9. MÍCHÁNÍ Směšování kapalin probíhá v následujících stádiích: Makromíchání vytvoření směsi větších segregovaných oblastí směšovaných kapalin. Pokud bychom odebrali větší vzorky této směsi, obr. 9.1, z rozdílných míst objemu kapalné směsi, zjistíme, že složení kapalného systému je v celém objemu míchané kapaliny stejné. Pokud bychom ale odebrali malé vzorky, složení by se v jednotlivých místech jak většího vzorku, tak objemu kapaliny, lišilo. Zmenšení segregovaných oblastí do té míry, že i velmi malé vzorky odebrané kdekoliv ze směsi mají stejné složení, se dosáhne tzv. mikromícháním. Homogenizaci na makro- i mikroúrovni lze dosáhnout mechanickými míchadly. Úplné homogenizace na molekulární úrovni již nelze dosáhnout mechanickým mícháním. Tato homogenizace probíhá mechanizmem molekulární difúze. Při směšování kapalin s většinou změní jejich výsledný objem; tzn. výsledný objem není součtem výchozích objemů obou kapalin, ale je menší. 9.1 HLAVNÍ CÍLE Hlavním cílem míchání je rozptýlit v objemu základní kapaliny, nejčastěji vody, případně organického rozpouštědla, další jednu nebo více složek, přičemž základní kapalina je převažující složkou, příprava homogenních roztoků smícháním dvou nebo více neomezeně mísitelných kapalin, příprava emulzí z omezeně mísitelných nebo nemísitelných kapalin, příprava suspenzí rozmícháním, zpravidla jemně rozemleté, tuhé látky v kapalině, intenzifikace rozpouštění tuhých látek v kapalině, urychlení přenosu hmoty při heterogenních chemických reakcí - rozkladu tuhých látek v kyselinách nebo hydroxidech, intenzifikace výměny tepla. V řadě případů je vzájemně kombinováno i více z uvedených cílů míchání současně. Intenzitu míchání lze významně urychlit snížením viskozity kapalné fáze zahříváním soustavy. Naopak s růstem viskozity soustavy způsobené vyšším podílem tuhých látek až do těstovité konzistence systému přechází míchání v hnětení - homogenizaci pastových, krémových nebo těstovitých směsí. Rozlišujeme míchání mechanické, hydraulické, pneumatické a míchání v potrubí. 9.2 MECHANICKÉ MÍCHÁNÍ Mechanické míchání je obvykle realizováno ve válcových nádobách s rovným nebo hluboce klenutým dnem - míchačkách, míchaných reaktorech, krystalizátorech aj. Vlastní míchací zařízení je tvořeno míchadly různých konstrukcí. Míchadla jsou pevně uchycena na hřídeli. 1 Obr. 9.1 Míchání dvou kapalin
Hřídel míchadla je obvykle umístěna v ose válcové nádoby, ale může být umístěna i šikmo nebo z boku. Pokud je míchadlo umístěno v ose válcové nádoby, vzniká tangenciální proudění, tj. kapalina se točí v nádobě za vzniku středového víru, obr. 9.2.1. Promíchávání kapaliny není v tomto případě nijak intenzivní. Proto jsou v míchaných nádobách, obr. 9.2.2, svisle na stěně umístěny 3-4 vlnolamy (zarážky) - svislé desky, které podporují vertikální, tj. souběžně Obr. 9.2.2 Zarážky v míchané nádobě radiální a axiální proudění v nádobě vyvolané míchadlem a omezují roztočení obsahu ve směru otáček míchadla. Tím se rychlost homogenizace významně urychlí. Za zarážkami vznikají mrtvé zóny (z hlediska proudění kapaliny) kde se může nahromadit tuhá fáze. Proto jsou od stěn vzdáleny. V hranatých nádobách nejsou zarážky zapotřebí. V míchaných nádobách se zarážkami se ustaví axiální nebo radiální proudění podle druhu použitého míchadla, obr. 9.2.3. Při axiálním proudění kapalina stoupá podél stěn vzhůru a středem nádoby klesá (nebo naopak). Při radiálním proudění je kapalina míchadlem tlačena kolmo ke stěně nádoby, kde se rozdělí na dva proudy. Jeden proud klesá podél stěny ke dnu a středem nádoby stoupá k míchadlu. Druhý proud jde kolem stěn k hladině a středem nádoby klesá. Míchadla, podle konstrukce, vyvozují proudění kapaliny v míchané nádobě buď axiální (ve směru osy míchadla) nebo radiální (ve směru ke stěně nádoby). Axiální proudění podpoří umístění míchadla do difuzoru, což je prázdný válec ponořený v kapalině, obr. 9.2.4. Vrchní okraj difuzoru musí být pod hladinou míchané kapaliny. Míchadla rozdělujeme na míchadla pomaloběžná a rychloběžná. Obr. 9.2.1 Tangenciální proudění Obr. 9.2.3 Axiální a radiální proudění Wikipedia.org K pomaloběžným míchadlům patří míchadla, kotvová, rámová, listová, pásová a šroubová, obr. 9.2.5. Obr. 9.2.4 Difuzor Kotvové míchadlo. V nárysu tvarem připomíná kotvu a je umístěno těsně nade dnem míchané nádoby a svým obrysem sleduje profil dna. Umožňuje vyhrnování krystalů nebo stírání usazenin ze dna a stěn nádoby. Je používáno pro velmi viskózní roztoky a suspenze, také je používáno ke hnětení těstovitých látek. Počet otáček je většinou v jednotkách za minutu. Proudění míchané kapaliny je laminární. 2
Rámové míchadlo má v nárysu obdélníkový tvar. Vznikne z lopatkového míchadla připojením svislých obdélníkových příček. Je používáno pro středně viskózní roztoky a suspenze. Umístěno je u dna míchané nádoby, počet otáček je v jednotkách za minutu. Rámové míchadlo Kotvové Pásové míchadlo míchadlo Obr. 9.2.5 Pomaloběžná míchadla Šroubové míchadlo Listové míchadlo má na hřídeli upevněnou desku obdélníkového tvaru. Otáčky jsou řádově desítky za/minutu. Míchadlo je umístěno ve výšce 10 % průměru nádoby ode dna. Pásové míchadlo má tvar pásu spirály o šířce cca 100 mm, který při otáčení stírá ze stěn přilepenou hmotu. Je používáno pro viskózní inkrustující roztoky a suspenze, počet otáček je v jednotkách až desítkách za minutu. Šroubové míchadlo je určeno pro vysoce viskózní kapaliny. Velmi dobře promíchává kapalinu ve vertikálním směru. K rychloběžným míchadlům patří míchadla turbínová, lopatková, vrtulová a zubová, obr. 9.2.6. Turbínové míchadlo může mít oběžné kolo otevřené nebo uzavřené. Lopatky mohou být rovné nebo zahnuté proti směru otáčení, podobně jako u oběžných kol Turbínové Lopatkové Vrtulové Diskové odstředivých čerpadel. míchadlo míchadlo míchadlo míchadlo Pokud jsou lopatky kolmé k oběžnému kolu, Obr. 9.2.6 Rychloběžná míchadla kapalina v nádobě proudí radiálně. Při sklonu lopatek 30 k ose míchadla je proudění axiální. Při jiném sklonu lopatek je proudění částečně radiální a částečně axiální. Turbinové míchadlo je umístěno v 1/3 výšky nádoby ode dna, má desítky až stovky otáček za minutu. Lopatkové míchadlo má ploché lopatky připevněné na společný hřídel objímkami. Mohou být svislé, nebo svírají s rovinou hřídele určitý úhel, např. 45 o. Míchadlo je umístěno v 1/3 výšky hladiny kapaliny v míchané nádobě. Nevýhodou jsou nižší otáčky, řádově desítky (20-150) otáček za minutu. Vrtulové míchadlo je tvořeno vrtulí se 2, 3 i 4 listy. Počet otáček je volen dle viskozity kapaliny v rozmezí 400-1500 ot.min -1. Míchadlo je umístěno v 1/3-1/2 výšky míchané kapaliny. Účinek vrtulového míchadla lze zlepšit umístěním vrtule do středu tzv. difuzoru - válcové trubky vložené v míchané nádobě. Tím je usměrněna cirkulace míchané kapaliny do vertikálního směru. 3
Diskové míchadlo je tvořeno kruhovým diskem na okraji opatřeným zuby, které je umístěno v ose míchané nádoby. V případě diskových extraktorů je umístěno v prostoru nádoby několik diskových míchadel zajišťujících rozptýlení vzájemně nemísitelných kapalin na drobné kapičky ke zvětšení mezifázového povrchu. Vibrační míchadlo. Perforovaný disk s otvory se zmenšujícím se průtočným profilem vibruje v kapalině. Kapalina prochází otvory a dochází k přeměně tlakové na kinetickou energii. V důsledku toho kapalina v míchané nádobě axiálně proudí. Kapalina proudí vzestupně, pokud se průtočný profil otvorů zmenšuje směrem nahoru. Pokud se profil zmenšuje směrem dolů, kapalina proudí sestupně. 9.3 HYDRAULICKÉ MÍCHÁNÍ Cirkulace pomocí čerpadla - promíchávání roztoků nebo suspenzí v nádrži je zajištěno odstředivým čerpadlem. V případě suspenzí mívá čerpadlo otevřené oběžné kolo. Kapalina je nasávána u dna nádrže a je zaváděna k hladině. V cirkulačním okruhu může být zařazen výměník tepla. Cirkulace pomocí čerpadla bývá používána i k promíchávání omezeně mísitelných kapalin, např. k přípravě emulzí. Míchací zařízení tohoto typu může pracovat kontinuálně i diskontinuálně. Cirkulace pomocí čerpadla je používána např. v metanizačních reaktorech na zpracování kalů v ČOV nebo také krystalizátorech. Cirkulace pomocí trysky - bývá používáno k promíchávání omezeně mísitelných kapalin, tj. k přípravě emulzí. Účinkem velké rychlosti kapaliny v ústí trysky dochází v nádrži k intenzívní turbulenci, která zajišťuje homogenizaci obsahu nádrže. 9.4 PNEUMATICKÉ MÍCHÁNÍ Pneumatické míchání je zajištěno vháněním stlačeného vzduchu ke dnu nádrže s promíchávanou kapalinou. Do prostoru nádrže je vzduch rozváděn perforovanými trubkami nebo rozdělovači z perforovaného plechu či porézní keramiky, obr. 9.4.1. Jelikož vzduch má hustotu cca o tři řády nižší než kapaliny, stoupá vzhůru a tím promíchává kapalnou fázi. Pneumatické míchání se používá pro korozívní kapaliny nebo suspenze. 9.5 SMĚŠOVÁNÍ V POTRUBÍ Obr. 9.4.1 Pneumatické míchání Kapalina v potrubí může proudit laminárně nebo turbulentně. Při laminárním proudění jednotlivé vrstvy kapaliny po sobě kloužou a nedochází k jejich promíchávání. Rychlost v potrubí nejmenší při stěně potrubí a největší uprostřed, profil rychlosti je parabolický. Při turbulentním proudění v kapalině vznikají víry, které kapalinu promíchávají. Profil Laminární Turbulentní Obr. 9.5.1 Proudění kapaliny v trubce rychlosti téměř rovný obr. 9.5.1. O charakteru proudění rozhoduje hodnota tzv. Reynoldsova čísla Re = v d /, kde v je rychlost proudění, d je průměr trubky, je měrná hmotnost kapaliny a je dynamická viskozita kapaliny. Pokud je toto číslo menší než 100 je proudění laminární, jeli větší než 2500 je proudění turbulentní a mezi těmito hodnotami je tzv. přechodová oblast, 4
kde proudění je částečně laminární a částečně turbulentní. V laminárním režimu je smísení kapalin pomalé, zatímco v turbulentní režimu je smísení rychlé. Míchání v potrubí se realizuje pomocí tzv. statických směšovačů vložených do potrubí. Homogenizace proběhne v délce 1.5 až 20 násobku průměru potrubí a je možno mísit proudy kapalin o poměru objemů 1:1 až 1:100000 s viskozitou až 10 7 cp, obr. 9.5.2. Jde o velmi málo energeticky náročný proces. K dispozici jsou statické směšovače různé konstrukce pro míšení plynů, kapalin i tuhých látek. Každý ze směšovačů Sulzer.com pracuje na stejném principu, a to pomocí vestavby rozdělit proud na několik menších turbulentních proudů, následně je spojit a celý proces násobně opakovat. Známé jsou směšovače Kenics určené pro plyny, nízkoviskózní kapaliny i tuhé látky, směšovače HEV a KVM pro kapaliny a plyny a směšovače Sulzer pro kapaliny. Směšovače Kenics, obr. 9.5.3, jsou spirálové elementy vložené do potrubí tak, že na pravotočivý navazuje levotočivý element se vstupní hranou otočenou o 90. Tok kapaliny je elementem rozdělen na dva samostatné proudy a každému proudu je udělena rotace, která způsobí, že mezi elementem a stěnou trubky vznikne turbulentní proudění, v důsledku kterého se kapaliny směšují. Po výstupu z jednoho elementu je proud otočen o 180. Následující, opačně točivý element, který rozdělí kapalinu opět na dva proudy a udělí jim rotaci opačným směrem, obr. 9.5.4. Kapalina proudí směšovačem pístovým tokem. K dokonalému smíšení dojde na maximálně 20ti násobku průměru trubky. Statické směšovače jsou jednoduchá zařízení, která nevyžadují žádnou údržbu, protože neobsahují pohyblivé prvky. Směšovače Sulzer, obr. 9.5.5, vkládají do cesty kapaliny orientovanou výplň různé konstrukce. Zde dochází k opětovnému rozdělení a následujícímu spojení proudů kapaliny Obr. 9.5.6 Statický směšovač HEV Směšovače HEV, obr. 9.5.6, vkládají do cesty proudu kapaliny skloněné trapezoidní plochy. Pod nimi vzniká podtlak a rovnající se 1.5 až 2 násobku průměru potrubí. turbulentní víry smíchávající kapaliny. Proud kapaliny narážející na tyto plochy je odkloněn směrem do středu potrubí, kde naráží na středový proud kapaliny. V místě styku obou proudů se rovněž tvoří víry, které kapalinu smíchávají. Tyto statické směšovače se vyznačují malou tlakovou ztrátou. Ke smísení dochází velmi rychle, často na vzdálenosti 5 Obr. 9.5.2 Smísení statickým směšovačem Obr. 9.5.3 Statický směšovač Kenics Obr. 9.5.4 Statický směšovač Kenics Obr. 9.5.5 Statický směšovač Sulzer