Механическое перемешивание урана

Основными факторами, характеризующими работу механических перемешивающих устройств, являются потребляемая мощность, эффективность и скорость перемешивания.

Процесс движения жидкости при перемешивании механическими мешалками очень сложен, поэтому он пока еще недостаточно изучен. Лишь в последнее время удалось перейти от эмпирического метода расчета мешалок к общим закономерностям и уравнениям, достаточно правильно характеризующим их работу.

В настоящее время методы расчета разработаны для всех простейших типов механических мешалок: лопастных мешалок, состоящих из одной или нескольких лопастей, укрепленных на общем валу; пропеллерных мешалок с винтовыми лопастями и, наконец, турбинных мешалок в виде ротора типа турбинки центробежного насоса, укрепленной на конце вала.

Вопросам перемешивания посвящено значительное количество исследований. Среди отечественных работ важное место занимает книга Кафарова.

По механическому перемешиванию обширные сведения приведены в трудах Касаткина, Циборовского и ряда других исследователей.

Исследованием гидравлических особенностей работы механических мешалок подробно занимались Мельников, Янишевский, Панфилов, Савельев и др. Гидродинамику процесса перемешивания взвесей рассматривает Костин.

Ряд работ посвящен совместному изучению механического перемешивания и массопередачи.

Расход мощности на перемешивание. Одна из основных задач при расчете перемешивания — определение расхода мощности, если известны размеры мешалки, число ее оборотов и физические свойства жидкости.

До последнего времени работу мешалок рассматривали в неограниченной жидкой среде, полагая, что лопасти воспринимают полное давление при их движении в жидкости, а движение самой жидкости в сосуде с мешалкой имеет статический характер.

Однако формальное перенесение явлений движения плоской пластины на работу мешалки оказалось неправильным, так как сложный поток в сосуде с мешалкой разделяется на области статического и динамического вращения жидкости. В области статического вращения жидкости образуется центральное ядро (у оси сосуда), вращающееся с постоянной угловой скоростью, близкой к скорости лопасти, а в области динамического вращения угловая скорость постепенно убывает по мере удаления от оси аппарата. В области статического вращения жидкости лопасти мешалки практически не должны испытывать сопротивления со стороны жидкости, так как они образуют с ней единое целое. Это должно учитываться при расчете мощности мешалки и требует пересмотра известных способов расчета.

Однако в настоящее время какие-либо новые, более точные методы расчета рекомендовать преждевременно из-за отсутствия пока достаточного объема исследований по определению поля скоростей в условиях перемешивания. В связи с этим следует рассмотреть существующие способы расчета мощности мешалок, которые сводят процесс перемешивания к внешнему обтеканию мешалки потоком жидкости.

В обобщенном виде закон сопротивления среды выражается уравнением

где Eu — критерий Эйлера; Be — критерий Рейнольдса; Fr — критерий Фруда.

Применительно к механическому перемешиванию критерий Фруда можно исключить из обобщенного уравнения, так как влияние силы тяжести при достаточной глубине погружения мешалки в жидкость можно не учитывать. В этом случае обобщенное уравнение (2.1) принимает вид

где обычные выражения критериев видоизменены в соответствии с предполагаемыми условиями движения жидкости при перемешивании. Для критерия Рейнольдса принимается выражение

где n — число оборотов мешалки, сек; d —длина лопасти, диаметр пропеллера или турбинки, м; p — плотность среды, кг*сек2/м4; u — вязкость среды, кг*сек/м2.

В выражение (2.3) вместо окружной скорости w поставлена пропорциональная ей величина nd, так как

Для критерия Эйлера принимается выражение

где AP — давление на лопасть мешалки, кг/м2; N — мощность мешалки, кгм /сек.

В соответствии с уравнениями (2.2), (2.3) и (2.5) рабочую мощность мешалок разных типов можно вычислить по уравнению

Значения постоянных A и m для различных мешалок выбираются по табл. 2.1, составленной В.В. Кафаровым.

Влияние на расход мощности высоты h и длины (диаметра) мешалки d, диаметра аппарата D и уровня жидкости в нем H можно учесть введением в уравнение (2.2) зависимости

где k — постоянная, зависящая от геометрических размеров мешалки и аппарата.

В этом случае расход мощности на механическое перемешивание выражается в виде общей зависимости

которую можно установить экспериментально в следующем виде:

Умножив обе части этого уравнения на Reм, получим, с учетом выражений (2.3) и (2.5), общее уравнение для определения мощности мешалок различного типа:

где A, g, b, с, е— числовые константы, определяемые экспериментально для данного типа мешалки.

Для области Re более 10в4, чаще всего встречающейся при механическом перемешивании, рабочую мощность лопастной мешалки можно определить по уравнению

полученному при условии h/d < 1/6 * D/d > 3 и H/d < 1/2.

Для пропеллерных трехлопастных мешалок в области значений Re от 10в2 до 10в5 можно использовать уравнение

полученное при условии = 1,87.

Расход мощности на перемешивание зависит от степени шероховатости стенок аппарата, что заставляет для аппаратов с шероховатыми стенками (футерованных, деревянных) увеличивать мощность, определенную по формулам (2.6), (2.10), (2.11) и (2.12), на 10—20%, так как они получены для аппаратов с гладкими стенками.

Кроме того, необходимо учитывать увеличение расхода энергии на преодоление добавочных сопротивлений в аппарате при наличии в нем змеевиков, перегородок, ребер. Включение в аппарат змеевика может, например, увеличить рабочую мощность в два раза и более.

Все приведенные уравнения можно использовать для расчета рабочей мощности, т. е. когда энергия затрачивается только на преодоление силы сопротивления среды. В пусковой период дополнительно расходуется работа на преодоление сил инерции, чтобы вывести мешалку из состояния покоя. Величина пусковой мощности определяется уравнением

где Nраб дается уравнением (2.6) или (2.10).

Мощность Nин, расходуемая на преодоление сил инерции, можно вычислить из уравнения

где k — постоянная, зависящая от геометрических размеров мешалки. Например, для лопастной мешалки к в первом приближении принимают равной 3,87 h/d.

Определив величину рабочей и пусковой мощностей, подбирают электродвигатель, установочную мощность которого находят по уравнению

где Nп — пусковая мощность, кгм/сек; n — к. п. д. передачи от электродвигателя к мешалке.

Скорость перемешивания в реакторе. При рассмотрении перемешивания в реакторе (аппарате с механическим перемешиванием) важно определить скорость перемешивания, характеризующуюся скоростью изменения концентрации раствора в аппарате во времени.

Величина скорости перемешивания имеет большое значение при определении эффективности ряда процессов урановой технологии, скорость которых зависит от конвективного переноса массы вещества в объеме аппарата (растворение, кристаллизация).

В качестве примера может быть рассмотрен такой случай, когда в аппарат, заполненный раствором, начинает поступать чистый растворитель, а из него непрерывно уходит раствор, при условии что объем жидкости в реакторе сохраняется постоянным.

Чтобы определить время, за которое концентрация раствора уменьшится на произвольную величину, можно использовать уравнение

где c0 — концентрация раствора в аппарате в начальный момент (т=0); с — концентрация раствора в аппарате в произвольный момент времени т; т — время перемешивания; v — скорость подачи растворителя в реактор; u — объем раствора в реакторе.

Уравнение (2.16) можно применить для определения скорости перемешивания, когда постоянство концентрации раствора в данный момент в аппарате поддерживается с помощью мешалки. Скорость перемешивания в случае последовательного и последовательно-параллельного соединений реакторов с постоянным или переменным объемом жидкости для любого момента времени от начала ввода растворителя в первый реактор также можно определить с помощью соответствующих уравнений, приведенных в специальной литературе.

Эффективность перемешивания. Эффективность перемешивания характеризуется расходом мощности на перемешивание единицы объема жидкости. Эту величину обычно определяют отбором множества проб жидкости на разных высотах и на различном расстоянии от оси мешалки и последующим анализом этих проб, позволяющим определить процент перемешивания в различных точках аппарата

где с — содержание компонента в данной точке; сср — среднее содержание компонента в смеси.

Критерий перемешивания определяют затем как среднюю арифметическую величину местных процентов перемешивания.

До последнего времени сравнительную оценку эффективности перемешивания мешалками различного типа проводили при одинаковой скорости вращения мешалок. Некоторые исследователи считают такой способ сравнения эффективности мешалок неправильным, так как он не обеспечивает одинаковых гидравлических условии проведения процесса. Поэтому они предлагают сопоставлять эффективность перемешивания в условиях одинаковых затрат мощности, вводя понятие эквивалентного числа оборотов мешалки nэ. Сравнивать мешалки следует при этом на основе тождественности гидравлических условий работы, которая определяется одинаковой формой воронки на поверхности жидкости в аппарате. За эталон принимается число оборотов радиальной двухлопастной мешалки к которому приводится число оборотов других мешалок.

Сопоставление мешалок ведется при условии, что эквивалентному числу оборотов отвечает одинаковая эффективность перемешивания.

Эффективность перемешивания взвесей можно характеризовать числом оборотов мешалки n0, при котором обеспечивается подъем твердых частиц с днища и их равномерное распределение в жидкой фазе.

Методом анализа размерностей для явления осаждения твердых частиц жидкости получено критериальное уравнение для определения n0 при содержании в жидкости твердого более 15 %

где pтв — плотность твердой фазы, кг*сек2/м4; р — плотность среды, кг*сек2/м4; d3 — диаметр частиц взвеси, м; u — вязкость среды, кг-сек/м2; d — диаметр пропеллерной мешалки, м; D — диаметр аппарата, м.

Мощность, потребляемая мешалкой при числе оборотов n0, определяет эффективность перемешивания взвеси.

Конструкции мешалок. Из всего многообразия механических мешалок наиболее распространены лишь несколько типов: лопастные, пропеллерные, якорные и турбинные (рис. 2.1). Для перемешивания жидкостей в урановой технологии чаще всею используют пропеллерные или турбинные мешалки (например, при растворении, экстракции). Если возникает необходимость в обеспечении непрерывного удаления осадка со стенок аппарата, используют также якорные мешалки (кристаллизация).

В том случае, когда задача перемешивания состоит в том, чтобы обеспечить взмучивание находящейся в аппарате твердой фазы, лопасти мешалок устанавливают наклонно, чтобы создать в аппарате токи жидкости, направленные вверх.

Циркуляцию потоков внутри аппарата можно улучшить, поместив мешалку внутрь диффузора (трубы с отверстиями). Такие устройства широко используются при выщелачивании рудного сырья.

Наиболее интенсивное перемешивание обеспечивают пропеллерные мешалки, лопасти которых представляют собой элемент геометрического винта. Высота лопасти определяется по формуле

где r — радиус окружности, ометаемой лопастью; а — угол наклона лопасти.

Диаметр пропеллерной мешалки рекомендуется выбирать равным — 25% диаметра реактора. Пропеллерные мешалки используют, если необходимо перемешивание с интенсивностью 150—500 об/сек.

В ряде процессов урановой промышленности широкое распространение получили турбинные мешалки, так как они обеспечивают хорошую эффективность перемешивания вязких жидкостей и пульп, содержащих значительное количество твердого. Такие мешалки широко применяют в процессах жидкостной экстракции, где они служат для транспортировки жидкостей и их перемешивания.

Турбинная мешалка имеет вид центробежного колеса с лопатками, укрепленного на вертикальном валу. Жидкость засасывается при вращении турбинки в ее центральное отверстие, проталкивается центробежной силой от центра к периферии и выбрасывается из турбинки, после чего она распространяется, по различным направлениям. При этом происходит интенсивное перемешивание всего объема жидкости.