Míchání suspenzí částic lehčích než kapalina Ing. Ondřej Svačina Školitel: Doc. Ing. Tomáš Jirout Ph.D. Abstrakt: Tento článek se zabývá shrnutím současných poznatků uvedených v odborné literatuře v oblasti míchání suspenzí tuhá látka-kapalina, kdy tuhé částice jsou lehčí něž kapalina. V úvodu je uveden stručný přehled průmyslových procesů, kde se technologie míchán tuhé fáze lehčí než kapaliny vyskytuje a tvoří podstatu technologického procesu. Dále je popsána problematika a specifika tohoto jevu spolu se srovnáním výsledků a závěrů uvedených v literatuře. V závěru jsou uvedeny cíle výzkumné práce a metody k jejich dosažení. Klíčová slova: Mixing, floating solids, draw down, side entering impeller, solid-liquid mixing, suspension Míchání, plovoucí pevné částice, boční míchadlo, suspenze tuhá fáze kapalina 1. Úvod Míchání a rozptýlení tuhé fáze v kapalině je velice běžný technologický proces v průmyslové výrobě, zejména za účelem přenosu hmoty či rovnoměrné suspendace. V mnoha případech má úspěšná suspendace tuhé látky v kapalině výrazný vliv na kvalitu či kvantitu finálního produktu. Většina těchto průmyslových procesů míchání tuhé fáze-kapaliny se týká případu, kdy je tuhá fáze v podobě částic těžších než kapalina, dochází tedy k samovolné sedimentaci částic. Nicméně je zde řada procesů zahrnujících tuhou fázi lehčí než kapalina, resp. částice samovolně plavoucí na hladině. Pro tyto procesy je nezbytné vytvoření homogenní suspenze, tj. strhnout tyto částice pod hladinu a pokud možno co nejrovnoměrněji rozdistribuovat v kapalině. Mezi průmyslové procesy kde se míchání částic lehčích než kapalina vyskytuje patří například výrova barev, papíru, celulózy, prášků, potravin, polymerizační reakce, zpracování minerálů, likvidace kalů a fermentace. Například pokud v případě fermentačního procesu není tuhá fáze plavající na hladině dostatečně strhávána do kapaliny, není energeticky využita a navíc časem tvoří na povrchu jednolitou krustu, jež narušuje proces fermentace a může poničit samotný aparát. 2. Druhy plovoucích částic Tuhé částice plovoucí na hladině je možné dle jevu, který jejich setrvání na hladině způsobuje, rozdělit do třech kategorií [5], na částice jejichž vlastní hustota je menší něž kapaliny (1), částice jež nejsou v kapalině smáčivé (např. Teflon, polytetrafluorroethylen ve vodě) (2) a částice které jsou lehčí než kapalina díky své (pórovité) struktuře (silikagel ve vodě). Dále velice jemné částice (např. prášky) mohou tvořit aglomeráty o stovkách až tisících částic, jež na sebe váží vzduch. Aglomeraci a nesmáčivost částic se dá předejít aplikací vhodného chemického činidla pro snížení povrchového napětí, případně přidáním jiných větších částic pro rozbití aglomerátů. 3. Současné vědecké poznatky Míchání suspenze tuhá látka-kapalina bylo věnováno mnoho vědeckých prací a publikací. Velká většina z nich se však zabývá případem, kdy tuhá fáze ve formě částice, je těžší než kapalina, tedy samovolně sedimentuje. Pouze několik prací [7-16] a [19-21] bylo věnováno míchání suspenzí, kdy jsou částice lehčí než kapalina a plavou na hladině. Je třeba
podotknout, že všechny tyto práce byly provedeny na válcových nádobách s centrálně umístěným vertikálním míchadlem. Žádný autorovi známý výzkum se nezabýval strháváním částic z hladiny pomocí bočních míchadel. Z výše uvedených prací vyplývá, že faktory výrazně ovlivňující strhávání plovoucích částic daných vlastností z hladiny je pozice míchadla, resp. jeho ponořené pod hladinou, počet a délka míchacích zarážek, typ a velikost míchadla a směr čerpání míchadla (vzhůru či dolů). Vliv koncentrace částic a velikosti je diskutabilní. Někteří autoři uvádějí, že vliv koncentrace a velikosti je zanedbatelný např. [9], [12] oproti [16]. Je nutné podotknout, že koncentrace se ve všech pracích pohybovala do 5% hmotnostních. Pro srovnání faktorů se používají následující veličiny: n JD otáčky kdy došlo k stažení všech plovoucích částic pod hladinu [s -1 ] (just draw down impeller speed) Jedná se o analogii k otáčkám vznosu při míchání sedimentujících částic. Parametr se určuje dle tzv. modifikovaného Zwieteringova kritéria, jež říká, že k dosažení n JD otáček došlo, když žádná čátice nesetrvá na hladině déle než stanovenou dobu (většinou bývá brána hodnota 1-2 sekndy). P JD disipovaná energie míchadla při dosažení otáček n JD [W] CD - hloubka suspendace částic [-] Parametr vyjadřuje hloubku, do které jsou částice suspendovány do kapaliny při dosažení otáček n JD. Většinou tato hloubka bývá vyjádřena v poměru k výšce hladiny, tedy bezrozměrně. Obrázek 1 - Zakreslení parametru CD - hloubky suspendace částic
Všechna výše uvedená kritéria jsou značně závislá na pozorovateli, který do měření vnáší značnou subjektivní chybu. Autoři se toto snaží eliminovat vícenásobným opakováním měření. Ze závěrů prací plyne, že dle ponoření míchadla, směru čerpaní míchadla a počtu zarážek jsou částice strhávány různými způsoby viz Obr.2. V případě čerpání směrem dolů a dostatečného ponoření míchadla jsou částice strhávány necirkulačními víry u stěny nádoby, případně vírem okolo hřídele (a). V případě míchání míchadlem čerpajícím vzhůru, které je blízko hladiny dochází k stahování částic pod hladinu pomocí aerace (b). Aerace je v mnoha průmyslových procesech nežádoucí. V případě že míchadlo bude více zanořené, dojde ke strhávání částic pomocí hlavní cirkulační smyčky(c). Obrázek 2 - Různé mechanismy strhávání částic pod hladinu dle polohy míchadla a směru čerpání Z literatury taktéž vyplývá, že z pohledu spotřeby energie je vhodnější použít míchadlo se směrem čerpání směrem vzhůru. Je to způsobeno tím, že proud kapaliny u míchadla čerpajícího směrem dolů se nejdříve musí odrazit od dna a poté po vystoupání k hladině může působit na částice. V případě použití vzhůru čerpajícího míchadla působí proud kapaliny přímo na plovoucí částice. Dle závěrů [12] vyplývá, že nejlepším kritériem pro zvětšování měřítka pro suspendaci částic lehčích než kapalina v případě vzhůru čerpajícího míchadla je specifický příkon (~n JD 3 D 2 ). Pro míchadlo s čerpající směrem dolů, nebylo žádné z testovaných kritérií (Froudovo číslo (~n JD 2 D), specifický příkon (~n JD 3 D 2 ), obvodová rychlost lopatek (~n JD D)) pro popis vyhovující. Oproti jiným autorům uvádí [15], že zvětšením míchadla dojde k podpoření radiálního toku a zvýšení příkonu. Ve své práci [20] uvádí, že umístěním zarážek pouze u hladiny dojde k snížení příkonu míchadla nutného pro stažení všech částic pod hladinu. Povrchové zarážky totiž potlačují radiální víry na hladině, které jsou pro stažení částic pod hladinu negativní a přitom nezpůsobují ztrátovou recirkulaci proudu ve směru dno-hladina.
4. Boční míchadla Názvem boční míchadla (side-entering impellers) jsou označována míchadla, která jsou do nádoby přivedená skrz boční stěnu nádrže, jejich hřídel je kolmá na stěnu nádrže a jsou zcela pod hladinou kapaliny. Boční míchadla jsou používána zejména u nádrží velkoobjemových zařízení, tam kde je standardní uspořádání tj. vertikální případně šikmé (top-entering impellers) nevýhodné nebo není ani technicky možné, zejména kvůli velkým rozměrům nosné konstrukce pro umístění motoru a převodovky nad vrcholem nádoby, značně dlouhého pohonného hřídele, případně míchadla samotného. Nejčastější použití bočních míchadel je u procesů homogenizace velkoobjemových nádrží v petrochemickém průmyslu, zásobníků vláknitých či jemnozrnných suspenzí (vápenec, celulóza, papír), fermentačních a kalových nádrží. Použití bočních míchadel je ve velké většině případů investičně méně náročné oproti míchadlům vertikálním. Dále je celá pohonná jednotka dobře přístupná v případě opravy, a je celkově menší, díky jednoduššímu převodu otáček z motoru na turbínové míchadlo o vysokých otáčkách. Blízká poloha rotujících míchadel u dna navíc eliminuje závislost efektivity na proměnlivé výšce hladiny a umožňuje promíchávat vsádku i při nízké hladině. Nevýhodou je nutnost utěsnění rotujícího hřídele v místě prostupu stěno nádoby, kdy je ucpávka po celou dobu ve styku s míchanou kapalinou, která může být vysoce agresivní. Podle náročnosti procesu a typu míchané vsádky se může cena pohybovat ve velikém rozsahu, někdy činí až polovinu z ceny celého míchacího ústrojí, případně může zcela zvrátit ekonomickou efektivitu bočního míchání.[1] Další nevýhodou tohoto řešení může být nesymetrické umístění míchadel a následný problém s nerovnoměrnou disipací mechanické energie ve vsádce a tvorba tzv. mrtvých zón. Dosáhnout u uspořádání s bočním nebo i více bočními míchadly dokonalou homogenitu systému je, zejména u vyšších nádob a při velkých rozdílech v hustotách složek, prakticky nemožné a to i při zvýšené dodávce energie do míchaného média.[3] Z ekonomického hlediska, začíná být využití bočního míchadla zajímavé pro míchané nádoby větší než 4 m 3, pro nádoby větší než 38 m 3 se boční míchadlo stává mnohdy jedinou technicky možnou alternativou mechanického míchání [1]. Dle [3] je třeba v případě instalace bočních míchadel počítat s vyššími nároky na spotřebu energie ve srovnání s vertikálními systémy a jejich efektivita je dost závislá na relativní velikosti míchadla (rotoru), jeho umístění v nádrži i na relativní výšce hladiny. Přitom lze konstatovat, že větší průměr míchadla vede k úsporám energie na míchání. V průmyslových aplikacích bývají pro míchání takto velkých nádrží nejčastěji používána křídlová míchadla nebo vodní vrtule (fluidfoil, hydrofoil impellers, marine propeller), případně Rushtonova turbína při požadavku vyšší smykové rychlosti. [1][2] Míchadla jsou umísťována blízko dna nádoby a to buď kolmo na střed nebo s odklonem cca. 10 od průměru. Míchadla generují horizontální vířivý proud vytlačuje a tím i promíchává tvořící se kal na dně nádrže. Vědecké práce zabývající se mícháním pomocí bočních míchadel suspenze tuhá-kapalná fáze, kdy tuhá je lehčí než kapalná, resp. plave na hladině se autorovi nepodařilo najít. Autorovi jsou známé pouze vědecké práce zabývající se bočními míchadly z pohledu homogenizace kapalin jako např. [3][4][5].
Obrázek 3 - Boční míchadlo 5. Cíle vědecké práce Cílem další práce je výzkum míchání suspenze částic lehčích než kapalina pomocí bočních míchadel. Práce se bude zabývat stanovením vlivu různých faktorů, tj. typu a velikosti míchadla, koncentraci a velikosti částic a geometrického uspořádání míchané nádoby. Bude ověřeno, zda je možné použít pro popis suspendace částic lehčích než kapalina modifikované Froudovo číslo (Fr ), případně nalézt jiné kritérium vhodné pro popis děje. Získaná data (otáčky n JD, příkon P JD ) budou porovnána s daty pro míchání pomocí vertikálním míchadlem. Pro provedení experimentů bude použito polypropylénových a polyetylénových částic válcového, případně kulového tvaru v rozsahu velikostí cca. 1.-5mm. Obrázek 4 - Částice pro provedení experimentů 6. Závěr Byla provedena literární rešerše zaměřená na zjištění současných poznatků a zmapování vědeckých prací na téma míchání suspenzí částic lehčích než kapalina. Z rešerše vyplynulo, že toto téma oproti tématu zabývajících se mícháním suspenzí obsahujících částice těžší než kapalina nabízí mnohem méně dostupných zdrojů informací a poznatků. Autorovi není známá žádná vědecká publikace zabývající se výzkumem vlivu míchání bočním míchadlem na suspendaci částic lehčích než kapalina..
Seznam použitých symbolů: n JD otáčky kdy došlo k stažení všech plovoucích částic pod hladinu [s -1 ] P JD disipovaná energie míchadla při dosažení otáček n JD [W] CD - hloubka suspendace částic [-] Fr - modifikované Froudovo číslo [-] D - průměr míchadla [m] Seznam použité literatury: [1] Edward L. P., Handbook of industrial mixing, 2004 John Wiley & Sons, ISBN 0-471-26919-0 [2] Perry R., Perry's Chemical Engineers' Handbook- Eighth Edition, 2008 McGraw-Hill, ISBN 0-07-142294-3 [3]Seichter P., Boční míchadla-výhodná řešení?,2011, CHEMagazín XXI, no.2, p.32-34 [4] Rahimi M., The effect of impeller layout on miziny time in a large-scale trude ooil storage tank, 2005, Journal of Petroleum science and engineering, Vol.46, p. 161-170 [4] Rabími M., Parvareh A. CFD studz on miziny by coupled jet-impeller mixers in a large trude oil storage tank, 2007, Journal of Petroleum science and engineering, Vol.31,p. 737-744. [5] Harnby N., Edwards M. F., Mixing in the process industries- (Chapter 6), 2008 Butterworth-Heinemann, ISBN: 978-0-7506-3760-2. [6] Dvořáček T, Základní problémy přípravy a provozu bioplynových stanic v České republice [online] Publikováno: 3.10.2008 Dostupné z: http://biom.cz/cz/odborneclanky/zakladni-problemy-pripravy-a-provozu-bioplynovych-stanic-v-ceske-republice. [7] Bakker, A., & Frijlink, J. J., The drawn down and dispersion of floating solids in aerated and unaerated vessel. 1989, Chemical Engineering Research & Design, 67, 208 210. [8] Bao, Y., Hao, Z., Gao, Z., Shi, L., & Smith, J. M. Suspension of buoyant particles in a three phase stirred tank. 2005 Chemical Engineering Science, 60, 2283 2292. [9] Joosten, G. E. H., Smith, J. G. M., & Broere, A. M. (1977). The suspension of floating solids in stirred vessel. Transactions of the Institution of Chemical Engineers, 55, 220 222. [10] Karcz, J., & Mackiewicz, B. (2006). Suspending of floating solids in an agitated vessel. In zynieria Chemiczna i Procesowa, 27, 1517 1533. [11] Karcz, J., & Mackiewicz, B. (2007). An effect of particles wettability on the draw down of floating solids in a baffled agitated vessel equipped with a high-speed impeller. In zynieria Chemiczna i Procesowa, 28, 661 672.
[12] Ozcan-Taskin, G. Effect of scale on the draw down of floating solids. 2006, Chemical Engineering Science, 60, 2871 2879. [13] Ozcan-Taskin, G., & Wei, H. (). The effect of impeller to-tank diameter ratio on draw down of solids. 2003,Chemical Engineering Science, 58, 2011 2022. [14] Takahashi, K., & Sasaki, S. J., Complete drawn down and dispersion of floating solids in agitated vessel equipped with ordinary impellers., 1999, Journal of Chemical Engineering ofjapan, 32(1), 40 44. [15] Xu, S. A., Feng, L. F., Gu, X. P., Wang, K., & Hu, G. H., Gas liquid floating particle mixing in an agitated vessel. 2000,Chemical Engineering & Technology, 23, 103 113. [16] Kuymaníc N., Ljubičic B., Suspension of floating solids with up-pumping pitched lade impllers, mixing time and power characteristics. 2001, Chemical Engineering Journal Vol. 84 p. 325-333 [17] Karcz, J., Major M., An effect of baffling on the power consumption in an agitated vesel. 1998, Chemical Engineering and Processing, Vol. 37. p. 249-256. [18] Cudak M.,Karcz, J., (2006). An effect of baffling on the power consumption in an agitated vesel. 1998, Chemical Engineering and Processing, Vol. 37. p. 249-256. [19] Ozcan-Taskin, G. Draw down of light particles in stirred tanks. 2001, Trans IChemEVol. 79 Part A [20] Khazam O., Kresta M.S., A novel geometry for solids drawdown in stirred tanks. 2009, Chemical Engineering Research and Design, Vol. 87, p. 280-290. [21] Karcz, J., Mackiewicz B., Effect of vessel baffling on the draw down solids. 2008, Preented at the 35th International Konference of the Slovak Society of Chemical Engineering, Tatranske Matliare, 26-30 May 2008.