3. Keverés és keverő berendezések

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban

3. Keverés és keverő berendezések 3.1. A keverés művelete A keverés két vagy több egymástól eltérő tulajdonságú anyagok kényszertett áramlással megszabott arányban való egyesítése. Fő célja, tehát, a különböző tulajdonságú közegek minél jobb eloszlatása a keverékben. A végtermék lehet homogén vagy heterogén. Amikor homogén közeget kapunk akkor a koncentráció térbeni eloszlása lesz a mérvadó, amikor pedig diszperz közeg a végtermék, akkor a diszpergált fázis a legkisebb térfogatelemben való eloszlását vesszük figyelembe. Természetesen, sokszor más célt és figyelembe vehetünk, mint például a hőátadás vagy az anyagátadás meggyorsítása, stb. Nézzük meg, például, a konyhasó oldódásának mechanizmusát egy keverő berendezésben. Mint tudott, a só jól oldódik vízbe (oldhatósága 298 K hőmérsékleten kb. 26,25%). Mikor a só vízzel kerül kapcsolatba, a víz nedvesíti felületét, s a vízben lévő dipólok körülveszik az ionokat és ezeket kiragadják a rácsszerkezetből. A só felületének közelében hamarosan egy nagykoncentrációjú oldat alakul ki. A keveréssel előidézett folyadékáram elmozdítja ezt a töményebb oldatot a szilárd felület közeléből, lecsökkenti a határréteget, melyen keresztül az ionok csak diffúzióval haladnak át. Az elszállított töményoldat helyébe kisebb koncentrációjú, nagy oldóképességű, hígoldat áramlik, mely hatására megnő az oldódási sebesség. A keverőhatás következtében, a horizontálisáramlás mellett, egy intenzív vertikális áramlás alakul ki (lásd a 3.1. ábra. Lapátkeverő által 3.1. ábrát), mely magával ragadja az egyre előidézett áramvonalak: kisebb méretű só részecskéket, így hamarosan torló lapáttal (a) és kialakul a homogén szuszpenzió. Amikor nélküle (b). homogén rendszert keverünk akkor nem szükséges a vertikális áramlás, ilyenkor elégséges a horizontális áramlás. Nagy viszkozitású, homogén közegek melegítésekor a horizontális kavarással elkerülhető az edény falához való tapadás.

- 23 -

Keverési műveletek és berendezések A keverő berendezéseket a megoldandó keverési feladatok függvényében osztályozhatjuk. Ezek szerint beszélhetünk: - Homogenizálásról, vagyis egymásba oldódó alkotórészek egyenletes elosztásáról, úgy koncentráció, mint hőmérséklet szempontjából, - Szuszpendálásról, azaz, szemcsésanyagok egyenletes eloszlásról egy szuszpenzióban, - Diszpergálásról, azaz, a gázközeg egyenletes elosztásáról egy folyadékban, - Emulgálásról, azaz, egymásba nem oldódó folyadékok egyenletes eloszlatásáról, - Anyag- és hőcsere gyorsításról. Sok esetben, a szóban forgó közegek szilárd halmazállapotúak. Ilyenkor a keverési feladat a homogén szemcseeloszlás kialakítása. Ezekben az esetekben porkeverőket használunk. Máskor pedig a különböző nedvességtartalmú porokat kell homogén közeggé alakítani. Ilyenkor a dagasztókat vagy a gyúrókat használjuk. A kis viszkozitású közegek esetén a keverés több módszerét alkalmazhatjuk. Így beszélhetünk: - Statikus állókeverésről; - Gázkeverésről, vagy gáz befúvásról; - Mechanikus keverésről. Nagy viszkozitású anyagok esetén, a gyúrókon és a dagasztókon kívül használhatjuk a mozgatható edényeket is. Porok keverésekor a legalkalmasabbak a különböző mozgó edények, de használják a forgó vagy a köpülő mozgást is. Ilyenkor, ha szükséges, akkor a keveréssel egy időben a szemcseméret változtatást is megoldják. Erre a legalkalmasabbak golyós malmok, kolloidális malmok és az u.n. homogenizálók. A mechanikailag működtetett szuszpenzió előállítására használt keverők legfontosabb paraméterei a minimális fordulatszám és a teljesítményszükséglet. A minimális fordulatszám alatt a szilárdrészecskék szuszpendálásához szükséges fordulatszámot értjük. Ez függ a keverő típustól, az edénytípustól s természetesen a közegek tulajdonságaitól. Számítása csak hozzávetőleges, igazi meghatározására gyakorlati mérésekre van szükség. Ami a teljesítmény szükségletet illeti, annak meghatározására a közegellenállási tényezőt vesszük figyelembe. Legyen például, egy kétlapátos tárcsás keverő, melynek lapátátmérője d, a lapát mérete axb=(d/4)x(d/5), fordulatszáma, n, lapát-tengelytávolsága x=3(d/8) (lásd a 3.2. ábrát). - 24 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban A lapátok n fordulattal való forgatáskor az Fe ellenállási erő lép fel:

Fe  C D

 2

wk2 Al

(3.1)

ahol: CDa közegellenállási együttható,  - a közeg sűrűsége, kg/m3, w k - a keverőlapát átlagos kerületi sebessége, m/s, Al- a lapát felülete, m2. Ismerve, hogy

3 3 wk    x    d  2  n  d 8 8 3   nd 4

3.2. ábra. A lapátkeverő vázlata.

(3.2)

Al  axb 

2

dd d  4 5 20

(3.3)

Behelyettesítve az (3.1.) összefüggésbe, következik:

3

2 9  2  d Fe  CD  nd   CD n 2 d 4  0,1388CD n 2 d 4 24 20 640  2

(3.4)

A két lapát által létrehozott nyomatékerő egyenlő:

3 3 M  2  Fe x  2  Fe d  2   0,1388C D n 2 d 5  0,104  C D   n 2 d 5 8 8

(3.5)

A keverő teljesítményszükséglete, tehát:

P  M    0,104  CD   n 2 d 5  2n  0,6532  CD   n3d 5

(3.6)

Ezt az összefüggést még felírhatjuk általános formába is:

P      n3d 5

(3.7)

Mint látjuk, a teljesítményszükséglet arányos a fordulatszám harmadik és az átmérő ötödik hatványával. Az ellenállási tényező nem más, mint a keverési Euler szám, vagyis: P (3.8)   Euk  3 5 n d

- 25 -

Keverési műveletek és berendezések Innen kapjuk a keverők teljesítményszükségletének általános formuláját:

P  Euk  n 3 d 5

(3.9)

2 2 Az Euler szám értékét a keverési Re-szám ( Re k  nd  nd ) függvényében



lehet kifejezni. Kísérleti tapasztalatok alapján felírható, teljesítményszükséglete függ: - a keverő átmérőjétől, d, m [L]; - a lapát szélességétől, b, m [L]; , - az edény átmérőjétől, D, m [L];, - a folyadékszint magasságától, H, m [L];, - a keverő fordulatszámától, n, ford/s [1/T]; - a folyadék sűrűségétől,  , kg/m3 [M/L3];



hogy

a

keverő

a folyadék viszkozitásától,  , Pa.s [M/LT];

-

- a nehézségi gyorsulástól, g, m/s2[L/T2]; Ez a gyakorlati összefüggés felírható:

P  f ' (d , b, D, H , n,  , , g )

(3.10)

Ha az összefüggést felírjuk, mint egy hatványfüggvény, következik:

P  A  d a b c D e H f n h  i j g k

(3.11)

Ha a megfelelő dimenziókat behelyettesítjük, a következő összefüggést kapjuk: i

j

k

ML2 1 M   M   L  i  j a  c  e  f  k 3i  j  h  j  k (3.12)  La Lc Le L f h  3   T   2 M L 3 T T  L   LT   T  Mint látható, a nyolc ismeretlen között három összefüggést lehet felírni, éspedig:

1  i  j  2  a  c  e  f  k  3i  j  3   h  j  2 k 

(3.13)

Kifejezve 5 ismeretlent másik három függvényében, felírhatjuk:

 nd 2 P  Ad n    5

3

  

j

k

 dn 2   b   D   H           g  d   d   d  c

e

f

(3.14)

Az első zárójelben szereplő összefüggés a keverési Rek-szám, a második zárójelben szereplő pedig a Froudek-szám. A többi zárójelben lévő számok pedig geometriai - 26 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban hasonlóságot írnak le. Ezen utóbbiak, ha megfelelnek, úgy a kísérleti, mint az ipari keverő berendezésnél, a következő összefüggést írhatjuk fel: P  A    n3d 5 Re k  j Frk k vagy, általában P  A    n3d 5 Re k m Frk n (3.15) Az összefüggés még felírható:

P

 n d

3 5

 A  Re k  m Frk  n  Eu k  A Re k  m Frk  n

(3.16)

Az m és n kitevők gyakorlatilag határozhatók meg. A kísérleti adatok szerint, amikor a tölcsér nem éri el a keverőt, akkor a keverő nem diszpergál levegőt a folyadékba, tehát a Frk –szám kitevője 0 s így felírható:

Euk  A Re k  m

3.3. ábra. A keverési lgEu-lgRe általános diagramm.

(3.17)

Innen megkapjuk az ismert log-log függvényt (lásd a 3.3 ábrát). Mint jól kivehető a görbéből, az Euk szám Rek függvényében három szakaszt különböztethetünk meg: az első, lamináris tartományban (Rek<10…60) a Re szám kitevője minden keverőre 1, tehát ekkor a következő összefüggést alkalmaz- hatjuk:

Eu k  A Re k 1

(3.18)

Innen felírható:

P  Ad 3 n 2

(3.19)

ahol: az A értéke függ a keverő típusától és a geometriai arányoktól. - az átmeneti tartományban nincs képlet, itt a kísérleti diagramot használjuk, - a turbulens tartományban az összefüggést az edény szerkezeti felépítése határozza meg. Torló lemez nélküli edény esetén a Rek-szám kitevője 0,2. Torló lemez esetén a Rek-szám kitevője pedig megközelítőleg zéró, tehát a teljesítményszükségletet következő összefüggéssel számítjuk:

- 27 -

Keverési műveletek és berendezések

P  A  n 3 d 5

(3.20)

Az indítási teljesítményszükséglet értékét felírhatjuk.

Pind  0,134 Re k 0, 22  1 P

(3.21)

3.2. Keverőtípusok A különböző anyagfeldolgozó iparágakban sokféle keverő típusokat fejlesztettek ki. Ezeket a közeg minőségétől és azok áramlási tulajdonságától függően osztályozhatjuk, éspedig:

3.4. ábra. Lapátos keverőtípusok: a- lapkeverő, b, c- karos keverő, d- többkaros keverő, e- anker keverő, f –ujjkeverő, g-kalodás keverő síkfenekű edényben, hkalodás keverő kosárfenekű edényben: H- folyadékszint, h1-keverő magasság, h- keverő-fenék távolság, w-keverő vastagság, D edényátmérő, d- keverő átmérő. - 28 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban - kis viszkozitású közegek keverésére használt keverők, - nagy viszkozitású közegek keverését szolgáló keverők, - dagasztók és gyúrók, - porkeverők, - pneumatikus keverők. A kis viszkozitású folyadékok keverésére nagyon sok féle keverőt használnak, kezdve a lapátkeverőtől egészen a zárt vagy nyitott propellerkeverőkig. A lassú síklapátú keverők a legegyszerűbbek. A tengely csőből vagy formásacélból van, míg a lapátok lemezből, lapos acélból, szögacélból vagy csőből készülnek. A fordulatszámuk általában 20-40 ford./min. körül mozog, de lehet 100 is. A 3.4. ábrán néhány ilyen keverőtípust mutatunk be. Legtöbb esetben a forgótengely 3.5. ábra. Keverőelrendezések: központi - bal felöl, ferdetengelyű – középtengelyes és függőleges jobb felöl: szerelésű, de ismerestes a ferde d- lapátátmérő, D-tartályátmérő, szerelésű keverő-berendezés is. Ilyent  - dőlésszög mutat be a 3.5. ábra, ahol külpontos és ferdetengelyű keverőt ismertetünk. Az ilyen típusú keverő-berendezés főbb méreteit a 3.1. táblázatban tüntettük fel. 3.1. táblázat. A lapátos keverők geometriai adatai ( Fonyó-Fábry után). A keverő elnevezése

d/D

b/d

h/d

H/d

h1/d

Lapkeverő Karos keverő Horgonykeverő Kalodás keverő Anker keverő

0,4-0,5 0,7-0,9 0,9-0,98 0,9-0,98 0,09-0,98

0,9-1 0,05-0,1 0,055-0,1 0,055-0,1 0,055-0,1

0,1-0,12 0,1-0,2 0,01-0,06 0,01-0,06 0,01-0,06

1,5-2 1-1,4 1,1-1,4 1,1 1,1

04-0,8 0,7-1 0,7-1

Maximális viszkozitás, Pa.s 20 10 20-50 20-50 20-50

A jelölések a 3. 4. ábrának megfelelőek. A keverés hatékonyságának fokozására különböző megoldásokat alkalmaznak. Így, például az ujjkeverőknél a benyúló áramlástörőket, az anker és kalodás keverőknél falhoz közeli szerelést, vagy az edényformához való igazítás stb.

- 29 -

Keverési műveletek és berendezések Mint jól látható a 3.6. ábrán feltüntetett keverő típusokról, a propellerkeverők hajócsavarhoz hasonlóak. Nagy fordulatszámuk révén, erős axiális áramlást hoznak létre. Az áramlás jellegét lehet szabályozni torló lemezek segítségével. A kisebb tartályok esetén hordozható, könnyen felszerelhető keverőt 3.6. ábra. Propellerkeverők: ahasználnak, melyet lehet több háromszárnyú, b- hatszárnyú. féleképpen elrendezni (axiálisan, külpontosan vagy ferdén). Nagyobb edények esetén több keverő beállításával oldják meg a keverési problémát. A gyors keverés megoldásra vezették be a turbókeverőket. Ezek általában zártak (lásd a 3.7. ábrát). Működési elvűk nagyon hasonlít az örvényszivattyúk rotorjának működéséhez, axiálisan szívnak, és tangenciálisan áramoltatják ki a folyadékot. A keverési Euk- és Rekszámok függőségét a 3.8. ábrán tüntettük fel. Az Euk-szám meghatározására alkalmazható a (3.17) összefüggés is. Az együtthatók értékeit a Refüggvényében a 3.2. táblázatban tüntettük fel. A 3.7. ábra. Zárt turbókeverők: a-egyszeres táblázatban feltüntetett beömlésű, b- kétszeres beömlésű [Fonyó-Fábry]. keverő típusok magyarázóábráit a 3.9. diagramm tartalmazza. Sok esetben a keverés mellett hőelvonást vagy hőátadást is végzünk. Ilyenkor kígyócsövet, vagy más hűtő-fűtő köpenyt alkalmaznak. Ilyen típusú keverő berendezést mutatunk be a 3.10. ábrán.

- 30 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban

3.9. ábra. Különböző keverőtípusok: a- többkarú keverő, b- szalagkeverő, c- vezetőcsöves keverő, d- csigás szalagkeverő: D- edényátmérő, H- anyag megasság, d-keverő átmérő.

3.8. ábra Az Eu-szám Re-szám függvénye különböző keverő berendezések esetén.

- 31 -

Keverési műveletek és berendezések 3.2. táblázat. A 3.17. összefüggésnek megfelelő együtthatók értékei. Keverőtípusok Re-szám d/D A intervallum Szárnylapátos 1-25 07 85 25-120 15 Kalodás 1-20 0,91 190 20-120 88 Csiga 1-20 0,4 230 20-60 130 Csiga vezető 1-16 0,4 120 nélkül 16-50 51 Szalag 1-45 0,9 250 45-120 96 Csigás szalag 1-45 0,94 280 45-120 108

3.10. ábra. Csőkígyós keverős készülék: DC- kígyócső átmérő, dc- csőátmérő, wlapátszélesség, H- keverék magasság, h- keverő-fenéktávolság. - 32 -

m 1 0,46 1 0,75 1 0,85 1 0,69 1 0,75 1 0,75

3.11. ábra. Kétkeverős főzőüst (Fonyó - Fábry): A- edény, Bhajtómű, C- csatlakozó, D-anker keverő, E- lapátkeverő, G, Fcsonkok.

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban A nagy viszkozitású anyagok keverésére komplexebb mozgású keverőket alkalmaznak. Ezek általában minimum két keverőt tartalmaznak, melynek mozgásai elősegítik az anyag megkívánt áram-lását. Egy ilyen típusú keverőt mutat be a 3.11. ábra. A keverők formája nagyon változó lehet. Így, például a nagy viszkozitású anyagokhoz alkalmazzák a lyukas keverőket, a kalitkásokat a habveréshez (lásd a 3.12. ábrát). Ha a keverendő anyag nem csak nagy viszkozitású, hanem nyúlós is akkor keverőgépeket használnak. Ezek általában vízszintes csatornában beépített keverőkkel műkődnek (lásd a 3.13. ábrát).

3.12. ábra. Nagy viszkozitású anyagok keverésére szolgáló lapát (a) vagy hevederes (b…d) keverők.

3.13. ábra- Dagasztókeverők( Fonyó-Fábry).

- 33 -

Keverési műveletek és berendezések A két keverő egymással szembe nyomja az anyagot. Kisebb teljesítmény esetén csak az egyik keverőt kell mozgatni, míg nagyobb teljesítménynél mindkét keverőt hajtják. Ahhoz, hogy nagyobb legyen a keverési hatás, a keverők fordulatszámait is különbőzök lehetnek. Az arány lehet 3/1 vagy 2/1 a 10 ford/perc sebességnél. Minél nagyobb keverőhatás elérése érdekében a keverők formáját is lehet változtatni. Ilyen típusú keverőket a 3.14. ábrán mutatunk be. Szilárdanyagok keverésére használatosak a nagy viszkozitású anyagoknál ismertetett keverők. Különböző, vízszintes helyzetű keverőkkel lehet száraz vagy nedves keverést elvégezni. Nagyon sok esetben többjáratú egyes vagy kettős csigás keverőt is alkalmaznak. Az egyik csiga egy irányba mozgatja az anyagot, a másik az ellenkezébe. Ha a két csiga sebessége különböző, akkor megoldható keveréssel együtt az anyagszállítás is. Egy ilyen csigáskeverő berendezést mutatunk be a 3.15. ábrán. A kúpos tartályban egy ferdén beszerelt csiga felfelé szállítja a szemcséket. E közben a csiga a fal mellett kering. A csiga fordulatszáma kb. 60-80, míg keringési fordulatszáma 2,8 ford/perc. Az építőanyag iparban, az élelmiszeriparban és más iparágakban (pld. a mosószergyártásban) sokszor a szakaszosan működő dobkeverőket alkalmazzák. Ilyen típusú keverőket, 3.14. ábra. Dagasztó elemek melyek jó áramló tulajdonsággal a-szigma keverő, b- diszperziós rendelkező szemcsés anyagok esetén keverő, c- haluszonyos keverő, alkalmaznak, mutat be a 3.16. ábra. A d- fogazott keverő, e-. egyélű legegyszerűbb a forgódobos keverő. Ez keverő. lehet sima belső falú, vagy lehet torlós belső falú is. A szemcseréteg a súrlódás következtében a dobbal együtt mozog, mind addig, míg a nehézségi erő le nem győzi a súrlódási erőt. Ekkor a részecskék lecsúsznak, és végig gördülnek a réteg felületén. A keverő töltésfoka kb. 45%, - 34 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban fordulatszáma kicsi (a kritikus fordulatszám a 30/R0,5) keverési időtartama nagy (néhány perctől órákig is eltarthat). Sok ipari berendezés alkalmazza a kettes csonka kúp, vagy az Y (nadrág) típusú keverődobokat. A 3.16.h ábrán feltüntettük a folytonos üzemeltetésű cikk-cakk keverőt. Ez egy fordulat alatt ide-oda mozgatja a benne levő szemcséket, úgy hogy a sok támolygó mozgás hatására kialakul a homogén keverék. Egy különleges kivitelezésű keverő az u.n. sztatikus keverő. Ez, általában, jó áramlási tulajdonságokkal rendelkező különböző töménységű fluidumok keverését szolgálja. Itt, a csőbe beáramló közegek kinetikai energiáját hasznosítják. Például, két ugyanazon sűrűségű fluidum csőben való keverésekor, ha a két áramot ugyanazon a részen vezetjük be, elég jó homogenitást kapunk kb. (50-100)d úthossz után (d- csőátmérő). A Rek-szám növekedésével a szükséges csőhossz rövidülhet. Ha a két fluidum között kicsi a sűrűség 3.15. ábra. Csigás porkeverő: 1-üritő,2különbség, akkor az átmérő kúpos edény, 3-motor, 4-hajtókerék, 5-kar, százszorosa elég, ha pedig nagy, 6-csigatest, 7- anyag akkor 300 szoros hossz szükséges. Ha terelőlemezeket építünk a csőbe, akkor sokkal jobb homogenitást tudunk biztosítani rövidebb csőhosszon. Egy ilyen típusú keverő hidrodinamikáját mutatja be a 3.17. ábra. Egy elem hossza kb. a csőátmérő kétszerese. Ugyancsak ilyen típusú keverőelemet mutat be a 3.18. ábra. Itt a Sulzer típusú keverő elvi vázlatát (a) láthatjuk, ahol a lemezek úgy vannak beépítve, hogy a kialakuló hullámhegyek egymást keresztezik (b), ezzel növelve a keverési hatást.

- 35 -

Keverési műveletek és berendezések

3.16. ábra. Porok keverésére alkalmazható keverők: a- hengeres, b- hatszögű, c- átlósan elhelyezett, d-e két csonka kúpos, f-tetraéder keverő, g- nadrágcsöves keverő, h- folytonos cikk-cakk keverő [Fonyó-Fábry].

3.17. ábra. Sztatikus keverő hidrodinamikai vázlata és rétegszáma [FonyóFábry]. - 36 -

Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban

3.18. ábra. Sulzer típusú sztatikus keverő [Fonyó-Fábry]. A gáz-folyadékkeverést általában mechanikus keverőszerkezet nélkül végzik, de vannak példák az egyidejű, mechanikus és pneumatikus keverésre is (lásd a 3.19 a ábrát). Az ilyen berendezéseket általában pneumatikus keverőknek is nevezik. A legegyszerűbb ilyen keverő a perforált csövekből készült (lásd a 3.19 b). A gáz

3.19. ábra. Pneumatikus keverők: a) pneumatikus és mechanikus keverő, b) pneumatikus keverő kád, c) gázlift keverő. bevitelre más megoldásokat is alkalmazhatunk. Ilyenek például a 3.19c ábrán bemutatott gáz-liftkeverő típus is. A központi csőbe bevitt levegő egy felfelé irányuló áramlást idéz elő, s így az axiális keverés segítségével megoldható a homogenizálás.

- 37 -