Vícefázové reaktory. MÍCHÁNÍ ve vsádkových reaktorech

Vícefázové reaktory

MÍCHÁNÍ ve vsádkových reaktorech

Úvod 

vsádkový reaktor s mícháním 

nejběžnější typ zařízení



velké rozmezí velikostí aparátů malotonážní – desítky litrů (léčiva, chemické speciality, …)  velkotonážní – stovky m3 (polymerace, fermentace, …) 



zejména vhodný typ zařízení: pro malá víceúčelová zařízení  tam, kde doba zdržení ovlivňuje kvalitu produktu  tam, kde je nutné častější čištění zařízení 

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

Faktory ovlivňující míchání 

vsádka  



časová změna vlastností vsádky  



homogenní (roztoky, mísitelné kapaliny, …) heterogenní (dvoufázové a třífázové systémy)

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

Účinky mechanického míchání 

homogenizování mísitelných kapalin  



dispergování  



nemísitelných kapalin (včetně emulgování) plynu v kapalině

suspendování 



nízkoviskózních x vysokoviskózních vyrovnávání koncentračních gradientů

udržování tuhých částic (např. katalyzátoru) ve vznosu

sdílení tepla (intenzifikace přenosu tepla)  

přestup tepla na teplosměnných plochách minimalizace teplotních rozdílů v reakční směsi


rozdělení účelů míchání v průmyslové praxi


vliv míchání na režim reakce



 

A - difúzní B - přechodový C - kinetický

Režim míchání 

charakter proudění tekutiny

AXIÁLNÍ

RADIÁLNÍ

TANGENCIÁLNÍ

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

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


POMALOBĚŽNÁ MÍCHADLA  



používají se vždy bez zarážek pro míchání velmi viskózních směsí

Typy pomaloběžných míchadel

kotvové

šnekové

pásové


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


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


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


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


PŘÍKONOVÉ CHARAKTERISTIKY 

Reynoldsovo kritérium pro míchání 



bezrozměrné

Eulerovo kritérium pro míchání 

bezrozměrné

ReM 

n d2  



P Eu M    n3  d 5

P = příkon míchadla [W]; d = průměr míchadla [m]; n = frekvence otáčení [s-1] ρ = hustota vsádky [kg/m3]; η = dynamická viskozita vsádky [Pa.s] 

příkon míchadel, zvláště typizovaných, se při standardním uspořádání určuje závislostí EuM = f (ReM)


ZÁVISLOST EuM = f (ReM) některých míchadel

a) kotvové, b) šnekové, c) pásové, d) Rushtonova turbína, e) šikmé lopatky, f) „hydrofoil“


ZÁVISLOST EuM = f (ReM) některých míchadel AUTOMODELOVÁ OBLAST = oblast s plně rozvinutou turbulencí (Re > 104), kde již příkonové kritérium rychloběžných míchadel nezávisí na Reynoldsově kritériu


Speciální případ míchání reaktoru 

smyčkový reaktor firmy BUSS

přestup tepla

transport tepla

CSTR

80 - 90

2000 - 3000

probublávaná věž

40 - 50

1100 - 1700

140 - 150

3000 - 8000

typ reaktoru

Buss


Speciální případ míchání reaktoru 

reaktory s košem na tabletový katalyzátor

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

Vícefázové reaktory. MÍCHÁNÍ ve vsádkových reaktorech

Recommend Documents