EN
Oikean sekoittimen valinta ruostumattomasta teräksestä valmistettuun kaksiseinäiseen reaktoriin on yksi tärkeimmistä insinööripäätöksistä, jonka teette. Sekoitin on sekoitusprosessin sydän – se määrittää reaktion tehokkuuden, tuotteen laadun ja energiakustannukset. Huonosti sovitettu sekoitin voi aiheuttaa kuolleita alueita, epätasaisen lämpötilan säädön ja epäonnistuneita eriä. Oikein valittu sekoitin taas varmistaa optimaalisen aineenvaihdon, tasaisen lämmityksen tai jäähdytyksen sekä luotettavan skaalauksen laboratoriosta tuotantoon.
Tässä oppaassa käydään läpi systemaattinen lähestymistapa sekoittimen valintaan, jossa impulssiruuvin tyypit sovitetaan tarkoituksenmukaisesti eri prosessitavoitteisiin ja nesteominaisuuksiin.
Ennen kuin siirryt impulssiruuvin tyyppeihin, sinun on arvioitava sovelluksesi kolme perusominaisuutta: prosessitavoitteesi , nesteominaisuutesi , ja vaadittu virtauskuvio .
Mitä tarkoitat sekoituksella? Eri tavoitteet vaativat erilaisia nesteen liikkeen ominaisuuksia :
Neste-neste-sekoitus : Yhtenäisen seoksen muodostaminen sekoittuvista nesteistä vaatii suurta tilavuuden kiertämistä ja tehokasta aksiaalista virtausta.
Kiinteän aineen suspensio : Kiinteiden hiukkasten pitäminen suspendoituna vaatii voimakkaita pystysuuntaisia virtausvirtoja, jotta hiukkaset eivät laskeutuisi.
Kaasun hajottaminen : Kaasun jakaminen pieniksi kuplaksi reaktioita varten, kuten hydrogenerointia, vaatii korkeaa paikallista leikkausvoimaa.
Lämmönsiirron tehostaminen : Nesteen kuljettaminen jäähdytyskotelon tai sisäisten kiertoputkien ohitse vaatii virtausmalleja, jotka pyyhkäisevät säiliön seinämät.
Emulgointi : Vakaiden emulsioitten muodostaminen vaatii hallittua leikkausvoimaa tavoiteltujen pisaroiden koon saavuttamiseksi.
Jokainen tavoite viittaa erilaiseen impellergeometriaan.
Nestemäisten aineiden ominaisuudet – erityisesti viskositeetti – ovat suurin yksittäinen tekijä, joka määrittää, mikä impellertyyppi toimii tehokkaasti .
Alhainen ja keskimääräinen viskositeetti (< 50 000 cP) : Nämä nesteet käyttäytyvät kuten vesi tai kevyet öljyt. Standardit turbiini- tai hydrofoili-impellerit toimivat tehokkaasti turbulenssialueella. Eristimet ovat välttämättömiä vorteksin estämiseksi ja sekoittamisen varmistamiseksi.
Korkea viskositeetti (≥ 50 000 cP) : Paksut pastat, polymeerit ja raskaat lietteet käyttäytyvät eri tavalla. Avointen turbiini-impellerien käyttö johtaa vain siihen, että ne leikkaavat reiän nesteeseen ilman, että koko nestemäisen massan liikettä saadaan aikaan. Tällaisissa sovelluksissa vaaditaan pienen välistön impellereitä kuten ankkuri- tai kierrepyörteisiä impellereitä, jotka fyysisesti pyyhkivät säiliön seinämää ja toimivat laminaarisella alueella .
Epänewtonilaisille nesteille – eli niille nesteille, joiden viskositeetti muuttuu leikkausnopeuden mukaan – impellerin valinta muuttuu monimutkaisemmaksi. Näissä nesteissä on otettava huomioon tarkasti rheologiset ominaisuudet, ja usein tarvitaan pienenvälistöisiä rakenteita, jotta säiliön koko tilavuudessa voidaan varmistaa tasainen liike .
Imppurit tuottavat kaksi pääasiallista virtauskuvioita :
Aksiaalivirtaus : Neste työnnetään alaspäin säiliön pohjalle, josta se virtaa sitten ylös säiliön seinämien pitkin. Tämä luo erinomaisen ylhäältä alas tapahtuvan kiertovirran, joka on ihanteellinen sekoittamiseen ja kiinteiden aineosien suspensioon. Hydrofoili- ja kulmalla asennetut turbiinit tuottavat aksiaalivirtausta.
Säteittäisvirtaus : Neste puristetaan ulospäin kohti säiliön seinämiä, mikä luo korkean leikkausvoiman impulssin läheisyydessä. Tämä on ihanteellista kaasun hajottamiseen ja emulsioihin. Rushton-turbiinit tuottavat säteittäisvirtausta.
Hydrofooli-impulssit : Nämä ovat nykyaikainen standardi tehokkaaseen nestesekoittamiseen. Niiden kaarevat, profiloitut lapat tuottavat voimakasta aksiaalivirtausta hyvin alhaisella tehonkulutuksella (teholuku jopa 0,30), mikä tekee niistä energiatehokkaimman vaihtoehdon yksinkertaisiin sekoitus- ja sekoitusoperaatioihin .
Kulmalla asennetut turbiinit (PBT) : Monikäyttöinen työhevonen. Tasaiset lapat on kulmassa noin 45°, mikä tuottaa voimakasta aksiaalista virtausta sekä jonkin verran radiaalista komponenttia ja teholuku on noin 1,30. Ne ovat erinomaisia kiinteiden aineiden suspensioon ja yleiskäyttöiseen sekoittamiseen. Korkean viskositeetin sovelluksissa alimmalla osalla aluetta hitaampi PBT-säie voi olla sopiva .
Rushton-turbiinit : Klassinen korkean leikkausvoiman ja radiaalisen virtauksen impulssori. Sen teholuku on noin 5,00, jolloin se kuluttaa huomattavasti enemmän energiaa kuin aksiaalisuuntaiset suunnittelut, mutta se on parhaiten soveltuva kaasun hajottamiseen, jakamalla kaasu pieniksi kuplaksi ja maksimoimalla kaasu-neste-kosketuspinta-alan .
Valintakompromissi : Pumpun tehokkuuden ja leikkausvoiman välillä on suora kompromissi. Hydrofoili maksimoi virtauksen mahdollisimman vähällä teholla; Rushton-turbiini maksimoi leikkausvoiman korkealla energiakustannuksella. Valitse impulssori, jonka teholuku on mahdollisimman alhainen, mutta joka silti saavuttaa vaaditun prosessituloksen, jotta voidaan vähentää sekä pääomakustannuksia että käyttökustannuksia .
Ankkuri-impulssorit yksinkertainen kaksisiivinen suunnittelu, joka pyyhkii lähellä säiliön seinämää, parantaa sekoitusta ja tehostaa lämmönsiirtoa kotelon pinnalla. Parhaiten soveltuu kohtalaisen korkean–korkean viskositeetin sovelluksiin, joissa yhä on mahdollista saavuttaa sekoitus ylhäältä alaspäin. .
Kierrejousimyllyt paras vaihtoehto erittäin korkean viskositeetin sovelluksiin. Ulkoinen kierre pyyhkii seinämää ja nostaa nestettä ylöspäin, kun taas sisempi kierre tai ruuvi työntää nestettä keskustan kautta alaspäin. Tämä luo positiivisen ja ennustettavan kierton materiaaleissa, jotka muuten eivät virtaisi. Välttämätön esimerkiksi polymeerien käsittelyyn tai paksuihin pastoihin. .
Mittojen huomioon ottaminen korkean viskositeetin järjestelmissä, joiden viskositeetti ylittää 25 000 cP, vaaditaan tarkkaan sovitettuja myllyjä, jotka toimivat laminaarisessa virtausalueessa, jotta varmistetaan kokonaismateriaalin liike. Standardit keskipakomäntäpumput voivat yleensä käsitellä enintään 800 cP:n viskositeettia; sen yläpuolella tarvitaan erityisiä korkean viskositeetin myllyjä. .
Eri reaktiotyypit edellyttävät erilaisia sekoitusvaatimuksia:
| Reaktiotyyppi | Suositeltava impellari | Perustelu |
|---|---|---|
| Nesteen sekoittaminen ja liuottaminen | Hydrokivi | Tehokas aksiaalivirtaus, alhainen tehonkulutus |
| Kiinteän aineen suspensio, liete | Vinoturbiini | Voimakas aksiaalivirtaus estää saostumisen |
| Kaasu-neste-reaktiot (hydrogenointi, hapetus) | Rushton-turbiini | Korkea leikkausvoima pienien kuplujen jakautumiseen |
| Korkean viskositeetin polymeerointi | Kierteinen nauha | Positiivinen kiertonopeus laminaarisessa tilassa |
| Lämpöherkät reaktiot | Ankkuri bafleilla | Pyyhkii seinää yhtenäisen lämmönsiirron saavuttamiseksi |
| Leikkausherkät biologiset kulttuurit | Hydroveitsi (alhainen kärkinopeus) | Välttää solujen vaurioitumisen |
Oikea sekoittimen mitoitus vaatii keskeisiä dimensiotonisia parametrejä :
Imppurin Reynolds-luku : Määrittää virtausalueen
Re = (D² × N × ρ) / μ
Re < 10: Laminaarinen virtaus
Re > 10 000: Turbulentti virtaus
Välialue: Siirtymävirtaus
Tehokerroin : Pysyy vakiona turbulenttisessa alueessa ja sitä käytetään tehonkulutuksen laskemiseen
Imppurin ja säiliön halkaisijan suhde (D/T) : Tyypillisesti 0,33 standardisekoituksessa
Tehontarpeen yleinen sääntö valitse moottori siten, että käyttöteho ei ylitä 85 % nimellistehosta. Tämä 85 %:n sääntö ottaa huomioon käynnistystorquen, reaktioiden aikana tapahtuvan viskositeetin kasvun sekä turvamarginaalin prosessihäiriöitä varten. Liian pieni moottori johtaa ylikuumenemiseen ja vikoihin; liian suuri moottori tuhlaa pääomaa ja energiaa.
Alhaisen viskositeetin sovelluksissa puristimeton säiliö aiheuttaa pyörremäisen virtauksen – neste pyörii yksinkertaisesti impellerin mukana, mikä johtaa lähes olemattomaan sekoittumiseen .
Estoja – pystysuuntaisia levyjä säiliön seinämillä – ovat välttämättömiä tällaisen pyörivän liikkeen rikkomiseksi ja pyörivän liikkeen muuttamiseksi halutuksi aksiaaliseksi tai säteeksi suuntautuvaksi virtaukseksi. Teollisuuden yleinen käytäntö on käyttää neljää puristinta, joiden leveys on 1/12–1/10 säiliön halkaisijasta .
Korkean viskositeetin sovelluksissa lähelle säiliön seinää asennettujen impellerien kanssa puristimia ei yleensä tarvita tai niitä ei käytetä.
Agitaattorisi on kestettävä kemiallista ympäristöä. Ruostumattomasta teräksestä valmistettujen koteloiden osalta reaktorit yleisimmät materiaaliluokat ovat:
304 ruostumaton teräs : Soveltuu elintarvikkeiden, vedenkäsittelyn ja hienokemikaalien käsittelyyn ilman voimakkaita syövyttäviä aineita
316L ruostumaton teräs : Sisältää molyybdeniä (2–3 %), mikä tarjoaa erinomaisen vastustuskyvyn klorideille ja halideille. Suositellaan lääketeollisuuden, bioteknologian ja merenkäytön sovelluksiin
Hastelloy C-276 : Erittäin syövyttäviin ympäristöihin, joissa ruostumaton teräs ei riitä
Siirtyminen laboratoriomittakaavasta tuotantomittakaavaan on yksi haastavimmista seikoista, kun agitaattorin ominaisuuksia määritetään. Kaikkia dimensiotonja parametrejä ei voida säilyttää samana, kun säiliön geometria kasvaa .
Yleisimmät skaalauksen strategiat :
Vakio teho tilavuusyksikköä kohden (P/V) : Säilyttää reaktion kinetiikan, mutta lisää kärkinopeutta suuremmilla halkaisijoilla, mikä voi vahingoittaa leikkausherkkiä materiaaleja
Vakio kärkinopeus : Suojaa leikkausherkkiä materiaaleja, mutta saattaa vähentää massansiirton kykyä
Vakio Reynoldsin luku vaikeaa saavuttaa laajamittaisissa muutoksissa
Paras lähestymistapa riippuu pääasiassa prosessitavoitteestasi. Massansiirtoon (kaasun hajottamiseen) soveltuvassa tapauksessa säilytä vakio P/V-suhteessa. Leikkausvoimaa ohjaavissa prosesseissa (solukulttuurit, kiteiset suspensiot) säilytä vakio kärkinopeus.
Oikean sekoittimen valinta ruostumattomalle teräkselle huppikattu reaktori vaatii systemaattisen lähestymistavan:
Määritä prosessitavoitteesi —mitä yrität saavuttaa?
Kuvaile nestettäsi —viskositeetti ja reologia ovat tärkeimmät tekijät
Sovita impellertyyppi sovellukseen —aksiaalinen virtaus sekoittamiseen ja suspendointiin, radiaalinen virtaus kaasun hajottamiseen, pienet välistöt korkean viskositeetin käsittelyyn
Koota oikein —käytä dimensiotonnia lukuja ja 85 %:n tehosääntöä
Ota huomioon mittakaavan suurentaminen —suunnittele siirtymä laboratoriosta tuotantoon
Määritä yhteensopivat materiaalit —valitse seos kemialliselle ympäristöllesi sopivaksi
Hyvin valittu sekoitin tekee enemmän kuin sekoittaa – se varmistaa yhtenäisen tuotelaatun, vähentää energiankulutusta ja pidentää laitteiston käyttöikää. Käytä aikaa oikean valinnan tekemiseen, ja ruostumaton teräksestä valmistettu kaksipintainen reaktorisi toimii optimaalisesti vuosikausia.
