Реактор с мешалкой — оборудование периодического или проточного действия, в котором химические и биотехнологические процессы протекают в тщательно перемешиваемой среде. Перемешивание обеспечивает:
выравнивание концентраций и температуры,
интенсификацию массо- и теплообмена,
диспергирование газа и твёрдых частиц,
поддержание суспензий во взвешенном состоянии.
Наиболее распространённый тип в химии и биотехнологии — непрерывный идеальный смесительный реактор и периодический смесительный реактор.
Основные узлы и материалы
Корпус: цилиндрический с эллиптическим/торисферическим днищем и крышкой.
Мешалка: вал + рабочий орган (импеллер).
Баффлы (антивихревые перегородки): 3–4 пластины по стенке корпуса для подавления центрального вихря и повышения интенсивности турбулентности.
Теплообмен: рубашка, полутрубная (лимпет) спираль, змеевики, внутренние теплообменники.
Уплотнение вала: одинарные/двойные торцовые (механические) уплотнения, с/без барьерной жидкости.
Привод: мотор-редуктор (обычно сверху), реже — магнитная муфта (часто в стерильных системах).
Материалы: нержавеющие стали (AISI 304/316L), сплавы (Hastelloy), стеклоэмаль, фторполимеры — выбор по коррозии/стерилизации.
КИПиА: датчики T, pH/редокс, привод с частотником, расход/уровень, давление, крутящий момент, газовый поток, спектроскопия (PAT).
Наш завод ООО «Уральский завод стальных конструкций» предлагает купить реакторы с мешалкой в Жуковском на выгодных условиях. Мы изготовим для вас емкости с перемешивающим устройством любого конструктивного и материального исполнения в кратчайшие сроки. Уточнить цены на реакторы смешения можно по телефону отедла продаж УЗСК 8 (800) 20-02-337
Типы мешалок и их назначение
- Пропеллерные: высокие обороты, осевой поток; гомогенизация, суспензирование, биореакторы.
- Турбинные: сильные сдвиговые поля; газожидкостные процессы, интенсивное диспергирование.
- Якорные/рамные: обтёсывают пристенную зону; высоковязкие среды, псевдопластики.
- Лопастные наклонные: универсальные, умеренная мощность, хороши при средних вязкостях.
- Ленточные: очень высоковязкие среды, пасты.
- Статические/магнитные: для стерильных и малых объёмов.
Выбор — по цели (гомогенизация, газодиспергирование, растворение твёрдых), вязкости и реологии, наличию газа/твёрдых фаз и ограничений по сдвигу (например, клетки млекопитающих).
Ознакомьтесь с разновидностями мешалок для промышленного применения в Жуковском.
Гидродинамика, безразмерные критерии и мощность
Ключевые параметры
- Диаметр корпуса TTT, диаметр импеллера DDD (обычно D≈0,3–0,5 TD \approx 0{,}3–0{,}5\,TD≈0,3–0,5T).
- Частота вращения nnn (об/с), число лопастей, ширина лопасти.
- Вязкость μ\muμ, плотность ρ\rhoρ, поверхностное натяжение σ\sigmaσ.
Числа подобия
- Рейнольдса: Re=ρ n D2μ\displaystyle \mathrm{Re} = \frac{\rho\, n\, D^{2}}{\mu}Re=μρnD2.
- Ламинарный режим: Re < 10; переходный: 10–10⁴; турбулентный: > 10⁴.
- Мощности (Пауа): Np=Pρ n3 D5\displaystyle \mathrm{Np} = \frac{P}{\rho\, n^{3}\, D^{5}}Np=ρn3D5P.
- Фрода (важно при свободной поверхности): Fr=n2Dg\displaystyle \mathrm{Fr} = \frac{n^{2} D}{g}Fr=gn2D.
- Вебера (для диспергирования): We=ρn2D3σ\displaystyle \mathrm{We} = \frac{\rho n^{2} D^{3}}{\sigma}We=σρn2D3.
Мощность мешалки
- P=Np ρ n3 D5P = \mathrm{Np}\, \rho\, n^{3}\, D^{5}P=Npρn3D5
- Np\mathrm{Np}Np — функция геометрии и Re (для турбулентного режима почти постоянна: например, Rushton Np≈5\mathrm{Np}\approx 5Np≈5, гидрофойл ≈1 \approx 1≈1–2).
Время смешения и RTD
- Время гомогенизации tmixt_{\text{mix}}tmix оценивают по экспериментальным корреляциям (обычно доли—несколько десятков оборотов).
- Для CSTR предположительно идеальное смешение с экспоненциальным распределением времени пребывания.
Теплообмен в STR
Цели: отвод экзотермики/подвод тепла, изотермия, точный контроль T.
Конструкции: рубашка (полная/секторная), полутрубная спираль, внутренние пучки.
Ключевые уравнения:
Q=U A ΔTср. логQ = U\,A\,\Delta T_{\text{ср. лог}}Q=UAΔTср. лог
где UUU — коэффициент теплопередачи (влияют режим течения, отложения, конструкция), AAA — площадь, ΔTср. лог\Delta T_{\text{ср. лог}}ΔTср. лог — логарифмический средний перепад температур. Перемешивание увеличивает коэффициенты теплоотдачи со стороны жидкости, особенно в пристенной зоне при якорных мешалках.
Массообмен и газодиспергирование
В газожидкостных системах важен объёмный коэффициент массопереноса kLak_L akLa. Он растёт с мощностью на единицу объёма P/VP/VP/V и газовым расходом QgQ_gQg. Типовые эмпирические формы:
kLa=C(PV)αQgβk_L a = C \left(\frac{P}{V}\right)^{\alpha} Q_g^{\beta}kLa=C(VP)αQgβ
(для Rushton часто α≈0,4\alpha \approx 0{,}4α≈0,4–0{,}6, β≈0,2\beta \approx 0{,}2β≈0,2–0{,}4). Для чувствительных культур выбирают более мягкие импеллеры (гидрофойл) и ограничивают локальный сдвиг.
Режимы работы: периодический, полунепрерывный, CSTR
- Периодический: гибкость рецептур, стадийность (загрузка → нагрев/реакция → охлаждение → выгрузка).
- Полунепрерывный: дозирование реагента/субстрата с контролем скорости тепловыделения.
- CSTR: входные/выходные потоки постоянны; простая автоматизация; применим для кинетик, требующих постоянных концентраций.
Матбаланс для CSTR (одна реакция A→…A \rightarrow \dotsA→…):
VdCAdt=F(CA,in−CA)−VrA(CA,T)V \frac{d C_A}{dt} = F (C_{A,\text{in}} — C_A) — V r_A(C_A,T)VdtdCA=F(CA,in−CA)−VrA(CA,T)
В стационаре dCA/dt=0dC_A/dt=0dCA/dt=0.
Масштабирование
Популярные критерии одинаковости:
- Постоянная мощность на объём: P/V=constP/V = \text{const}P/V=const — сохраняет турбулентность, близок к сохранению kLak_L akLa.
- Постоянная скорость на конце лопасти (tip speed): utip=πnD=constu_{\text{tip}} = \pi n D = \text{const}utip=πnD=const — важно при ограничениях по сдвигу.
- Постоянное Re\mathrm{Re}Re — для ламинарной области и высоковязких сред.
- Геометрическое подобие (отношения D/TD/TD/T, ширины лопасти, беффлов и т. п.).
На практике комбинируют критерии и верифицируют опытными пусками, CFD и PAT-индикаторами (крутящий момент, OT, pH, спектры).
Проектные соотношения и «правила большого пальца»
- Диаметр импеллера D≈0,4 TD \approx 0{,}4\,TD≈0,4T (турбинные) или 0,3 T0{,}3\,T0,3T (гидрофойл).
- Высота установки импеллера над дном H≈0,3 TH \approx 0{,}3\,TH≈0,3T; при нескольких импеллерах — межосевое расстояние ≈1,0 D \approx 1{,}0\,D≈1,0D.
- Баффлы: 4 шт., ширина B≈0,1 TB \approx 0{,}1\,TB≈0,1T, зазор к стенке 1–2% TTT.
- Запас по мощности привода: 20–30% на рост вязкости/загрязнение теплообменных поверхностей.
- Для суспензий: скорость минимальной взвеси NjsN_{js}Njs оценивают по корреляциям Zwietering — определяет нижний предел оборотов.
Эксплуатация, CIP/SIP и безопасность
- CIP/SIP: распылительные головки, дренируемые днища, минимизация «мёртвых зон», поверхности Ra≤0,6 μm, материалы 316L; SIP 121–134 °C (пар).
- Предотвращение пены: конструкция дефлекторов, антифомы, управление газом.
- Контроль экзотермии: дозирование реагента по тепловому балансу, каскадное регулирование T (T процесс → T рубашки).
- Взрывопожарная безопасность: инертирование газом, ATEX-исполнение, контроль статического электричества.
- Механика: мониторинг вибраций, крутящего момента (защита от заедания), контроль состояния торцовых уплотнений и барьерной жидкости.
Короткий пример расчёта мощности (турбулентный режим)
Дано: V=3 м3V=3\,\text{м}^3V=3м3, T=1,5 мT=1{,}5\,\text{м}T=1,5м, D=0,6 мD=0{,}6\,\text{м}D=0,6м, вода (ρ=1000 кг/м3\rho=1000\,\text{кг/м}^3ρ=1000кг/м3), импеллер Rushton (Np=5\mathrm{Np}=5Np=5), n=3 с−1n=3\,\text{с}^{-1}n=3с−1 (≈180 об/мин).
Проверка режима: Re=ρnD2/μ≈1000⋅3⋅0,62/0,001≈1,08×106⇒\mathrm{Re} = \rho n D^2/\mu \approx 1000 \cdot 3 \cdot 0{,}6^2 / 0{,}001 \approx 1{,}08 \times 10^6 \RightarrowRe=ρnD2/μ≈1000⋅3⋅0,62/0,001≈1,08×106⇒ турбулентный.
Мощность:
P=5⋅1000⋅33⋅0,65≈5⋅1000⋅27⋅0,07776≈10,5 кВтP = 5 \cdot 1000 \cdot 3^{3} \cdot 0{,}6^{5} \approx 5 \cdot 1000 \cdot 27 \cdot 0{,}07776 \approx 10{,}5\,\text{кВт}P=5⋅1000⋅33⋅0,65≈5⋅1000⋅27⋅0,07776≈10,5кВт
Удельная мощность: P/V≈3,5 кВт/м3P/V \approx 3{,}5\,\text{кВт/м}^3P/V≈3,5кВт/м3 — ориентир для интенсивного газожидкостного перемешивания.
Типовые области применения в Жуковском
- Химия: нейтрализация, нитрование/гидролиз (с контролем экзотермии), поликонденсация (для низких вязкостей).
- Фарма и биотех: ферментации (дрожжи, бактерии) — мягкие импеллеры; культура клеток — низкий сдвиг, микропузырьки, мембранные спаргеры.
- Пищевка/косметика: эмульсии (турбинные), кремы/пасты (якорные/ленточные).
- Гидрометаллургия: выщелачивание, цианирование — CSTR-каскады.
Чек-лист выбора и ТЗ на поставку реакторов в Жуковском
- Процесс: состав, вязкость диапазон, требуемый режим (batch/fed-batch/CSTR), кинетика/тепловыделение.
- Среда: коррозия, чистка, стерильность.
- Гидродинамика: цель перемешивания (гомогенизация/суспензия/газ), требуемый P/VP/VP/V, допустимый сдвиг.
- Теплообмен: требуемая мощность отвода/подвода, тип рубашки, пар/хладагент.
- Конструкция: объём номин./рабочий, D/TD/TD/T, баффлы, тип импеллера(ов), уплотнение, привод.
- КИПиА и автоматизация: датчики, тип управления (каскады), взрывозащита.
- Валидация/документация: GMP (если нужно), материалы, сертификаты, FAT/SAT.
Реактор с мешалкой — универсальный «рабочий конь» химико-технологических и биопроцессов. Грамотный выбор импеллера, режима, теплообмена и критериев масштабирования позволяет надёжно управлять кинетикой, селективностью и безопасностью.