Перемешивание в химической промышленности.
Штербачек Э., Тауск П.
перевод с чешского
1963 г.
Книга является подробной монографией, посвященной процессу перемешивания в химической промышленности. В ней освещаются теоретические основы перемешивания, методы расчетов и моделирования. Описаны многочисленные устройства для перемешивания газов и жидкостей, смешивания паст и тестообразных материалов, а также сыпучих твердых продуктов. Приводятся таблицы применения основных типов мешалок и примеры расчетов.
Книга предназначается для научных, инженерно-технических работников и проектировщиков химической и смежных с ней отраслей промышленности. Может быть также полезна в качестве руководства для студентов химико-технологических вузов и факультетов
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие авторов к русскому Изданию.............. 7
Предисловие авторов к чешскому изданию.............. 9
Основные обозначения....................... 11
Критерии подобия......................... 14
Перевод некоторых технических и других единиц в единицы СИ .... 16
Часть I Теоретические основы перемешивания
Глава 1. Перемешивание жидкостей.................. 18
Самопроизвольное перемешивание................ 18
Перемешивание при вынужденной конвекции.......... 18
Турбулентная диффузия.................... 27
Теория действия основных типов устройств для перемешивания жидкостей.......................... 29
Теория образования центральной воронки........... 53
Глава 2. Образование гетерогенных текучих систем .......... 62
Глава 3. Перемешивание твердых сыпучих масс............ 95
Оценка 'смесителя на основании состава случайно отобранных проб 96
Определение отклонения весовой частоты пробы . ....... 96
Определение отклонения частоты распределения частиц..... 98
Часть II Теоретические основы расчета перемешивающих устройств
Глава 4. Основы расчета мощности, потребляемой механическими мешалками............................ 104
Вывод основного критериального уравнения движения..... 104
Критерии' гидродинамического подобия процесса перемешивания . 106
Геометрические параметры, влияющие на процесс перемешивания 108
Глава 5. Уравнение для расчета мощности, потребляемой мешалкой . . 109
Общий вывод расчетного уравнения............... 109
Уравнения для расчета мощности при различных режимах движения 117 Влияние отдельных свойств, учитываемых расчетным уравнением мощности, потребляемой мешалкой.............. 127
Новые данные о влиянии отдельных параметров на мощность, потребляемую мешалкой.................... 132
Конечная форма расчетных уравнений............. 144
Глава 6. Определение условий, обеспечивающих оптимальный расход мощности ......................... 148
Вывод уравнения для расчета времени перемешивания...... 149
Определение влияния отдельных переменных на мощность, потребляемую мешалкой...................... 153
Глава 7. Расчет мощности, потребляемой мешалками при перемешивании неньютоновских жидкостей................. 160
Часть III Влияние перемешивания на основные процессы химической технологии
Глава 8- Влияние перемешивания на теплопередачу.......... 168
Определение значений показателей степени и коэффициента уравнения теплоотдачи...................... 168
Влияние перемешивания на теплопередачу в высоковязких жидкостях............................ 179
Глава 9- Влияние перемешивания на массообмен............ 182
Массообмен между твердой и жидкой фазами.......... 182
Массообмен между двумя жидкими фазами........... 198
Абсорбция.......................... 210
Биохимические процессы.................... 220
Глава 10. Влияние перемешивания на химические реакции....... 222
Гомогенные химические реакции................ 222
Гетерогенные реакции..................... 223
Глава 11. Реакторы с мешалками................... 232
Периодически действующие реакторы с мешалками....... 232
Непрерывно действующие реакторы с мешалками (реакторы совершенного смешения) ..................... 233
Часть IV Моделирование аппаратов с перемешивающими устройствами
Глава 12. Методы определения качества перемешивания........ 247
Применение красящих веществ.................. 248
Использование градиента температур.......,......, 250
Использование электропроводности................ 251
Использование теплоты растворения ............... . 251
Использование разности плотностей ................ 252
Определение качества перемешивания в гетерогенных системах . . . 252
Определение соотношения скоростей в жидкости.......... 253
Применение меченых атомов.................... 254
Метод индикаторного элемента.................. 254
Глава 13. Организация модельного опыта........... . . . 255
Глава 14. Увеличение размеров модели до размеров промышленного аппарата 258
Увеличение модели с учетом мощности, потребляемой мешалкой . 259 Моделирование аппаратов с перемешивающими устройствами, в которых происходит передача тепла .............. 262
Моделирование процессов массопередачи при перемешивании . . . 268
Часть V Конструкции мешалок
Глава 15- Перемешивание в газовой среде............. 271
Перемешивание газов непосредственно в трубопроводе....... 273
Сопла............................. 273
Центробежные разбрызгиватели................. 275
Разбрызгивающие и насадочные башни............. 276
Вентиляторы......................... 276
Глава 16- Перемешивание в жидкой среде .............. 276
Перемешивание жидкостей в трубопроводе........... 277
Циркуляционное перемешивание жидкостей........... 279
Перемешивание жидкостей сжатым воздухом.......... 285
Механические перемешивающие устройства........... 290
Вспомогательные устройства для выпрямления потока перемешиваемой среды........................ 321
Глава 17. Смешивание паст и тестообразных материалов ....... 337
Аппараты с вертикальным сосудом............... 340
Аппараты с горизонтальным сосудом.............. 351
Аппараты с чашей...................... 361
Валковые машины....................... 362
Эмульгационные и гомогенизационные устройства........ 366
Глава 18. Смешивание твердых сыпучих материалов.......... 372
Определение мощности, потребляемой смесителем........ 373
Смешивание твердых сыпучих материалов с небольшим количеством
жидкости.......................... 375
Смешивание сухих сыпучих материалов............. 376
Часть VI Области применения мешалок различных типов и примеры расчетов
Глава 19. Выбор типа мешалки................... 393
Глава 20. Примеры расчета..................... 395
Мощность, потребляемая мешалкой.............. 395
Теплопередача в аппарате с мешалкой............. 399
Литература............................ 402
Перечень фирм и проспектов, упоминаемых в тексте ........ 409
Авторский указатель....................... 411
Предметный указатель....................... 412
ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРОВ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ
Со времени написания книги «Перемешивание в химической промышленности» прошло только четыре года, однако для развития этой области, науки они имели большое значение.
За это время уже почти решен вопрос расчета мощности, потребляемой мешалками, и существенно расширена область приложимости основных соотношений, выведенных для ньютоновских жидкостей, к другим жидкостям. Проводится интенсивная работа по созданию основ гидродинамической теории перемешивания. Подчеркивается гидродинамический характер процесса в отличие от прежнего понимания перемешивания как механической операции, которое можно считать справедливым лишь в отношении смешивания твердых сыпучих материалов.
Все больший интерес вызывают вопросы, касающиеся влияния перемешивания на массопередачу; устанавливается взаимосвязь между условиями работы перемешивающих устройств и скоростью массопередачи. На первый план выдвинут также вопрос перемешивания гетерогенных систем, и в особенности двух несмешивающихся жидкостей, ввиду все расширяющегося применения процесса экстракции.
К двум основным исследовательским центрам в области перемешивания, упомянутым в предисловии к чешскому изданию, прибавились еще два крупных центра—в университете в Киото и в Пражской высшей химико-технологической школе.
Это особое внимание к перемешиванию, естественно, вызвало появление ряда новых значительных работ. Все же после дополнения отдельных глав новыми сведениями оказалось возможным оставить основную структуру книги такой же, как и в чешском издании. Русское издание (в отличие от чешского, в котором систематическая обработка литературы заканчивается 1956 г.) содержит основные работы, опубликованные до конца 1960 г.
За дальнейшее значительное расширение мы приносим благодарность доценту И. С. Павлушенко, который дополнил русское издание советскими работами, нам не известными, и, таким образом, расширил обзор. Мы также благодарны И. С. Павлушенко за ряд замечаний, касающихся переработки отдельных глав, и за исправление ошибок, допущенных в чешском издании.
Надеемся, что дополненное русское издание нашей книги будет полезно советским читателям.
3. Штербачек, П. Тауск
Прага, апрель 1961 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРОВ К ЧЕШСКОМУ ИЗДАНИЮ
Перемешивание является одной из операций, весьма часта встречающихся в химической промышленности. Применяется оно или как самостоятельный процесс для получения однородной смеси, или как средство увеличения поверхности контакта фаз при других операциях (например, абсорбции, экстракции или сушке), а также для интенсификации теплопередачи.
В книге собраны основные сведения о перемешивании, опубликованные преимущественно в заграничной литературе. Эти сведения предназначаются для всех, кто в своей производственной, научной и конструкторской работе имеет дело с перемешиванием.
Книга делится на две части—теоретическую и описательную. В теоретической части рассмотрены основные законы гидродинамики и теория перемешивания твердых сыпучих веществ, расчет мощности, потребляемой механическими мешалками, и влияние перемешивания на те химико-технологические операции, при которых оно преимущественно применяется. В описательной части теоретические выводы дополняются производственными данными и характеристиками современных перемешивающих устройств. В ней содержатся также примеры конструкций и таблицы, облегчающие выбор мешалок для различных целей.
Перемешивание до сих пор принадлежит к наиболее эмпирическим операциям химической промышленности. Однако в последние годы и здесь наблюдается стремление добиться возможности количественной оценки результатов. Систематические исследования в этом направлении проводятся в основном в СССР и США.
Следствием выполненных работ явилось создание метода определения мощности, потребляемой мешалкой, который так же, как и метод определения влияния перемешивания на тепло- и массопередачу, обосновывается опытами с моделями. Кроме того, предложен метод определения минимального расхода энергии и получены необходимые данные для расчета аппаратов с перемешивающими устройствами и их оценки.
Несмотря на эмпирический характер проектирования перемешивающих устройств, уже накоплены данные, достаточные для того, чтобы можно было при проектировании и эксплуатации перемешивающих устройств действовать с большей уверенностью, чем это делалось до сих пор.
Как уже было сказано, перемешивание применяется не только как самоцель, т. е. для гомогенизации, но и при многих других операциях. Разработка темы во всем ее объеме была бы слишком обширной, поэтому авторы ограничиваются изложением основных сведений, относящихся собственно к перемешиванию (часть I). Что касается влияния перемешивания на некоторые основные химико-технологические операции, то, считая, что читатели знакомы с основными процессами [3], авторы останавливаются только на влиянии перемешивания на данную операцию. При изложении теоретической части предполагается знание главных типов перемешивающих устройств.
Монографий такого объема, посвященных перемешиванию, написано не было. Имеются лишь статьи о перемешивании в химической литературе (например, Перри, Ульман, Кирк-Отмер) в большинстве своем описательного характера. Перемешивание в жидких средах рассмотрено Кафаровым [180].
При составлении этой книги авторы старались пользоваться терминологией, применяемой в науке о процессах и аппаратах химической технологии L94]. Однако некоторые специальные термины необходимо было перевести с оригинала так, чтобы сохранить насколько возможно их точное значение. Например, выражение «центральный всасывающий вихрь» (vortex) надо было оставить для того, чтобы отличить это понятие от понятия о вихре, возникающем при турбулентном течении. Для неподвижной лопатки, поставленной на пути потока жидкости, созданного мешалкой, введен термин «буфер» вместо до сих пор применявшегося «перегородка»*. Наконец, принят термин «колонна с вращающимися дисками» вместо до сих пор применявшегося «вращающаяся дисковая колонна», что является лишь дословным переводом английского термина (Rotary disc column). В названиях некоторых специальных типов мешалок, у нас необычных, мы стремились отразить характер действия оборудования или его основной признак.
При составлении описательной части авторы имели в своем распоряжении фирменные каталоги и описания, которыми частично воспользовались. Упоминаются лишь те фирмы, оборудование которых либо описано в тексте, либо проиллюстрировано фотографиями. В последнем случае всегда указывается имя изобретателя (название фирмы). Полное наименование и адрес фирмы приведены в перечне фирм.
* [В отечественной литературе приняты термины соответственно «центральная воронка» и «отражательная перегородка», которые и употребляются в тексте книги.—Прим. редактора.]
Штербачек Э., Тауск П.
перевод с чешского
1963 г.
Книга является подробной монографией, посвященной процессу перемешивания в химической промышленности. В ней освещаются теоретические основы перемешивания, методы расчетов и моделирования. Описаны многочисленные устройства для перемешивания газов и жидкостей, смешивания паст и тестообразных материалов, а также сыпучих твердых продуктов. Приводятся таблицы применения основных типов мешалок и примеры расчетов.
Книга предназначается для научных, инженерно-технических работников и проектировщиков химической и смежных с ней отраслей промышленности. Может быть также полезна в качестве руководства для студентов химико-технологических вузов и факультетов
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие авторов к русскому Изданию.............. 7
Предисловие авторов к чешскому изданию.............. 9
Основные обозначения....................... 11
Критерии подобия......................... 14
Перевод некоторых технических и других единиц в единицы СИ .... 16
Часть I Теоретические основы перемешивания
Глава 1. Перемешивание жидкостей.................. 18
Самопроизвольное перемешивание................ 18
Перемешивание при вынужденной конвекции.......... 18
Турбулентная диффузия.................... 27
Теория действия основных типов устройств для перемешивания жидкостей.......................... 29
Теория образования центральной воронки........... 53
Глава 2. Образование гетерогенных текучих систем .......... 62
Глава 3. Перемешивание твердых сыпучих масс............ 95
Оценка 'смесителя на основании состава случайно отобранных проб 96
Определение отклонения весовой частоты пробы . ....... 96
Определение отклонения частоты распределения частиц..... 98
Часть II Теоретические основы расчета перемешивающих устройств
Глава 4. Основы расчета мощности, потребляемой механическими мешалками............................ 104
Вывод основного критериального уравнения движения..... 104
Критерии' гидродинамического подобия процесса перемешивания . 106
Геометрические параметры, влияющие на процесс перемешивания 108
Глава 5. Уравнение для расчета мощности, потребляемой мешалкой . . 109
Общий вывод расчетного уравнения............... 109
Уравнения для расчета мощности при различных режимах движения 117 Влияние отдельных свойств, учитываемых расчетным уравнением мощности, потребляемой мешалкой.............. 127
Новые данные о влиянии отдельных параметров на мощность, потребляемую мешалкой.................... 132
Конечная форма расчетных уравнений............. 144
Глава 6. Определение условий, обеспечивающих оптимальный расход мощности ......................... 148
Вывод уравнения для расчета времени перемешивания...... 149
Определение влияния отдельных переменных на мощность, потребляемую мешалкой...................... 153
Глава 7. Расчет мощности, потребляемой мешалками при перемешивании неньютоновских жидкостей................. 160
Часть III Влияние перемешивания на основные процессы химической технологии
Глава 8- Влияние перемешивания на теплопередачу.......... 168
Определение значений показателей степени и коэффициента уравнения теплоотдачи...................... 168
Влияние перемешивания на теплопередачу в высоковязких жидкостях............................ 179
Глава 9- Влияние перемешивания на массообмен............ 182
Массообмен между твердой и жидкой фазами.......... 182
Массообмен между двумя жидкими фазами........... 198
Абсорбция.......................... 210
Биохимические процессы.................... 220
Глава 10. Влияние перемешивания на химические реакции....... 222
Гомогенные химические реакции................ 222
Гетерогенные реакции..................... 223
Глава 11. Реакторы с мешалками................... 232
Периодически действующие реакторы с мешалками....... 232
Непрерывно действующие реакторы с мешалками (реакторы совершенного смешения) ..................... 233
Часть IV Моделирование аппаратов с перемешивающими устройствами
Глава 12. Методы определения качества перемешивания........ 247
Применение красящих веществ.................. 248
Использование градиента температур.......,......, 250
Использование электропроводности................ 251
Использование теплоты растворения ............... . 251
Использование разности плотностей ................ 252
Определение качества перемешивания в гетерогенных системах . . . 252
Определение соотношения скоростей в жидкости.......... 253
Применение меченых атомов.................... 254
Метод индикаторного элемента.................. 254
Глава 13. Организация модельного опыта........... . . . 255
Глава 14. Увеличение размеров модели до размеров промышленного аппарата 258
Увеличение модели с учетом мощности, потребляемой мешалкой . 259 Моделирование аппаратов с перемешивающими устройствами, в которых происходит передача тепла .............. 262
Моделирование процессов массопередачи при перемешивании . . . 268
Часть V Конструкции мешалок
Глава 15- Перемешивание в газовой среде............. 271
Перемешивание газов непосредственно в трубопроводе....... 273
Сопла............................. 273
Центробежные разбрызгиватели................. 275
Разбрызгивающие и насадочные башни............. 276
Вентиляторы......................... 276
Глава 16- Перемешивание в жидкой среде .............. 276
Перемешивание жидкостей в трубопроводе........... 277
Циркуляционное перемешивание жидкостей........... 279
Перемешивание жидкостей сжатым воздухом.......... 285
Механические перемешивающие устройства........... 290
Вспомогательные устройства для выпрямления потока перемешиваемой среды........................ 321
Глава 17. Смешивание паст и тестообразных материалов ....... 337
Аппараты с вертикальным сосудом............... 340
Аппараты с горизонтальным сосудом.............. 351
Аппараты с чашей...................... 361
Валковые машины....................... 362
Эмульгационные и гомогенизационные устройства........ 366
Глава 18. Смешивание твердых сыпучих материалов.......... 372
Определение мощности, потребляемой смесителем........ 373
Смешивание твердых сыпучих материалов с небольшим количеством
жидкости.......................... 375
Смешивание сухих сыпучих материалов............. 376
Часть VI Области применения мешалок различных типов и примеры расчетов
Глава 19. Выбор типа мешалки................... 393
Глава 20. Примеры расчета..................... 395
Мощность, потребляемая мешалкой.............. 395
Теплопередача в аппарате с мешалкой............. 399
Литература............................ 402
Перечень фирм и проспектов, упоминаемых в тексте ........ 409
Авторский указатель....................... 411
Предметный указатель....................... 412
ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРОВ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ
Со времени написания книги «Перемешивание в химической промышленности» прошло только четыре года, однако для развития этой области, науки они имели большое значение.
За это время уже почти решен вопрос расчета мощности, потребляемой мешалками, и существенно расширена область приложимости основных соотношений, выведенных для ньютоновских жидкостей, к другим жидкостям. Проводится интенсивная работа по созданию основ гидродинамической теории перемешивания. Подчеркивается гидродинамический характер процесса в отличие от прежнего понимания перемешивания как механической операции, которое можно считать справедливым лишь в отношении смешивания твердых сыпучих материалов.
Все больший интерес вызывают вопросы, касающиеся влияния перемешивания на массопередачу; устанавливается взаимосвязь между условиями работы перемешивающих устройств и скоростью массопередачи. На первый план выдвинут также вопрос перемешивания гетерогенных систем, и в особенности двух несмешивающихся жидкостей, ввиду все расширяющегося применения процесса экстракции.
К двум основным исследовательским центрам в области перемешивания, упомянутым в предисловии к чешскому изданию, прибавились еще два крупных центра—в университете в Киото и в Пражской высшей химико-технологической школе.
Это особое внимание к перемешиванию, естественно, вызвало появление ряда новых значительных работ. Все же после дополнения отдельных глав новыми сведениями оказалось возможным оставить основную структуру книги такой же, как и в чешском издании. Русское издание (в отличие от чешского, в котором систематическая обработка литературы заканчивается 1956 г.) содержит основные работы, опубликованные до конца 1960 г.
За дальнейшее значительное расширение мы приносим благодарность доценту И. С. Павлушенко, который дополнил русское издание советскими работами, нам не известными, и, таким образом, расширил обзор. Мы также благодарны И. С. Павлушенко за ряд замечаний, касающихся переработки отдельных глав, и за исправление ошибок, допущенных в чешском издании.
Надеемся, что дополненное русское издание нашей книги будет полезно советским читателям.
3. Штербачек, П. Тауск
Прага, апрель 1961 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРОВ К ЧЕШСКОМУ ИЗДАНИЮ
Перемешивание является одной из операций, весьма часта встречающихся в химической промышленности. Применяется оно или как самостоятельный процесс для получения однородной смеси, или как средство увеличения поверхности контакта фаз при других операциях (например, абсорбции, экстракции или сушке), а также для интенсификации теплопередачи.
В книге собраны основные сведения о перемешивании, опубликованные преимущественно в заграничной литературе. Эти сведения предназначаются для всех, кто в своей производственной, научной и конструкторской работе имеет дело с перемешиванием.
Книга делится на две части—теоретическую и описательную. В теоретической части рассмотрены основные законы гидродинамики и теория перемешивания твердых сыпучих веществ, расчет мощности, потребляемой механическими мешалками, и влияние перемешивания на те химико-технологические операции, при которых оно преимущественно применяется. В описательной части теоретические выводы дополняются производственными данными и характеристиками современных перемешивающих устройств. В ней содержатся также примеры конструкций и таблицы, облегчающие выбор мешалок для различных целей.
Перемешивание до сих пор принадлежит к наиболее эмпирическим операциям химической промышленности. Однако в последние годы и здесь наблюдается стремление добиться возможности количественной оценки результатов. Систематические исследования в этом направлении проводятся в основном в СССР и США.
Следствием выполненных работ явилось создание метода определения мощности, потребляемой мешалкой, который так же, как и метод определения влияния перемешивания на тепло- и массопередачу, обосновывается опытами с моделями. Кроме того, предложен метод определения минимального расхода энергии и получены необходимые данные для расчета аппаратов с перемешивающими устройствами и их оценки.
Несмотря на эмпирический характер проектирования перемешивающих устройств, уже накоплены данные, достаточные для того, чтобы можно было при проектировании и эксплуатации перемешивающих устройств действовать с большей уверенностью, чем это делалось до сих пор.
Как уже было сказано, перемешивание применяется не только как самоцель, т. е. для гомогенизации, но и при многих других операциях. Разработка темы во всем ее объеме была бы слишком обширной, поэтому авторы ограничиваются изложением основных сведений, относящихся собственно к перемешиванию (часть I). Что касается влияния перемешивания на некоторые основные химико-технологические операции, то, считая, что читатели знакомы с основными процессами [3], авторы останавливаются только на влиянии перемешивания на данную операцию. При изложении теоретической части предполагается знание главных типов перемешивающих устройств.
Монографий такого объема, посвященных перемешиванию, написано не было. Имеются лишь статьи о перемешивании в химической литературе (например, Перри, Ульман, Кирк-Отмер) в большинстве своем описательного характера. Перемешивание в жидких средах рассмотрено Кафаровым [180].
При составлении этой книги авторы старались пользоваться терминологией, применяемой в науке о процессах и аппаратах химической технологии L94]. Однако некоторые специальные термины необходимо было перевести с оригинала так, чтобы сохранить насколько возможно их точное значение. Например, выражение «центральный всасывающий вихрь» (vortex) надо было оставить для того, чтобы отличить это понятие от понятия о вихре, возникающем при турбулентном течении. Для неподвижной лопатки, поставленной на пути потока жидкости, созданного мешалкой, введен термин «буфер» вместо до сих пор применявшегося «перегородка»*. Наконец, принят термин «колонна с вращающимися дисками» вместо до сих пор применявшегося «вращающаяся дисковая колонна», что является лишь дословным переводом английского термина (Rotary disc column). В названиях некоторых специальных типов мешалок, у нас необычных, мы стремились отразить характер действия оборудования или его основной признак.
При составлении описательной части авторы имели в своем распоряжении фирменные каталоги и описания, которыми частично воспользовались. Упоминаются лишь те фирмы, оборудование которых либо описано в тексте, либо проиллюстрировано фотографиями. В последнем случае всегда указывается имя изобретателя (название фирмы). Полное наименование и адрес фирмы приведены в перечне фирм.
* [В отечественной литературе приняты термины соответственно «центральная воронка» и «отражательная перегородка», которые и употребляются в тексте книги.—Прим. редактора.]