rozdrobnionym materiałem stałym.

Proces mieszania jest prowadzony w mieszalnikach o specjalnej
konstrukcji, zwanych zagniatarkami, zaopatrzonymi w odpowiednio
wytrzymałe mieszadła obrotowe.

Celem mieszania jest nie tylko uzyskanie jednorodnego składu produktu,
lecz również nadanie produktowi określonych cech technologicznych
poprzez zagniatanie, napowietrzanie i wytworzenie odpowiednich cech
mechanicznych.

Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami

Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie

Rys. 18. Mieszadła do mieszania cieczy bardzo
lepkich: a - mieszadło typu Z, b - hak do mieszania
ciast, c - mieszadło prętowe, d

- mieszadło

ślimakowe

Rys. 19. Zagniatarka o działaniu ciągłym: 1 - wał
mieszadła, 2 - część śrubowa mieszadła,

3 -

mieszadło typu Z, 4 - elementy wygniatające

Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami

Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie

Rys. 20. Zagniatarka z mieszadłem typu Z

Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami

Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie

Dziękuję za uwagę