3. Keverés és keverő berendezések

Átírás

1 Művelete a émiai és bioémiai folyamatoban. Keverés és everő berendezése.1. A everés művelete A everés ét vagy több egymástól eltérő tuladonságú anyago ényszertett áramlással megszabott arányban való egyesítése. Fő céla, tehát, a ülönböző tuladonságú özege minél obb eloszlatása a everében. A végtermé lehet homogén vagy heterogén. Amior homogén özeget apun aor a oncentráció térbeni eloszlása lesz a mérvadó, amior pedig diszperz özeg a végtermé, aor a diszpergált fázis a legisebb térfogatelemben való eloszlását vesszü figyelembe. Természetesen, soszor más célt és figyelembe vehetün, mint például a hőátadás vagy az anyagátadás meggyorsítása, stb. Nézzü meg, például, a onyhasó oldódásána mechanizmusát egy everő berendezésben. Mint tudott, a só ól oldódi vízbe (oldhatósága 98 K hőmérséleten b. 6,5%). Mior a só vízzel erül apcsolatba, a víz nedvesíti felületét, s a vízben lévő dipólo örülveszi az ionoat és ezeet iragadá a rácsszerezetből. A só felületéne özelében hamarosan egy nagyoncentrációú oldat alaul i. A everéssel előidézett folyadéáram elmozdíta ezt a töményebb oldatot a szilárd felület özeléből, lecsöenti a határréteget, melyen eresztül az iono csa diffúzióval haladna át. Az elszállított töményoldat helyébe isebb oncentrációú, nagy oldóépességű, hígoldat áramli, mely hatására megnő az oldódási sebesség. A everőhatás öveteztében, a horizontálisáramlás mellett, egy intenzív vertiális áramlás alaul i (lásd a.1. ábra. Lapáteverő által.1. ábrát), mely magával ragada az egyre előidézett áramvonala: isebb méretű só részecséet, így hamarosan torló lapáttal (a) és ialaul a homogén szuszpenzió. Amior nélüle (b). homogén rendszert everün aor nem szüséges a vertiális áramlás, ilyenor elégséges a horizontális áramlás. Nagy viszozitású, homogén özege melegítéseor a horizontális avarással elerülhető az edény falához való tapadás. - -

2 Keverési művelete és berendezése A everő berendezéseet a megoldandó everési feladato függvényében osztályozhatu. Eze szerint beszélhetün: - Homogenizálásról, vagyis egymásba oldódó alotórésze egyenletes elosztásáról, úgy oncentráció, mint hőmérsélet szempontából, - Szuszpendálásról, azaz, szemcsésanyago egyenletes eloszlásról egy szuszpenzióban, - Diszpergálásról, azaz, a gázözeg egyenletes elosztásáról egy folyadéban, - Emulgálásról, azaz, egymásba nem oldódó folyadéo egyenletes eloszlatásáról, - Anyag- és hőcsere gyorsításról. So esetben, a szóban forgó özege szilárd halmazállapotúa. Ilyenor a everési feladat a homogén szemcseeloszlás ialaítása. Ezeben az eseteben poreverőet használun. Másor pedig a ülönböző nedvességtartalmú poroat ell homogén özeggé alaítani. Ilyenor a dagasztóat vagy a gyúróat használu. A is viszozitású özege esetén a everés több módszerét alalmazhatu. Így beszélhetün: - Statius állóeverésről; - Gázeverésről, vagy gáz befúvásról; - Mechanius everésről. Nagy viszozitású anyago esetén, a gyúróon és a dagasztóon ívül használhatu a mozgatható edényeet is. Poro everéseor a legalalmasabba a ülönböző mozgó edénye, de használá a forgó vagy a öpülő mozgást is. Ilyenor, ha szüséges, aor a everéssel egy időben a szemcseméret változtatást is megoldá. Erre a legalalmasabba golyós malmo, olloidális malmo és az u.n. homogenizáló. A mechaniailag műödtetett szuszpenzió előállítására használt everő legfontosabb paraméterei a minimális fordulatszám és a telesítményszüséglet. A minimális fordulatszám alatt a szilárdrészecsé szuszpendálásához szüséges fordulatszámot értü. Ez függ a everő típustól, az edénytípustól s természetesen a özege tuladonságaitól. Számítása csa hozzávetőleges, igazi meghatározására gyaorlati mérésere van szüség. Ami a telesítmény szüségletet illeti, anna meghatározására a özegellenállási tényezőt vesszü figyelembe. Legyen például, egy étlapátos tárcsás everő, melyne lapátátmérőe d, a lapát mérete axb=(d/4)x(d/5), fordulatszáma, n, lapát-tengelytávolsága x=(d/8) (lásd a.. ábrát)

3 Művelete a émiai és bioémiai folyamatoban A lapáto n fordulattal való forgatásor az F e ellenállási erő lép fel: Fe CD w Al (.1) ahol: C D - a özegellenállási együttható, - a özeg sűrűsége, g/m, w - a everőlapát átlagos erületi sebessége, m/s, A l - a lapát felülete, m. Ismerve, hogy w x d n d 8 8 n d 4 (.) d d d A l axb (.) Behelyettesítve az (.1.) összefüggésbe, övetezi: d e CD nd CDn d 0,188CD n d (.4) F A ét lapát által létrehozott nyomatéerő egyenlő: 5 5 M Fe x Fe d 0,188CD n d 0,104 CD n d (.5) 8 8 A everő telesítményszüséglete, tehát: 5 5 P M 0,104 CD n d n 0,65 CD n d (.6) Ezt az összefüggést még felírhatu általános formába is: P.. ábra. A lapáteverő vázlata. n d 5 (.7) Mint látu, a telesítményszüséglet arányos a fordulatszám harmadi és az átmérő ötödi hatványával. Az ellenállási tényező nem más, mint a everési Euler szám, vagyis: P Eu (.8) n d 5

4 Keverési művelete és berendezése Innen apu a everő telesítményszüségleténe általános formuláát: d 5 n Eu P (.9) Az Euler szám értéét a everési Re-szám ( Re nd nd ) függvényében lehet ifeezni. Kísérleti tapasztalato alapán felírható, hogy a everő telesítményszüséglete függ: - a everő átmérőétől, d, m [L]; - a lapát szélességétől, b, m [L];, - az edény átmérőétől, D, m [L];, - a folyadészint magasságától, H, m [L];, - a everő fordulatszámától, n, ford/s [1/T]; - a folyadé sűrűségétől,, g/m [M/L ]; - a folyadé viszozitásától,, Pa. s [M/LT]; - a nehézségi gyorsulástól, g, m/s [L/T ]; Ez a gyaorlati összefüggés felírható: ),,,,,,, ( ' g n D H b d f P (.10) Ha az összefüggést felíru, mint egy hatványfüggvény, övetezi: i h f e c a g n H D b d A P (.11) Ha a megfelelő dimenzióat behelyettesítü, a övetező összefüggést apu: h i f e c a i i h f e c a T L M T L LT M L M T L L L L T ML 1 (.1) Mint látható, a nyolc ismeretlen özött három összefüggést lehet felírni, éspedig: h i f e c a i 1 (.1) Kifeezve 5 ismeretlent mási három függvényében, felírhatu: f e c d H d D d b g dn nd n d A P 5 (.14) Az első záróelben szereplő összefüggés a everési Re -szám, a másodi záróelben szereplő pedig a Froude -szám. A többi záróelben lévő számo pedig geometriai

5 Művelete a émiai és bioémiai folyamatoban hasonlóságot írna le. Ezen utóbbia, ha megfelelne, úgy a ísérleti, mint az ipari everő berendezésnél, a övetező összefüggést írhatu fel: m n 5 5 P A n d Re Fr vagy, általában P A n d Re Fr (.15) Az összefüggés még felírható: P m n A Re Fr Eu 5 n d ARe m Fr n (.16) Az m és n itevő gyaorlatilag határozható meg. A ísérleti adato szerint, amior a tölcsér nem éri el a everőt, aor a everő nem diszpergál levegőt a folyadéba, tehát a Fr szám itevőe 0 s így felírható:.. ábra. A everési lgeu-lgre általános diagramm. Innen felírható: m Eu ARe (.17) Innen megapu az ismert log-log függvényt (lásd a. ábrát). Mint ól ivehető a görbéből, az Eu szám Re függvényében három szaaszt ülönböztethetün meg: - az első, lamináris tartományban (Re <10 60) a Re szám itevőe minden everőre 1, tehát eor a övetező összefüggést alalmaz- hatu: 1 Eu A Re (.18) P Ad n (.19) ahol: az A értée függ a everő típusától és a geometriai arányotól. - az átmeneti tartományban nincs éplet, itt a ísérleti diagramot használu, - a turbulens tartományban az összefüggést az edény szerezeti felépítése határozza meg. Torló lemez nélüli edény esetén a Re -szám itevőe 0,. Torló lemez esetén a Re -szám itevőe pedig megözelítőleg zéró, tehát a telesítményszüségletet övetező összefüggéssel számítu:

6 Keverési művelete és berendezése P Pind P A n d 5 (.0) Az indítási telesítményszüséglet értéét felírhatu. 0,14Re 0, 1 (.1).. Keverőtípuso A ülönböző anyagfeldolgozó iparágaban soféle everő típusoat felesztette i. Ezeet a özeg minőségétől és azo áramlási tuladonságától függően osztályozhatu, éspedig:.4. ábra. Lapátos everőtípuso: a- lapeverő, b, c- aros everő, d- többaros everő, e- aner everő, f ueverő, g-alodás everő sífeneű edényben, h- alodás everő osárfeneű edényben: H- folyadészint, h 1 -everő magasság, h- everő-fené távolság, w-everő vastagság, D edényátmérő, d- everő átmérő

7 Művelete a émiai és bioémiai folyamatoban - is viszozitású özege everésére használt everő, - nagy viszozitású özege everését szolgáló everő, - dagasztó és gyúró, - poreverő, - pneumatius everő. A is viszozitású folyadéo everésére nagyon so féle everőt használna, ezdve a lapáteverőtől egészen a zárt vagy nyitott propellereverőig. A lassú sílapátú everő a legegyszerűbbe. A tengely csőből vagy formásacélból van, míg a lapáto lemezből, lapos acélból, szögacélból vagy csőből észülne. A fordulatszámu általában 0-40 ford./min. örül mozog, de lehet 100 is. A.4. ábrán néhány ilyen everőtípust mutatun be. Legtöbb esetben a forgótengely özéptengelyes és függőleges szerelésű, de ismerestes a ferde szerelésű everő-berendezés is. Ilyent mutat be a.5. ábra, ahol ülpontos és ferdetengelyű everőt ismertetün. Az ilyen típusú everő-berendezés főbb méreteit a.1. táblázatban tüntettü fel. A everő elnevezése.1. táblázat. A lapátos everő geometriai adatai ( Fonyó-Fábry után). d/d b/d h/d H/d h 1 /d Maximális viszozitás, Pa. s Lapeverő 0,4-0,5 0,9-1 0,1-0,1 1, Karos everő 0,7-0,9 0,05-0,1 0,1-0, 1-1,4-10 Horgonyeverő 0,9-0,98 0,055-0,1 0,01-0,06 1,1-1,4 04-0, Kalodás everő 0,9-0,98 0,055-0,1 0,01-0,06 1,1 0, Aner everő 0,09-0,98 0,055-0,1 0,01-0,06 1,1 0, A elölése a. 4. ábrána megfelelőe. A everés hatéonyságána foozására ülönböző megoldásoat alalmazna. Így, például az ueverőnél a benyúló áramlástörőet, az aner és alodás everőnél falhoz özeli szerelést, vagy az edényformához való igazítás stb ábra. Keverőelrendezése: özponti - bal felöl, ferdetengelyű obb felöl: d- lapátátmérő, D-tartályátmérő, - dőlésszög

8 Keverési művelete és berendezése Mint ól látható a.6. ábrán feltüntetett everő típusoról, a propellereverő haócsavarhoz hasonlóa. Nagy fordulatszámu révén, erős axiális áramlást hozna létre. Az áramlás ellegét lehet szabályozni torló lemeze segítségével. A isebb tartályo esetén hordozható, önnyen felszerelhető everőt használna, melyet lehet több.6. ábra. Propellereverő: a- féleéppen elrendezni háromszárnyú, b- hatszárnyú. (axiálisan, ülpontosan vagy ferdén). Nagyobb edénye esetén több everő beállításával oldá meg a everési problémát. A gyors everés megoldásra vezetté be a turbóeverőet. Eze általában zárta (lásd a.7. ábrát). Műödési elvű nagyon hasonlít az örvényszivattyú rotorána műödéséhez, axiálisan szívna, és tangenciálisan áramoltatá i a folyadéot. A everési Eu - és Re - számo függőségét a.8. ábrán tüntettü fel. Az Eu -szám meghatározására alalmazható a (.17) összefüggés is. Az együttható értéeit a Refüggvényében a.. táblázatban tüntettü fel. A.7. ábra. Zárt turbóeverő: a-egyszeres beömlésű, b- étszeres beömlésű [Fonyó-Fábry]. táblázatban feltüntetett everő típuso magyarázóábráit a.9. diagramm tartalmazza. So esetben a everés mellett hőelvonást vagy hőátadást is végzün. Ilyenor ígyócsövet, vagy más hűtő-fűtő öpenyt alalmazna. Ilyen típusú everő berendezést mutatun be a.10. ábrán

9 Művelete a émiai és bioémiai folyamatoban.9. ábra. Különböző everőtípuso: a- többarú everő, b- szalageverő, c- vezetőcsöves everő, d- csigás szalageverő: D- edényátmérő, H- anyag megasság, d-everő átmérő..8. ábra Az Eu-szám Re-szám függvénye ülönböző everő berendezése esetén

10 Keverési művelete és berendezése.. táblázat. A.17. összefüggésne megfelelő együttható értéei. Keverőtípuso Re-szám d/d A m intervallum Szárnylapátos ,46 Kalodás 1-0 0, ,75 Csiga 1-0 0, ,85 Csiga vezető , nélül ,69 Szalag , ,75 Csigás szalag , , ábra. Csőígyós everős észülé: D C - ígyócső átmérő, d c - csőátmérő, w- lapátszélesség, H- everé magasság, h- everő-fenétávolság..11. ábra. Kéteverős főzőüst (Fonyó - Fábry): A- edény, B- hatómű, C- csatlaozó, D-aner everő, E- lapáteverő, G, F- csono. - -

11 Művelete a émiai és bioémiai folyamatoban A nagy viszozitású anyago everésére omplexebb mozgású everőet alalmazna. Eze általában minimum ét everőt tartalmazna, melyne mozgásai elősegíti az anyag megívánt áram-lását. Egy ilyen típusú everőt mutat be a.11. ábra. A everő formáa nagyon változó lehet. Így, például a nagy viszozitású anyagohoz alalmazzá a lyuas everőet, a alitásoat a habveréshez (lásd a.1. ábrát). Ha a everendő anyag nem csa nagy viszozitású, hanem nyúlós is aor everőgépeet használna. Eze általában vízszintes csatornában beépített everőel műődne (lásd a.1. ábrát)..1. ábra. Nagy viszozitású anyago everésére szolgáló lapát (a) vagy hevederes (b d) everő..1. ábra- Dagasztóeverő( Fonyó-Fábry). - -

12 Keverési művelete és berendezése A ét everő egymással szembe nyoma az anyagot. Kisebb telesítmény esetén csa az egyi everőt ell mozgatni, míg nagyobb telesítménynél mindét everőt hatá. Ahhoz, hogy nagyobb legyen a everési hatás, a everő fordulatszámait is ülönbőzö lehetne. Az arány lehet /1 vagy /1 a 10 ford/perc sebességnél. Minél nagyobb everőhatás elérése érdeében a everő formáát is lehet változtatni. Ilyen típusú everőet a.14. ábrán mutatun be. Szilárdanyago everésére használatosa a nagy viszozitású anyagonál ismertetett everő. Különböző, vízszintes helyzetű everőel lehet száraz vagy nedves everést elvégezni. Nagyon so esetben többáratú egyes vagy ettős csigás everőt is alalmazna. Az egyi csiga egy irányba mozgata az anyagot, a mási az ellenezébe. Ha a ét csiga sebessége ülönböző, aor megoldható everéssel együtt az anyagszállítás is. Egy ilyen csigáseverő berendezést mutatun be a.15. ábrán. A úpos tartályban egy ferdén beszerelt csiga felfelé szállíta a szemcséet. E özben a csiga a fal mellett ering. A csiga fordulatszáma b , míg eringési fordulatszáma,8 ford/perc. Az építőanyag iparban, az élelmiszeriparban és más iparágaban (pld. a mosószergyártásban) soszor a szaaszosan műödő dobeverőet alalmazzá. Ilyen típusú everőet,.14. ábra. Dagasztó eleme melye ó áramló tuladonsággal a-szigma everő, b- diszperziós rendelező szemcsés anyago esetén everő, c- haluszonyos everő, alalmazna, mutat be a.16. ábra. A d- fogazott everő, e-. egyélű everő. legegyszerűbb a forgódobos everő. Ez lehet sima belső falú, vagy lehet torlós belső falú is. A szemcseréteg a súrlódás öveteztében a dobbal együtt mozog, mind addig, míg a nehézségi erő le nem győzi a súrlódási erőt. Eor a részecsé lecsúszna, és végig gördülne a réteg felületén. A everő töltésfoa b. 45%, - 4 -

13 Művelete a émiai és bioémiai folyamatoban fordulatszáma icsi (a ritius fordulatszám a 0/R 0,5 ) everési időtartama nagy (néhány perctől óráig is eltarthat). So ipari berendezés alalmazza a ettes csona úp, vagy az Y (nadrág) típusú everődoboat. A.16.h ábrán feltüntettü a folytonos üzemeltetésű ci-ca everőt. Ez egy fordulat alatt ide-oda mozgata a benne levő szemcséet, úgy hogy a so támolygó mozgás hatására ialaul a homogén everé. Egy ülönleges ivitelezésű everő az u.n. sztatius everő. Ez, általában, ó áramlási tuladonságoal rendelező.15. ábra. Csigás poreverő: 1-üritő,- úpos edény, -motor, 4-hatóeré, 5-ar, 6-csigatest, 7- anyag ülönböző töménységű fluidumo everését szolgála. Itt, a csőbe beáramló özege inetiai energiáát hasznosítá. Például, ét ugyanazon sűrűségű fluidum csőben való everéseor, ha a ét áramot ugyanazon a részen vezetü be, elég ó homogenitást apun b. (50-100)d úthossz után (d- csőátmérő). A Re -szám növeedésével a szüséges csőhossz rövidülhet. Ha a ét fluidum özött icsi a sűrűség ülönbség, aor az átmérő százszorosa elég, ha pedig nagy, aor 00 szoros hossz szüséges. Ha terelőlemezeet építün a csőbe, aor soal obb homogenitást tudun biztosítani rövidebb csőhosszon. Egy ilyen típusú everő hidrodinamiáát mutata be a.17. ábra. Egy elem hossza b. a csőátmérő étszerese. Ugyancsa ilyen típusú everőelemet mutat be a.18. ábra. Itt a Sulzer típusú everő elvi vázlatát (a) láthatu, ahol a lemeze úgy vanna beépítve, hogy a ialauló hullámhegye egymást eresztezi (b), ezzel növelve a everési hatást

14 Keverési művelete és berendezése.16. ábra. Poro everésére alalmazható everő: a- hengeres, b- hatszögű, c- átlósan elhelyezett, d-e ét csona úpos, f-tetraéder everő, g- nadrágcsöves everő, h- folytonos ci-ca everő [Fonyó-Fábry]..17. ábra. Sztatius everő hidrodinamiai vázlata és rétegszáma [Fonyó- Fábry]

15 Művelete a émiai és bioémiai folyamatoban.18. ábra. Sulzer típusú sztatius everő [Fonyó-Fábry]. A gáz-folyadéeverést általában mechanius everőszerezet nélül végzi, de vanna példá az egyideű, mechanius és pneumatius everésre is (lásd a.19 a ábrát). Az ilyen berendezéseet általában pneumatius everőne is nevezi. A legegyszerűbb ilyen everő a perforált csöveből észült (lásd a.19 b). A gáz.19. ábra. Pneumatius everő: a) pneumatius és mechanius everő, b) pneumatius everő ád, c) gázlift everő. bevitelre más megoldásoat is alalmazhatun. Ilyene például a.19c ábrán bemutatott gáz-lifteverő típus is. A özponti csőbe bevitt levegő egy felfelé irányuló áramlást idéz elő, s így az axiális everés segítségével megoldható a homogenizálás