HYDROMECHANICKÉ PROCESY. Míchání v kapalném prostředí (přednáška)

Transkript

1 HYDROMECHANICKÉ PROCESY Míchání v kapalném prostředí (přednáška) Doc. Ing. Tomáš Jirout, Ph.D. ( Tomas.Jirout@fs.cvut.cz, tel.: )

2 MÍCHÁNÍ V KAPALNÉM PROSTŘEDÍ Účel míchání: intenzifikace procesů v míchané vsádce (přenos tepla a hmoty) příprava směsí požadovaných vlastností (suspenze, emulze) Způsoby míchání: mechanické míchání hydraulické míchání pneumatické míchání míchání v potrubí (turbulentní proudění, statické směšovače)

3 mechanické míchání (rotační, vibrační) hydraulické míchání pneumatické míchání míchání v potrubí Způsoby míchání (turbulentní proudění, statické směšovače) A míchání mechanické turbínové B míchání mechanické lopatkové C hydraulické míchání D pneumatické míchání s pevnými vstupy E programově řízené pneumatické míchání F hydraulické míchání s odpěňovací sprchou

4 Proudění v nádobách s rotačními míchadly a axiální proudění, nádoba s narážkami, b radiální proudění, nádoba s narážkami, c tangenciální proudění, nádoba bez narážek

5 Konstrukční provedení míchacích zařízení Uspořádání míchacích zařízení s mechanickými míchadly A B C A Centrally placed impeller in bafled vessel, B Side-entring propeller, C Agitator with draught tube Mechanická ucpávka A A Equipment with a drive at the top, B Equipment with a drive at the bottom B

6 Hlavní typy rotačních míchadel Pomaloběžná míchadla Rychloběžná míchadla

7 Hlavní typy pomaloběžných míchadel Typ Schéma Název rozměrová norma T/d Geometrické parametry 1 Kotvové míchadlo CVS ,11 h v / d 0,8 h / d 0,1 H / d 0,055 Šroubové míchadlo s usměrňovacím válcem CVS h v / d 1,5 s / d 1 D / d 1,1 H / D 1,15 3 Šroubové míchadlo v excentrickém uspořádání h v / d 1,5 H / d 0,5 s / d 1 c / T 0,0

8 Typ Schéma Název rozměrová norma T/d Geometrické parametry 4 Pásové míchadlo CVS ,05 h v / d 1 s / d 1 h / d 0,1 5 Listové míchadlo CVS h / d 1 6 Čtyřnásobné lopatkové míchadlo v excentrickém uspořádání h / d 0, / d 1,65 45 h v 45 c / T 0,0 H / d 0,175

9 Hlavní typy rychloběžných míchadel Typ Schéma Název rozměrová norma T/d Geometrické parametry 1 Turbinové míchadlo s dělícím kotoučem CVS h / d 0, 1/ d 0,5 d / d 0, lopatek Turbinové míchadlo bez dělícího kotouče 3 4 h / d 0, 6 lopatek 3 Šestilopatkové míchadlo se šikmými lopatkami CVS h / d 0,0 45

10 Typ Schéma Název rozměrová norma T/d Geometrické parametry 4 Třílopatkové míchadlo se šikmými lopatkami CVS h / d 0, 45 5 Vrtulové míchadlo s konstantním stoupáním šroubovice CVS s / d 1 h / d 0, R / d 0,4 R / R 0, Zubové míchadlo CVS ,. 4 provedení 1 h / d 0,1 d / d 0,8 provedení h / d 0,075 d / d 0,85

11 A B C D E F Axiální míchadla užívaná ve fermentorech A šestilopatkové míchadlo s lopatkami skloněnými pod úhlem 45, B třílopatkové míchadlo s rovnými lomenými lopatkami s tvarem lopatek dle CVS , C vrtulové míchadlo dle CVS , D vrtulové míchadlo EKATO, E míchadlo LIGHTNIN A315, F míchadlo Techmix TX335

12 Míchadla pro smaltované aparáty Radiální míchadla Axiální míchadla

13 Proudění v míchané vsádce Primárním účinkem mechanického míchadla je proudění a cirkulace míchané vsádky v nádobě. Rozložení rychlosti a tlaku v míchané vsádce Navier-Stokesovy rovnice Praktický výpočet proudění a cirkulace míchané vsádky čerpací výkonnost míchadla

14 uax.* uax.* Rychlostní a tlakové pole v míchané vsádce u f1 x, t, p f x, t, Re Re resp. časově střední hodnoty: ~ u f1 x, Re ~ p f x, Re Plouživé proudění ~ u f x 1 ~ p f x 1 0,8 0,6 0,4 0, 0-0, -0,4-0,6-0,8-1 3SL4 3SL35 3SL45 3RLL 0 0, 0,4 0,6 0,8 1 r/d 0-0, z/h = 0,00 0 0,1 0, 0,3 0,4 Velké hodnoty Reynoldsova čísla ~ u f x ~ p f x -0,4-0,6-0,8-1 Re r/d

15 Proudění v míchané vsádce s axiálním míchadlem N Q N Qp N pt Q pi

16 uax.* Čerpací účinky míchadel V S u nds 0-0, -0,4 0 0,1 0, 0,3 0,4 N Q p Q nd P 3 f Re -0,6-0,8-1 -1, 3SL4 3SL35 3SL45 6SL45 3RLL MP(EKATO) P(FH) Q P d /. u d S uax. ( r) r d Sax. 0 ax ax. ax. r -1,4 r/d

17 Po Příkon rotačních míchadel P n 3 d 5 Příkonová charakteristika Po f Re Re nd Po B konst. Po A Re

18 Příkonové charakteristiky některých typů pomaloběžných míchadel 1 kotvové míchadlo (CVS ), šroubové míchadlo s usměrňovacím válcem (CVS ), 3 šroubové míchadlo umístěné excentricky, 4 pásové míchadlo (CVS ), 5 listové míchadlo (CVS ), 6 čtyřnásobné lopatkové míchadlo umístěné excentricky

19 Příkonové charakteristiky některých typů rychloběžných míchadel při míchání v nádobách s narážkami 1 turbínové míchadlo (CVS ), turbínové míchadlo bez dělícího kotouče, 3 šestilopatkové míchadlo (CVS ), 4 třílopatkové míchadlo (CVS ), 5 vrtulové míchadlo (CVS ), 6a,b zubová míchadla (CVS )

20 Příkon etážových míchadel? P Pi

21 Homogenizační účinky rotačních míchadel Homogenizace: vlivem recirkulačního proudění (konvektivní difúze) vlivem turbulentního proudění (turbulentní difúze) vlivem molekulární difúze Vodivostní měření doby homogenizace Odbarvovací metoda sledování homogenizace

22 t nt m f Re t nt m konst. t nt m konst. 1 šroubové míchadlo (CVS ), šroubové míchadlo umístěné excentricky, 3 pásové míchadlo (CVS ), 4 čtyřnásobné lopatkové míchadlo umístěné excentricky, 5 kotvové míchadlo (CVS ), 6 turbínové míchadlo (CVS )

23 E P t m 1 šroubové míchadlo (CVS ), šroubové míchadlo umístěné excentricky, 3 pásové míchadlo (CVS ), 4 čtyřnásobné lopatkové míchadlo umístěné excentricky, 5 kotvové míchadlo (CVS ), 6 turbínové míchadlo (CVS ), 7 šestilopatkové míchadlo (CVS ), 8 třílopatkové míchadlo (CVS )

24 Míchání heterogenních soustav Heterogenní systémy: kapalina plyn kapalina kapalina (nemísitelné kapaliny emulze) kapalina pevná fáze (suspenze) Účel míchaní heterogenních systémů Intenzifikace přestupu hmoty m S A

25 Míchání soustav kapalina plyn Zahlcení míchadla V g nd d 16 Fr T, 6 3 Doporučené vzdušnění reaktorů VVM = 1 1,5 (volumetric flow of gas per liquid volume per minute) Velikost bublin dispergovaného plynu d b (P/V) 0,4 3,4 např. systém voda vzduch: d b 4,15 0, 0,6 c 0,5 v P / V 0,

26 Příkon míchadla při míchání soustav kapalina plyn P g P V nd g f 3

27 Míchání soustav kapalina kapalina (nemísitelné kapaliny, příprava emulzí a disperzí) Velikost částic dispergované fáze rovnováha dynamických a povrchových sil d 3 c We n 3 d c d3 We 3 d 5

28 Příkon míchadla při míchání soustav kapalina kapalina Po mix P n 3 d 5 Po f Re Re nd mix mix mix v d c 1 c v c

29 Míchání systémů kapalina pevná fáze

30 Popis průběhu suspendace v p i c, D d Fr, Re, f D r v p e c, D d Fr, Re, f D r v p,c D d Fr, Re, f H h v p s c, D d Fr, Re, f H h

31 Fr' Frekvence otáčení míchadla potřebná pro dosažení vznosu částic n d Fr g C Aexp 10 Bc v c v 0,05 Fr C d p D c c c v Velké částice se dostávají do vznosu nárazově vlivem působení setrvačných sil turbulentních vírů setrvačná síla je v rovnováze s gravitační silou zmenšenou o vztlak 0,05 0,1 0,15 1 0, Malé částice jsou ze dna postupně unášeny silovým působením 0,1 kapaliny odporová síla je v 0,0001 rovnováze s 0,001 0,01 0,1 gravitační silou zmenšenou o vztlak d p /D D/T

32 Příkon míchadla při míchání suspenzí Po su P n 3 d 5 Po f Re Re nd su su c 1 c v s v

33 Míchání nenewtonských látek Vznik míchané kaverny vzniká u viskoplastických látek a v plouživé a laminární oblasti u mocninových kapalin (pseudokaverna) rozměry kaverny musí být takové, aby bylo dosaženo promíchávání v celém objemu nádoby (např. Wichterle, Wein) Re mk T ad

34 K d n Re m m p t u D D 1 : m K Proudění mocninové kapaliny m Re m x u u,, ~ ~ m Re m x p p,, ~ ~ Příkon při míchání nenevtonských kapalin (mocninová) S m m S n p K u P d : 1 m m m Re C m Po m Re f d K n P, 3 1

35 Metzner Otto Po su P n 3 d 5 Po f Re Re nd ef ef K m 1 k n m 1 ef K ef k n Typ míchadla Číslo normy T/d H /d k Poznámka kotvové CVS ,11 0,05 15,8 šroubové s usměrňovací CVS ,00 0,05 16,8 m válcem šroubové,00 0,05 15,5 c/d = 0,0 excentrické pásové CVS ,05 0,005 36,7 šestilopatkové CVS ,0 4 narážky turbínové s dělícím kotoučem CVS ,3 1 9,9 4 narážky třílopatkové CVS narážky zubové CVS ,7 1 11,5 4 narážky

36 Návrh a konstrukce míchacích zařízení s rotačním míchadlem Postup při stanovování hlavních parametrů míchacího zařízení Pro zadaný objem kapaliny určíme hlavní rozměry nádoby, obvykle volíme výšku hladiny rovnou průměru nádoby, tj. H T. Podle fyzikálních vlastností kapaliny (nejdůležitější je viskozita) a účelu míchání zvolíme vhodný typ míchadla. Průměr zvoleného míchadla určíme tak, aby poměr průměru nádoby k průměru míchadla, tj. T / d, byl pro daný typ míchadla v doporučovaných. Frekvence otáčení míchadla závisí na účelu míchání, popř. na dalších technologických požadavcích. Tak např. míchadlo pro suspendaci pevné fáze musí mít frekvenci otáčení větší než je frekvence otáčení, dostačující k dosažení stavu vznosu. Někdy je maximální dovolená hodnota frekvence otáčení míchadla omezena technologickými podmínkami, např. požadavkem, aby nedocházelo k poškozování mikroorganismů při fermentaci, k rozbíjení krystalů při krystalizaci apod. V některých případech mohou pro orientační určení frekvence otáčení posloužit doporučované hodnoty specifického příkonu ( = P/V), který se např. u standardních míchacích zařízení s rychloběžnými míchadly pohybuje v rozmezí od 150 do 590 Wm -3. U zařízení s pomaloběžnými míchadly se hodnota P/V pohybuje v rozsahu od 600 do 1500 Wm -3.

37 Podmínky pro zvětšování měřítka: Geometrická podobnost tvar, rozměry, konfigurace modelového zařízení (modelu) a provozního zařízení (díla) jsou si podobné geometrickou podobnost lze vyjádřit poměrem nejdůležitějších geometrických parametrů zařízení Podobnost fyzikálních jevů fyzikální děje probíhající na modelu a díle jsou si podobné fyzikální děje jsou si podobné, pokud jsou si podobné všechny veličiny, které daný jev charakterizují scale-up

38 Modelovací kritérium pro výpočet otáček míchadla v mechanicky míchaných zařízeních n d konst. homogenizace n = konst. n d 0 = konst. přenos tepla = konst. n d /3 = konst. suspendace Fr = konst. n d 1/ = konst. n d = konst. n d 1 = konst. dispergace d K = konst. n d /3 = konst. přenos hmoty v g l systému * k L a = konst. n d /3 = konst. Většina procesů 1 Turbulentní oblast. pro dané množství plynu měrný příkon P/V = konst. n d /3 = konst.

39 Vliv modelovacích podmínek na příkon míchadla = 0 (n = konst.) např. konstantní doba homogenizace = 1/ (Fr = konst.) např. středový vír, suspendace = /3 ( = P/V = konst.) např. dispergace, většina procesů = 1 (u tip ~ n d = konst.) např. bioreaktory, suspendace

40 Vliv modelovacích podmínek na příkon a kroutící moment na hřídeli míchadla

41 Provedení míchacích zařízení s rotačním míchadlem

42 Míchací zařízení s přímým pohonem elektromotorem 1 elektromotor, ložiskové těleso hřídele, 3 nádoba, 4 míchadlo, 5 pevná spojka, 6 hřídel, 7 ložisko, 8 - ucpávka

43 Horizontální míchací ústrojí s převodem klínovými řemeny

44 Opotřebení rotačních míchadel

45 Vliv materiálu lopatek míchadla na jejich erozivní opotřebení Al 99,8 (HV 34) Al 99,5 (HV 40) CuZn37 (HV 74) C10E (HV 11) X5CrNi18-10 (HV 194) Ukázka lopatek míchadla vyrobených z jednotlivých testovaných materiálů po 0ti hodinovém opotřebení.