Перемешивание широко применяется в химической, биохимической и других отраслях промышленности для приготовления эмульсий, суспензий и получения гомогенных систем.

Основные задачи перемешивания в биогазовых установках является переселение бактерий со старого субстрата на новый и их дальнейшее размножение, равномерное распределение температуры в реакторе, а также избежание появления или разрушение образовавшихся корки и осадка.

При перемешивании в жидких средах применяют два основных способа:

-   механический - с помощью мешалок различных конструкций;

-   барботажный - сжатым воздухом или инертным газом.

Так же применяется перемешивание в трубопроводах и перемешивание с помощью насосов и сопел [4]. Процесс перемешивания механическими мешалками сводится к внешней задаче гидродинамики – обтеканию тел потоком жидкости [6,7].

В зависимости от числа оборотов мешалки условно делят на:

-   тихоходные (двухлопастные, рамные, листовые, якорные) <100 об./мин;

-   быстроходные (пропеллерные двух- и трехлопастные) > 100 об./мин.

Быстроходные мешалки чаще всего работают в аппаратах с отражающими перегородками. Отсутствие перегородок приводит к завихрению жидкости в аппарате и образованию воронки (Рисунок 1в).

На Рисунке 2 показаны различные способы расположения пропеллерных мешалок в аппарате. Наиболее часто в биореакторах применяют вариант с нижним горизонтальным направлением пропеллера (Рисунке 2 в). Это обуславливается созданием движения в нижних, более плотных слоях субстрата, часть объема которого замещается верхними слоями, что приводит к перемешиванию по всему объему [3].

К тихоходным мешалкам относятся лопастные, листовые, якорные и рамные (Рисунок 3). Перемешивающий эффект направлен не на привнесение в субстрат тягового усилия, а на промешивание субстрата, он должен обеспечить хорошее перемешивание субстратов с особенно большим содержанием сухого вещества [2].

Наклонные лопасти более интенсивно перемешивает субстрат, чем прямые. Мешалки с такими лопастями применяются в случае трудноперемешиваемых слоев субстратов, плотности которых значительно отличаются друг от друга. Угол наклона чаще всего используют 450.

Также на распределение потоков влияет высота расположения рабочего органа мешалки. Если мешалка смонтирована на половине высоты субстрата, то образуются два приблизительно симметричных потока вторичной циркуляции (Рисунок 4 а), тогда как при смещении мешалки в направлении днища эта симметрия нарушается (Рисунок 4 б), а когда мешалка находится у самого дна (Рисунок 4 в), то образуется лишь один поток вторичной циркуляции.

Хорошее качество перемешивания можно получить, нагнетая полученный в результате брожения газ в жидкий субстрат. Однако при этом субстрат не должен обладать слишком большой вязкостью и быть склонным к образованию плавающей корки. При введении газа в нижнюю часть реактора в нем создается газлифт, обеспечивающий интенсивное перемешивание жидкости. Чем выше по высоте аппарата вводится газ, тем меньше затраты на его сжатие. Поэтому для барботажного перемешивания экономичнее использовать широкие, но низкие биореакторы.

На Рисунок 5 представлены схемы барботажных перемешивающих устройств, отличающихся конструкцией барботера и гидродинамическим режимом работы.

Для интенсификации газового перемешивания в аппаратах устанавливают газлифтные трубы, создающие многократную циркуляцию жидкости в аппарате (Рисунок 5 г). В циркуляционных трубах образуется газожидкостная смесь с плотностью меньше плотности жидкости, находящейся в межтрубном пространстве, вследствие чего в аппарате возникает циркуляция жидкости с восходящим и нисходящим потоками [1,5].

Достоинствами барботажного перемешивания являются отсутствие движущихся частей, простота устройства и легкость поддержания твердой фазы суспензий во взвешенном состоянии. Недостатки этого метода: большой расход энергии на получение сжатого газа и его применимость только для маловязких жидкостей. Но совмещая барботажное перемешивание с лопастным тихоходным, можно добиться полноценного перемешивания субстрата различной вязкости.

 

Список литературы

1.     Гельперин Н.И.  Основные процессы и аппараты  химической технологии. В 2 кн.  Кн. 1 Процессы  и аппараты химической и нефтехимической технологии.: учеб. пособие для вузов / Н.И. Гельперин. – М.:«Химия», 1981. 384с.

2.     Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. В 2 кн. Кн. 2. Массообменные процессы и аппараты.: учеб. пособие для вузов / Ю.И. Дытнерский. – М.: «Химия», 1995. 368с.

3.     Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии / А.Г. Касаткин. – М.: 1973. 784с.

4.     Стренк Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками / Пер. с польск. под ред. И.А. Щупляка. – Л.: «Химия», 1975. 384с.

5.     Шаптала В.Г., Шаптала В.В., Суслов Д.Ю. Вопросы моделирования и расчета барботажных реакторов / Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2013. №5. С. 189-192.

6.     Штербачек З., Тауск П., Перемешивание в химической промышленности / Пер. с чешского под ред. И.С. Павлушенко – Л.: 1963. 214c.

7.     Эдер Б., Шульц Х. Биогазовые установки / перевод с нем. компании «Zorg Biogas»: 2008. 268 с.