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
Sposoby mieszania:
- mechaniczne,
- pneumatyczne,
- przepływowe,
- cyrkulacyjne.
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.
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
Ponieważ stopień zmieszania jest pojęciem subiektywnym, dlatego
wprowadzono tzw. indeks mieszania, który jest miarą stopnia
zmieszania.
s
gdzie: I - indeks mieszania, s - średnie odchylenie
I =� 1-�
standardowe po mieszaniu, so - średnie odchylenie
so
standardowe przed mieszaniem.
Średnie odchylenie standardową oblicza się z zależności:
n
1
s =�
��(C -�C)2
i
n -�1
i=�1
Średnią arytmetyczną wartość wybranej cechy charakteryzującej
mieszany układ oblicza się z zależności:
n
1
C =� Ci
��
i=�1
n
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
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:
I =� 1-� e-�kt�
gdzie: k  stała; � - czas mieszania
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
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.
Rys. 1. Indeks mieszania w zależności od czasu mieszania: 1 - układ idealny, 2, 3 - układy
rzeczywiste
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
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 CIEKA
EJ
1. Mechaniczne
a) ruch wibracyjny
b) ruch obrotowy
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
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:
W dużych zbiornikach i dla cieczy o znacznej lepkości
- mieszadła łapowe, (a)
stosuje się mieszadło planetarne, 1 - wał
- mieszadła śmigłowe, (b)
napędzający, 2 - koło zębate nieruchome, 3  wał
mieszadła, 4 - koło zębate ruchome
- mieszadła turbinowo-łopatkowe. (c)
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
Oprócz wymienionych typów mieszadeł spotyka się mieszadła:
- płytowe,
- ramowe,
- kotwicowe
- ślimakowe.
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.
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
Zastosowanie przegród (kierownice) w zbiorniku mieszalnika stosuje się
w celu zmniejszenia wirowania cieczy wokół osi obrotu wału mieszadła.
Przegrody występują w liczbie parzystej
Rys. 3. Działanie przegród w zbiorniku mieszalnika: a - zbiornik bez
przegród, b - zbiornik z przegrodami
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
Rys. 4. Mieszalniki z łapami skośnymi oraz łapami
Rys. 5. Odmiany mieszadeł łapowych: a - mieszadła
nieruchomymi: przegrodami - łapy skośne, b - łapy
płytowe, b - mieszadło ramowe
nieruchome
Usytuowanie mieszadeł:
- osiowe,
- ekscentryczne,
- skośne (w zbiornikach o kształcie cysterny),
- mieszadło z dyfuzorem,
- planetarne,
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
Rys. 6. Mieszalnik z mieszadłem śmigłowym Rys. 7. Zbiornik ze skośnym mieszadłem śmigłowym
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
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 fizycznych mieszanego układu, czyli od gęstości i lepkości;
- parametrów kinetycznych i dynamicznych układu, czyli od prędkości
obrotowej mieszadła i przyspieszenia ziemskiego;
- parametrów geometrycznych a przede wszystkim od średnicy
mieszadła i od średnicy mieszalnika.
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
gdzie: N - moc mieszania, W; r- gęstość mieszanego układu, kg/m3; � - lepkość
mieszanego układu, Pa�s; n - szybkość obrotowa mieszadła, s-1; g - przyspieszenie
ziemskie, m/s2; d - średnica mieszadła, m; D - średnica mieszalnika, m.
Moc mieszania
Fr  Liczba Frou da
5�N� 5�O�
E  liczba Eulera
5�8�5�I�5�@� = 5�6� " 5�E�5�R�5�@� " 5�9�5�_�5�@� " 5�K�
X  parametr podobieństwa geometrycznego
5�A� 5�[� " 5�Q�2 " 5�� 5�[�2
= - -
Re  liczba Reynoldsa,
5�� " 5�[�3 " 5�Q�5 5�� 5�T�
N  ilość zużywanej mocy,
C  stała,
a, b  wykładniki, które można wyznaczyć eksperymentalnie
5�8�5�I�5�@�
stosunek sił statycznych powodujących mieszanie do sił dynamicznych
5�E�5�R�5�@�
stosunek sił bezwładności do sił tarcia
5�9�5�_�5�@� stosunek sił bezwładności do sił ciężkości
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
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.
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
Dla procesu mieszania liczba Reynoldsa ma postać:
Liczba Reynoldsa ReM< 50 występuje uwarstwiony przepływ cieczy
Zużycie mocy w obszarze laminarnym:
5�O�
5�9�5�_�5�@� = 1
a=-1, b=0,
5�A� 5��
= 5�6�
5�A� = 5�6� " 5�Q�3 " 5�[�2 " 5��
5�� " 5�[�3 " 5�Q�5 5�[� " 5�Q�2 " 5��
Liczba Raynoldsa dla procesu mieszania ReM > l04 - wtedy występuje
burzliwy przepływ cieczy w mieszalniku.
5�O�
5�9�5�_�5�@� = 1
a=0, b=0,
Zużycie mocy w obszarze burzliwym:
5�A�
= 5�6�
5�A� = 5�6� " 5�� " 5�[�3 " 5�Q�5
5�� " 5�[�3 " 5�Q�5
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
Liczba Reynoldsa 50 < ReM < 104 występuje obszar przejściowy
Zużycie mocy w obszarze przejściowym:
wartość  a zależy od szeregu czynników, w tym głównie od parametrów
5�N� " (-1; 0
geometrycznych mieszadła i mieszalnika
5�E�5�R�5�@� > 300
Tabela 1. Wartości stałych ą oraz �
brak przegród
Typ mieszadła ą �
" -5�Y�5�\�5�T�5�E�5�R�5�@�
turbinowe
5�O� =
1,0 40
5�ż�
6-łopatkowe
śmigłowe
1,7 18
gdzie: ą, � - stałe zależne od konstrukcji mieszadła
3-skrzydłowe o śr. 0,1m
śmigłowe
2,1 18
3-skrzydłowe o śr. 0,457m
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
W zakresie liczb Reynoldsa 50 < ReM < l04 - 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
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
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 1,5.10-2m3/(m2�s) w odniesieniu do powietrza mieszającego
warstwę wodną. (D�p=10% p atm)
Rys. 9. Mieszanie pneumatyczne w kadzi
drożdżowniczej: 1- wlot powietrza, 2 -
bełkotka, 3 - szczegół bełkotki
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
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
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
Zasada działania mieszalników przepływowych polega na zetknięciu ze
sobą i wymieszaniu bezpośrednim strumieni w mieszalniku na skutek
działania odpowiednio skonstruowanych przegród
Innym rodzajem mieszalników przepływowych są
mieszalniki inżektorowe, często montowane
bezpośrednio w przewód transportowy
Rys. 11. Mieszalnik przepływowy do mieszania
melasu z wodą: 1 - wlot melasy, 2 - wlot wody,
Rys. 12. Mieszalnik inżektorowy: 1 - wloty obu
3 - przegroda, 4 - wylot mieszaniny
cieczy, 2 - komora mieszania, 3 - dyfuzor
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
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.
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
Mieszarki:
- z mieszadłem mechanicznym
- przesypowe
- fluidalne
- o ruchu ciągłym lub okresowym
- wolnoobrotowe lub szybkoobrotowe (90 obrotów w ciągu minuty),
Mieszarka w której następuje jednoczesne
mieszanie i przenoszenie materiału
sypkiego.
Rys. 13. Mieszarka z mieszadłem ślimakowym: 1 - korpus mieszarki, 2  mieszadło ślimakowe
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
Mieszarka do mieszania materiałów
o różnym stopniu rozdrobnienia oraz do
materiałów wilgotnych
Rys. 14. Mieszarka stożkowa z mieszadłem ślimakowym: l- napęd mieszadła 2 
ramię mieszadła, 3 - ślimak
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.
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
Aparaty mogą pracować w pozycji pionowej, poziomej
Rys. 15. Cylindryczna mieszarka bębnowa
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
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
Mieszarki fluidalne, zwane też mieszarkami pneumatycznymi, działają na
zasadzie mieszania materiałów sypkich w strumieniu powietrza. Są
stosowane do aglomeracji i homogenizacji proszków.
Rys. 17. Mieszarka fluidalna: l - podajnik ślimakowy, 2 - zasobniki, 3 - odbieralnik
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
4. Mieszanie układów o znacznej lepkości
Mieszanie składników o bardzo dużej lepkości (powyżej 103 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.
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
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
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
Rys. 20. Zagniatarka z mieszadłem typu Z
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
Dziękuję za uwagę
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Mieszanie