Предлагаем вашему вниманию перевод на русский язык новой статьи из авторитетного британского журнала "Tank Storage" ("Резервуарное хранение"). Авторы - Генеральный директор компании ЕВНАТ Екатерина Тузовская и соучредитель нашего представительства в Евросоюзе SIA SABER EVNAT Евгений Староказников. Вы узнаете, почему вашему предприятию необходимы перемешивающие устройства, даже если вы думаете, что они не нужны.
УДИВИТЕЛЬНО, но многие профессионалы в области хранения жидкостей в больших объемах верят в следующие два мифа:
1. Промышленные смесители в резервуарах требуются только тогда, когда смешивание жидких продуктов является конечной целью и…
2. Промышленные резервуарные смесители - это электрические пропеллерные мешалки.
ГЛУБОКОЕ ПОГРУЖЕНИЕ В ПЕРВЫЙ МИФ
Действительно, цель любого смесителя состоит в том, чтобы либо объединить один или несколько компонентов продукта (твердых, суспензионных или жидких), либо сохранить однородность параметров качества. Однако существует целый спектр отраслей, где перемешивание имеет решающее значение не только для хранения, но и для производства. Смесители используются в химической, биохимической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, биотопливной, косметической, лакокрасочной, пищевой и многих других отраслях промышленности. Вот несколько примеров, когда требуется перемешивание:
• Для предотвращения осаждения твердых частиц или вязких фракций жидких продуктов (сырых растительных масел, тяжелых мазутов, битума, различного химического сырья, кормов), при очистке сточных вод и др.
• Для предотвращения полимеризации или кристаллизации хранящегося сырья.
• Для обеспечения стабильного протекания химических реакций (когда происходит соединение особо чувствительных продуктов и время смешивания очень важно).
• Для обеспечения полноты химических реакций при смешивании нескольких компонентов (использование ингибиторов или добавок).
• Для обеспечения быстрого и эффективного тепломассообмена (системы аварийного охлаждения в химических реакторах).
Даже если в настоящее время вы не используете миксер в своих производственных процессах, вы можете всерьез рассмотреть возможность его применения. Ведь перемешивающее устройство может не только упростить некоторые операции, но и решить многие рутинные проблемы.
Например, перемешивание даст возможность:
• Значительно минимизировать или устранить необходимость очистки резервуаров от донных отложений и избежать ненужных затрат на их утилизацию или переработку;
• Избежать ухудшения качества продукта на этапе хранения;
• Избежать незапланированного простоя перерабатывающих установок из-за сбоев химических реакций;
• Контролировать риски техногенных катастроф.
Перемешивание имеет важное значение для финансового благополучия производителей. Так, в 2004 году в США ущерб от неправильного использования или отсутствия смесителей был оценен примерно в 100 миллионов долларов (83,8 млн евро). С тех пор эта цифра только возросла.
О РАЗНЫХ ТИПАХ СМЕСИТЕЛЕЙ
Наиболее типичным смесителем является электрическая пропеллерная мешалка. Первым прототипом пропеллера был так называемый архимедов винт, изобретение которого ложно приписывают Архимеду. Этот ученый лишь распространил древнеегипетскую технологию, которая использовалась для транспортировки воды (а позднее и сыпучих продуктов) с нижнего на верхний уровни. Такая технология достигла своего пика популярности в Нидерландах при создании польдеров (ирригационных систем) в 16-17 веках и до сих пор имеет ряд ценных применений. (Рис. 1).
Позже, примерно через 200 лет, ключевые принципы винтов были объединены в изобретение пропеллера.
Таким образом, пропеллер был впервые использован для транспортировки жидкостей или твердых веществ, затем был применен в качестве движителя на морских судах. В начале 20-го века идея пропеллера вдохновила авиацию, и братья Райт использовали его в своем первом самолете. Затем пропеллер был установлен в резервуаре в качестве смесителя. В настоящее время существует большое разнообразие перемешивающих устройств, которые используют принцип пропеллера.
Вот их классификация:
1. Блендеры
а) Конвективные блендеры (лопаточные, ленточные)
В конвективных смесителях схемы циркуляции создаются внутри статической оболочки с помощью вращающихся лезвий или лопастей. Основным механизмом является конвективное перемешивание, как следует из названия, хотя оно сопровождается некоторым диффузионным и сдвиговым перемешиванием. Одним из наиболее распространенных конвективных смесителей является ленточный смеситель, в котором винтовые лопасти или ленты вращаются вокруг горизонтальной оси в статическом цилиндре или желобе. Скорость вращения обычно меньше одного оборота в секунду.
б) Блендеры-тумблеры.
Тумблерный блендер - это вращающаяся смесительная машина, которая бывает разных стилей, включая блендер IBC (промежуточный контейнер для сыпучих материалов), V-образный блендер и конфигурацию с двумя конусами. Считается, что это механизм смешивания с малым воздействием.
в) Блендеры для псевдоожижения (с широкой или двойной лопастью).
Псевдоожижение (или псевдоожижение) - это процесс, похожий на ожижение, посредством которого гранулированный материал преобразуется из статического твердого состояния в динамическое жидкое состояние. Этот процесс происходит, когда жидкость (жидкость или газ) проходит через гранулированный материал.
2. Мешалки
а) Мешалки с осевым потоком.
б) Мешалки с радиальным потоком.
Мешалки с осевым потоком заставляют жидкость в резервуаре течь параллельно оси вращения, в то время как мешалки с радиальным потоком заставляют жидкость в резервуаре течь перпендикулярно оси вращения.
3. Смесители для тяжелых условий эксплуатации
а) Двухрычажные смесители
б) Двух- или трехвальные смесители
в) Планетарные миксеры
4. Портативные промышленные миксеры (часто такие миксеры обладают уникальными конфигурациями и имеют ограниченное использование в лабораториях, барабан-контейнерах и специальных резервуарах).
Хотя механические смесители предназначены для конкретных областей применения, у них есть недостатки. Например, при необходимости использования смесителя в резервуаре большого объема (20 000 м3 и более) – решение применить механический смеситель может стоить очень дорого, так как потребуется установка нескольких таких миксеров (более пяти, в зависимости от типа жидкости внутри емкости). Боковые механические смесители не подойдут для прямоугольного резервуара, так как перемешивание будет происходить плохо из-за нескольких «слепых зон». В неглубоких или подземных резервуарах невозможно будет установить такой смеситель вообще. Регулировку рабочего режима механического смесителя очень трудно синхронизировать с конечной целью процесса смешивания, так как невозможно точно задать скорость потока, генерируемого пропеллером. Кроме того, механические смесители часто требуют регулярного технического обслуживания (с необходимостью простоя производственных процессов или опорожнения резервуара) и имеют дополнительные неблагоприятные последствия воздействие на окружающую среду, поскольку требуют отдельного источника энергии в дополнение к насосам и теплообменникам. Струйные смесители являются лучшей альтернативой широкому применению механических смесителей.
СТРУЙНЫЕ СМЕСИТЕЛИ
Когда-то конструкторы перемешивающих устройств переняли от авиации использование пропеллера. И по сей день авиационная промышленность остается источником плодотворных идей для разработчиков оборудования в сфере производства и хранения жидкостей и суспензий. Струйные смесители используют принцип создания потока, который позволяет управлять движением жидкости внутри резервуара.
Обычно струйные смесители оснащены одним или несколькими соплами заданного диаметра и используют мощность того же насоса, который служит для заполнения резервуара. Технически это простой смеситель, поскольку он состоит только из нескольких труб и сопел. Однако для его эффективной работы крайне важно точно знать, сколько сопел должно быть, какого диаметра и в каком направлении они должны «смотреть». (Рис. 2)
Известно, что первым экспериментальным струйным смесителем является тот, который был введен Фоссетом и Проссером в 1949 году. Изобретатели обнаружили, что струйный смеситель работает гораздо быстрее, чем обычные миксеры. Хотя несколько десятилетий экспериментальных исследований в этой области не обеспечили точных целевых результатов смешивания, было собрано достаточно данных, чтобы доказать превосходство струйных устройств.
Настоящий прорыв произошел в начале 80-х годов, когда появилась возможность проектирования струйных смесителей методом вычислительной гидродинамики (CFD) с использованием суперкомпьютеров и алгоритмов.
SIA Saber EVNAT-одна из компаний, которой удалось объединить лучшие из исследовательских моделей CFD и самые современные и мощные программные решения для разработки наиболее эффективных струйных перемешивающих устройств.
CFD – КОРОТКО О ВАЖНОМ
Для получения точной модели CFD для конкретного проекта необходимы полные данные:
- о конструкции резервуара и его геометрии, внутреннем оборудовании и функциях,
- требуемой цели смешивания и продукте (или о нескольких продуктах), хранящихся или транспортируемых внутри резервуара,
- полные физико-химические характеристики продуктов, участвующих в процессе перемешивания.
Мощное программное обеспечение визуализирует движение потоков жидкости в резервуаре, погружаясь в 3D- копию внутреннего пространства резервуара с помощью трехмерной сетки, состоящей из 15-20 миллионов элементов.
Вычисления выполняются для каждой такой ячейки. Программа воспроизводит движение жидкости по подающему трубопроводу к струйному перемешивающему устройству, поведение и характеристики потока в самом устройстве, истечение из устройства в резервуар в режиме циркуляции и наполнения. Моделирование также позволяет оценить качество смешивания потоков внутри резервуара (рис.3).
Поэтому самая важная часть работы выполняется виртуально – до того, как смеситель будет воплощен в металле. Именно так проектируются и изготавливаются струйные смесители EVNAT.
Все устройства рассчитываются индивидуально. Даже если клиент решит изменить назначение резервуара, SIA Saber EVNAT всего за пару недель пересчитает ключевые параметры (конфигурацию сопел, их количество и направление) для наилучшей производительности смесителя.
Ниже приведен список преимуществ перемешивающего устройства EVNAT:
• Отсутствуют механические или движущиеся части.
• Не требуется техническое обслуживание.
• Может быть применен практически во всех ситуациях, когда требуется перемешивание.
• Быстро и легко вводится в эксплуатацию.
• Имеет практически неограниченный срок службы при выборе подходящего материала конструкции.
• Прост и надежен.
• Может быть сконструирован таким образом, чтобы обеспечить максимальную гомогенизацию продукта внутри резервуара.
Рекомендации:
1. K. L. Wasewar & J. V. Sarathi, CFD
Моделирование и симуляция струйных смесителей.
Резервуары, Инженерные приложения,
Вычислительная механика жидкости,
2:2, с.155-171.
2. Рита Д'Акино, ‘Руководство по перемешивающим технологиям’, август 2004, с. 7-14
3. Б. Адамс, "Разнообразие и важность
промышленных смесителей", PCI Mag, 1 сентября 2011 г.
