APARATURA W OCHRONIE ŚRODOWISKA

(1)

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.

(2)

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.

(3)

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

(4)

Wentylatory osiowe

Zasada działania wentylatorów:

• osiowych ― strumień powietrza zasysany i tłoczony jest osiowo (wzdłuż wału wentylatora).

1– wirnik, 2 – koło kierownicze, 3 – dyfuzor

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.

(5)

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-dreschla- ze-spiekiem-szklanym-odwroconym-profilowana

Dyfuzor napowietrzający

Źródło: www.akwatech.pl/

(6)

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

(7)

Mieszanie cieczy przy użyciu pomp

Mieszanie cieczy przy użyciu pomp polega nacyrkulacji lub recyrkulacji cieczyalbo 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

(8)

Mieszalniki statyczne

Mieszalniki statyczne mają postać kolumn półkowych, kolumn z wypełnieniem lub przewodów rurowych z odpowiednio wyprofilowanymi kształtkami mieszającymi.

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.

Źródło: www.euromixers.co.uk/?page=static&l=po

Mieszalniki statyczne ― przykłady rozwiązań

Źródło: www.burlingtonpump.com/koflo-clear-pvc.htm

Źródło: www.koflo.com/static-mixers.html

Źródło: www.jlsintl.com/process- US/converting/mixers-ext/mixers-hx.html

(9)

Mieszalniki statyczne ― przykłady zastosowań

Źródło: www.fapo.com.pl/index.php/pl/mieszadla/mieszadla-statyczne

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.

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

(10)

Mieszadła wibracyjne

Zasada działania mieszalników wibracyjnych ― tarcza perforowana umieszczona na wale wykonuje ruch posuwisto- zwrotny, wprawiając układ w ruch drgający powodujący homogenizację układu.

Schemat mieszadła wibracyjnego

Ze względu na kierunek przepływu strumienia w mieszalniku rozróżnia się mieszadła wytwarzające przepływ:

a) osiowy, 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.

Mieszadła obrotowe

a) b) c)

(11)

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).

Mieszadła turbinowe

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)

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

g) h)

(12)

Mieszadła turbinowe ― przykłady rozwiązań

Mieszadła turbinowe

Źródło: www.buchiglas.com/pl/produkty/reaktory-cisnieniowe-autoklawy- laboratoryjne/skala-lab-pilot-025-250-litrow/pilotclave.html

Do mieszadeł promieniowych zalicza się również mieszadła łapowe i kotwicowe ― zawierają dwie lub większą liczbę łap otwartych.

Mieszadła promieniowe ― łapowe i kotwicowe

a)

b) c)

Mieszadła : a) łapowe proste, b) wielołapowe, c) kotwicowe (palcowe)

(13)

Mieszadła kotwicowe ― przykłady rozwiązań

Źródło: www.agimix.pl Źródło: www.hornik.eu.com/pl/mieszadlo-

kotwicowe-ptfe-sr-95-mm-dl-550-mm

Źródło:

www.hornik.eu.com/pl/mieszadlo- kotwicowe-ptfe-dlugosc-350-mm- o-8-mm-a-o-40-mm

Do mieszadełosiowych zalicza się mieszadła:

• śmigłowe;

• helikoidalne:

― spiralne;

― ślimakowe;

― wstęgowe.

Mieszadła śmigłowe stosowane są zazwyczaj w małych mieszalnikach do wytwarzania ruchu burzliwego cieczy w najbliższym otoczeniu mieszadła.

Mieszadła osiowe

a) b)

Mieszadła : a) dwuśmigłowe, b) trzyśmigłowe

(14)

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: www.intertools.eu/pl/p/Mieszadlo- smiglowe-WS-2-160x600-M14/1093 Źródło:

elefantgroup.all.biz/pl/mieszadla- smiglowe-g2901978#!prettyPhoto/0/

Mieszadła helikoidalne stosowane są do mieszania cieczy lepkich i zawiesin w procesach wymiany ciepła, przy dużym strumieniu przepływu.

Mieszadła helikoidalne

a) b)

Mieszadła helikoidalne: a) pojedyncze, b) podwójne, c) ślimakowe,

d), e) helikoidalno-ślimakowe

c)

d) e)

(15)

Mieszadła helikoidalne ― przykłady rozwiązań

Mieszadło z obrotowymi wstęgami

Źródło:

www.komela.bytom.pl/oferta/mieszadla

Mieszadło spiralne

Źródło: www.flex- elektronarzedzia.pl

Mieszadło wstęgowe

Źródło:

www.komela.bytom.pl/oferta/mieszadla

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.

Dobór mieszadeł

(16)

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

Dyfuzor stanowi rura otaczająca szybkoobrotowe mieszadło.

W dyfuzorze wytwarza się cyrkulacja wznosząca lub opadająca

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

(17)

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.

Dobór mieszalników ― obliczenie mocy

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

(18)

Mieszanie ciał stałych o różnym stopniu sypkości prowadzi się wmieszarkach.

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.

Mieszanie ciał stałych

Mieszarki z obrotową (wirującą) komorą mieszania można podzielić na:

a) bębnowe cylindryczne;

a) dwustożkowe;

b) dwustożkowe pochylone;

a) graniaste;

b) tetraedryczne;

c) typu V.

Mieszarki z obrotową komorą mieszania

a) b) c)

d) e) f)

Źródło: Koch R., Noworyta A., Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej.

Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1998

(19)

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).

Mieszarki z obrotową komorą mieszania

Schemat mieszarki bębnowej cylindrycznej

Mieszarki z nieruchomą komorą posiadają w komorze różnego rodzaju urządzenie mieszające (mieszadła).

Mieszadła powodują przemieszczanie się materiału i mieszanie substancji.

Mieszarki z nieruchomą komorą mieszania

Mieszarka z komorą nieruchomą z podwójnym mieszadłem

Źródło: Koch R., Noworyta A., Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1998

Mieszarki z nieruchomą komorą są stosowane do mieszania materiałów sypkich, jak również lepkich cieczy i zawiesin oraz materiałów ciastowatych.

(20)

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

Źródło:

www.ekomontaz.com/?s=12&id_prd=37&id_gr p=27&id_pck=1

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.pwpkatowice.pl/main/mieszarka_osadu_

z_wapnem.html

(21)

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.

Mieszarki pneumatyczne

Mieszanie pneumatyczne nadaje się do materiałów sypkich, których poszcze- gólne 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

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.

Mieszarki z nieruchomą komorą

mieszania ― zagniatarki

(22)

Mieszarki z nieruchomą komorą mieszania ― zagniatarki

Schemat zagniatarki:

1– koryto, 2 – mieszadła, 3 – napęd

Mieszarki z nieruchomą komorą mieszania ― mieszadła zagniatarek

Kształty mieszadeł zagniatarek:

a) sigma, b) dzeta, c) czteropłatowe, d) wielopłatowe, e) krzywa falowa

a)

b)

c)

d)

e)