Vícefázové reaktory. MÍCHÁNÍ ve vsádkových reaktorech

Transkript

1 Vícefázové reaktory MÍCHÁNÍ ve vsádkových reaktorech

2 Úvod vsádkový reaktor s mícháním nejběžnější typ zařízení velké rozmezí velikostí aparátů malotonážní desítky litrů (léčiva, chemické speciality, ) velkotonážní stovky m 3 (polymerace, fermentace, ) zejména vhodný typ zařízení: pro malá víceúčelová zařízení tam, kde doba zdržení ovlivňuje kvalitu produktu tam, kde je nutné častější čištění zařízení

3 Popis zařízení b = šířka narážek C = vzdálenost míchadla nade dnem d = průměr míchadla D = vnitřní průměr nádoby h = výška lopatek míchadla H = výška plněné vsádky Standardně užívané poměry: b = 0,1 d C = 0,2 D 0,5 D d = 0,25 D 0,5 D h = 0,2 d H = D

4 vsádka Faktory ovlivňující míchání homogenní (roztoky, mísitelné kapaliny, ) heterogenní (dvoufázové a třífázové systémy) časová změna vlastností vsádky hustota, viskozita, počet fází, objem vsádky přechod z newtonského chování na nenewtonské spotřeba (vyvíjení) reakčního tepla nároky na dodávání/odebírání tepla se s časem mění vzrůst viskozity = horší sdílení tepla

5 Účinky mechanického míchání homogenizování mísitelných kapalin nízkoviskózních x vysokoviskózních vyrovnávání koncentračních gradientů dispergování nemísitelných kapalin (včetně emulgování) plynu v kapalině suspendování udržování tuhých částic (např. katalyzátoru) ve vznosu sdílení tepla (intenzifikace přenosu tepla) přestup tepla na teplosměnných plochách minimalizace teplotních rozdílů v reakční směsi

6 Účinky mechanického míchání rozdělení účelů míchání v průmyslové praxi

7 Účinky mechanického míchání vliv míchání na režim reakce A - difúzní B - přechodový C - kinetický

8 Režim míchání charakter proudění tekutiny AXIÁLNÍ RADIÁLNÍ TANGENCIÁLNÍ

9 Režim míchání tangenciální proudění je nežádoucí vznik středového víru zhoršení objemové využitelnosti reaktoru možná aerace z prostoru nad hladinou rotace vsádky vysokou úhlovou rychlostí pohyb bublin k ose míchadla, pevných částic ke stěně zabránění tvorbě středového vírů narážkami (nejúčinnější) posunem osy míchadla nebo šikmou polohou jímky pro čidla působí jako méně účinné narážky hady jako narážky nepůsobí

10 Výběr míchacího zařízení viskozita vsádky = rozhodující faktor vysokoviskózní vsádky POMALOBĚŽNÁ nízkoviskózní vsádky RYCHLOBĚŽNÁ η = (10-1, 103) Pa.s obvodová rychlost obvykle do 5 m/s η = (5.10-4, 5.10) Pa.s obvodová rychlost míchadla obvykle 5 12 m/s užší výběr podle dalších účelů dispergování suspendování intenzifikace přestupu tepla rozptylování bublin nutné přihlédnout ke konkrétní aplikaci

11 Výběr míchacího zařízení POMALOBĚŽNÁ MÍCHADLA používají se vždy bez zarážek pro míchání velmi viskózních směsí Typy pomaloběžných míchadel kotvové šnekové pásové

12 Výběr míchacího zařízení RYCHLOBĚŽNÁ AXIÁLNÍ TOK vyvolá proudění rovnoběžné s osou hřídele pro homogenizaci mísitelných kapalin suspendování účinná cirkulace vsádky Typy míchadel s axiálním charakterem toku vrtulová se šikmo skloněnými lopatkami

13 Výběr míchacího zařízení RYCHLOBĚŽNÁ RADIÁLNÍ TOK vyvolá proudění kolmé na osou hřídele pro dispergaci nemísitelných kapalin pro dispergaci plynu rozptýlení do drobných bublin Typy míchadel s radiálním charakterem toku Rushtonova turbína lopatková s kolmými lopatkami

14 Výběr míchacího zařízení PŘESTUP TEPLA nejúčinnější pomaloběžná míchadla pásové nebo šnekové s usměrňovacím válcem nejúčinnější rychloběžná míchadla turbinové s rovnými kolmými lopatkami a dělicím kotoučem obecně vyšší účinek u míchadel s vyšším příkonem a s vysokým čerpacím účinkem další možnosti sdílení tepla cirkulační čerpadlo s extremním výměníkem tepla odpařování vsádky pod zpětným chladičem

15 Výběr míchacího zařízení PŘÍKON MÍCHADLA jeden ze základních parametrů míchacího zařízení slouží k těmto účelům: k pevnostnímu dimezování míchacího ústrojí k určení výkonu motoru ke stanovení spotřeby hnací energie k posouzení tepla disipovaného ve vsádce k projekční činnosti při zvětšování měřítka systému příkon = tok mechanické energie z míchadla do míchané vsádky ovlivnění intenzity míchání intenzita ovlivňuje velikost mezifázového povrchu málo ovlivňuje koeficient přestupu hmoty

16 Výběr míchacího zařízení PŘÍKONOVÉ CHARAKTERISTIKY Reynoldsovo kritérium pro míchání bezrozměrné Re M n 2 d Eulerovo kritérium pro míchání bezrozměrné Eu M P 3 n d 5 P = příkon míchadla [W]; d = průměr míchadla [m]; n = frekvence otáčení [s -1 ] ρ = hustota vsádky [kg/m 3 ]; η = dynamická viskozita vsádky [Pa.s] příkon míchadel, zvláště typizovaných, se při standardním uspořádání určuje závislostí Eu M = f (Re M )

17 Výběr míchacího zařízení ZÁVISLOST Eu M = f (Re M ) některých míchadel a) kotvové, b) šnekové, c) pásové, d) Rushtonova turbína, e) šikmé lopatky, f) hydrofoil

18 Výběr míchacího zařízení ZÁVISLOST Eu M = f (Re M ) některých míchadel AUTOMODELOVÁ OBLAST = oblast s plně rozvinutou turbulencí (Re > 10 4 ), kde již příkonové kritérium rychloběžných míchadel nezávisí na Reynoldsově kritériu

19 Výběr míchacího zařízení Speciální případ míchání reaktoru smyčkový reaktor firmy BUSS typ reaktoru přestup tepla transport tepla CSTR probublávaná věž Buss

20 Výběr míchacího zařízení Speciální případ míchání reaktoru reaktory s košem na tabletový katalyzátor

21 Shrnutí výběr druhu míchání a míchadla závisí na konkrétní vsádce a požadovaném efektu míchání ovlivňuje řadu důležitých faktorů výměnu tepla, mezifázový povrch, stupeň homogenizace režim reakce z hlediska vnější difuse jednotlivé geometricky stejné systémy lze mezi sebou porovnávat na základě kritérií (ReM, EuM) příkon určuje spotřebu energie pro míchání, jeho intenzitu a čas, za který se dosáhne žádaného efektu