pobierz plik artykułu - Inżynieria i Aparatura Chemiczna

Prosimy cytować jako: Inż. Ap. Chem. 2013, 52, 5, 455-456
INŻYNIERIA I APARATURA CHEMICZNA
Nr 5/2013
str. 455
Kinga OLEJNICZAK, Piotr WESOŁOWSKI
e-mail: piotr.wesoł[email protected]
Zakład Inżynierii Procesowej, Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Wydział Technologii Chemicznej, Politechnika Poznańska, Poznań
Badanie wpływu jednoczesnej zmiany kąta pochylenia łopatek i wału
mieszadła na proces wytwarzania zawiesiny lekkich cząstek
Wstęp
Wytwarzanie zawiesin lekkich cząstek unoszących się na powierzchni cieczy, z uwagi na ich niższą gęstości od gęstości cieczy, w której
są dyspergowane wymaga bardzo intensywnego mieszania. Stan dobrej
dyspersji stosunkowo łatwo osiągnąć można w mieszalniku wyposażonym w przegrody, których obecność znacznie intensyfikuje burzliwość
mieszanego układu. W przemyśle spożywczym i farmaceutycznym stosowanie przegród ze względu na konieczność łatwej sterylizacji aparatury nie jest zalecane.
W pracy przeprowadzono badania dyspergowania lekkich cząstek
w mieszalniku, który nie posiadał przegród. Parametrami, które zmieniano były: kąt pochylenia łopatek względem płaszczyzny obrotu mieszadła α oraz kąt pochylenia wału względem osi obrotu mieszadła β.
W toku badań analizowano wpływ zmiany obu kątów na nakłady energetyczne konieczne do wytwarzania dobrze zdyspergowanego modelowego układu dwufazowego za pomocą sześciołopatkowego mieszadła
turbinowego bez tarczy.
2/3 H w identycznej odległości od ściany aparatu wynoszącej l = ¼ D.
Podczas kolejnych testów eksperymentalnych zmieniano kąt pochylenia łopatek względem płaszczyzny obrotu mieszadła α = 15, 30, 45, 60,
75, 90 [°] oraz pochylano niecentrycznie wprowadzony do zbiornika
wał względem osi aparatu pod kątem β = 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30 [°].
Badania doświadczalne
Metodyka badań
W pracy dyspergowano regranulat polietylenu o średnicy cząstek
dp ∈ 〈5,5÷6,3) [mm] w wodzie, o temperaturze t = 20°C. Podczas
wszystkich serii pomiarowych zachowywano stały stosunek masowy
fazy rozpraszanej do rozpraszającej Gs/Gw = 0,05. Podczas badań reje-1
strowano zadawane częstości obrotów mieszadła n [s ] oraz moment
skręcający wał mieszadła M [Nm]. Stosowano oryginalny momentomierz własnej konstrukcji [Wesołowski i in., 2009]. Na podstawie pomiarów wykreślono zależność M = f(n) oraz wyliczono moc mieszania
P [W]. Analiza nakładów energetycznych, pozwalała wykreślać klasyczne charakterystyki mocy Ne = f(Re) bazujące na modułach Newtona i Reynoldsa zmodyfikowanych dla procesu mieszania.
Zasadniczym celem badań było porównanie przebiegu procesu dyspergowania lekkich cząstek przy jednoczesnej zmianie kąta pochylenia
wału β i łopatek mieszadła α. W toku badań fotografowano wytwarzany układ dwufazowy w celu uchwycenia początku dyspersji oraz stanu
pełnego zdyspergowania. Jako kryterium osiągnięcia w mieszalniku
pełnej homogenizacji przyjęto zmodyfikowane kryterium Zwieteringa,
które zakłada, że cząstki nie pozostają dłużej niż jedną sekundę na powierzchni cieczy.
Stanowisko pomiarowe
Doświadczenia przeprowadzono na stanowisku do badania procesu
mieszania w skali technicznej [Wesołowski, 2009], wyposażonym w silnik indukcyjny z obcym chłodzeniem (SHK L-04) o mocy P = 1,5 kW
sterowany falownikiem częstotliwości Varispeed V7. Falownik zapewnia możliwość zmiany częstości obrotów mieszadła w zakresie 0 < n
-1
[s ] < 23,5. Natomiast konstrukcja stanowiska umożliwia zmianę kąta
pochylenia wału mieszadła względem osi aparatu w zakresie 0 < β < 30
[°] oraz płynną zmianę wysokości zawieszenia mieszadła w zakresie
0 < h< 1,5 [m]. Rys. 1 przedstawia skrajne położenia wału mieszadła
stosowane w badaniach.
Proces prowadzono w przezroczystym płaskodennym zbiorniku nieposiadającym przegród, o średnicy D = 0,375 m. Testowano uniwersalne mieszadło turbinowe własnej konstrukcji [Wesołowski i in., 2011]
z sześcioma prostokątnymi łopatkami o średnicy d = 0,125 m (D/d = 3),
generujące w mieszalniku osiowy przepływ skierowany w górę, kierunku zwierciadła cieczy. W każdym przypadku przy standardowym
napełnieniu zbiornika H = D mieszadło pracowało na wysokości h =
Rys. 1. Usytuowanie mieszadła w zbiorniku przy skrajnej zmianie kąta pochylenia
wału
Wyniki pomiarów i ich analiza
Prowadząc proces wytwarzania zawiesiny lekkich cząstek polietylenu w wodzie przy identycznym usytuowaniu mieszadeł w zbiorniku,
porównano pracę turbin z sześcioma prostokątnymi łopatkami pochylanymi pod sześcioma różnymi kątami α, przy jednoczesnej siedmiokrotnej zmianie kąta nachylenia wału β. Wyniki otrzymane przy skrajnych
pozycjach wału dla wszystkich badanych mieszadeł w postaci klasycznych charakterystyk momentometrycznych przedstawiono na rys. 2.
Rys. 2. Zależności M = f(n) uzyskane dla badanych pochyleń łopatek mieszadła α:
a) przy braku pochylenia wału β = 0°; b) przy największym pochyleniu wału β = 30°
Prosimy cytować jako: Inż. Ap. Chem. 2013, 52, 5, 455-456
str. 456
INŻYNIERIA I APARATURA CHEMICZNA
Uzyskane wyniki pokazują znaczący wpływ kąta pochylenia łopatek
mieszadła α na przebieg charakterystyk momentometrycznych uzyskiwanych podczas dyspergowania lekkich cząstek polietylenu w wodzie.
Wraz ze wzrostem kąta pochylenia łopatek wyraźnie wzrasta rejestrowany moment skręcający wał mieszadła w całym badanym zakresie
częstości obrotów, niezależnie od kąta pochylenia wału β.
Jak widać na rys. 2a i b, punkty uzyskane eksperymentalnie dla mieszadeł z łopatkami pochylonymi pod kątem α = 45° charakteryzują się
najwęższym zakresem zmienności zadawanej częstości obrotów. Tym
samym w przypadku turbiny z sześcioma łopatkami pochylonymi pod
kątem α = 45°, pierwsze oznaki dyspersji oraz stan dobrej dyspersji
obserwowano w mieszalniku przy najniższych częstościach obrotów,
niezależnie od kąta β, pod jakim pochylany był wał mieszadła. Stwierdzenie to zilustrowano na rys. 3, wykreślając zależność rejestrowanych
fotograficznie minimalnych częstości obrotów nk od kąta pochylenia
łopatek mieszadła α obserwowanych, gdy w mieszalniku pojawiały się
pierwsze oznaki dyspersji oraz gdy osiągano stan dobrej dyspersji.
Rys. 3. Porównanie zależności minimalnych częstości obrotów n od kąta pochylenia
łopatek mieszadła a przy kącie pochylania wału β = 15o
Pokazane na rys. 3 przykładowe wyniki prowadzonych doświadczalnie obserwacji uzyskano dla mieszadeł o różnym kącie pochylenia łopatek α, pracujących na wale pochylonym pod kątem β = 15°. Wyniki
otrzymane dla innych badanych pochyleń wału były porównywalne.
Omawiane rezultaty wskazują, że mieszadło z łopatkami pochylonymi
pod kątem α = 45°, pozwala wytworzyć dobrze zdyspergowany układ
dwufazowy w mieszalniku bez przegród przy najniższej częstości obrotów nk. Tym samym wymaga ono najniższych nakładów energetycznych na osiągniecie pożądanego stanu dobrej dyspersji w mieszalniku
bez przegród niezależnie od kąta pochylenia wału mieszadła.
Bardzo podobny charakter przebiegu krzywych momentometrycznych uzyskany dla dwóch skrajnych kątów pochylenia wału mieszadła
β pokazany na rys. 2, sugeruje znikomy wpływ tego parametru operacyjnego na nakłady energetyczne ponoszone podczas wytwarzania
zawiesiny lekkich cząstek w mieszalniku bez przegród. Spostrzeżenie
to potwierdzają wyniki uzyskane dla wszystkich badanych kątów pochylenia wału.
Na rys. 4 przykładowo pokazano porównanie przebiegu klasycznych
zależności mocy mieszania od częstości obrotów mieszadła. Porównano wyniki uzyskane dla dwóch mieszadeł o skrajnie różnym pochyleniu
łopatek (α = 15° i α = 90°), które pracowały przy wybranych identycznych kątach pochylenia wału wynoszących odpowiednio β = 5°; 15°
i 25°. Jak pokazano na rys. 4 wyniki uzyskane przy różnych pochyleniach wału dla tych samych mieszadeł są praktycznie nierozróżnialne.
Dowodzi to, że pochylenie wału mieszadła nie ma wpływu na moc mieszania podczas wytwarzania zawiesiny lekkich cząstek w mieszalniku
bez przegród. Jednocześnie omawiane wyniki jednoznacznie potwierdzają (Rys. 4), że moc mieszania zdecydowanie zależy od kąta pochylenia łopatek mieszadła.
Znajomość mocy na wale mieszadła pozwoliła wykreślić klasyczne
charakterystyki mocy mieszania, które dla każdego badanego pochylenia wału jednoznacznie wykazały występowanie istotnego wpływu
kąta pochylenia łopatek mieszadła na wartości liczby mocy Newtona
Nr 5/2013
Rys. 4. Zależności P = f(n) uzyskane dla wybranych pochyleń wału mieszadła β
przy skrajnych stosowanych pochyleniach łopatek α = 90°oraz α = 15°
Rys. 5. Charakterystyki mocy mieszania dla mieszadeł z łopatkami pochylonymi pod
kątem α, pracującymi na wale pochylonym pod kątem dla β = 15°
Ne w całym osiąganym podczas badań zakresie zmienności liczby Reynoldsa Re (Rys. 5). Moduły Ne, Re wyliczano w oparciu o parametry
fizyczne fazy ciągłej.
Na rys. 5 pokazano przykładowe przebiegi charakterystyk mocy mieszania uzyskane doświadczalnie dla mieszadeł z łopatkami pochylonymi pod badanymi kątami α, które pracowały na wale nachylonym do osi
zbiornika pod kątem β = 15°. Wszystkie wykreślone zależności wykazują tendencję do stabilizacji na określonym poziomie po wystąpieniu
burzliwości w układzie. Nie mniej jednak, im mniejszy kąt pochylenia
łopatek α, tym zjawisko to występuje przy wyższych wartościach liczby
Reynoldsa, niezależnie od kąta pochylenia wału mieszadła β.
Wnioski
Podczas wytwarzania zawiesiny lekkich cząstek w mieszalniku bez
przegród ze wzrostem kąta pochylenia łopatek mieszadła α wyraźnie
wzrasta rejestrowany moment skręcający wał, a tym samym moc mieszania w całym badanym zakresie częstości obrotów n, niezależnie od
kąta pochylenia wału względem osi zbiornika β.
Zarówno pierwsze oznaki dyspersji jak i stan dobrej dyspersji obserwowano w mieszalniku przy najniższych częstościach obrotów, gdy
stosowano mieszadło turbinowe z sześcioma łopatkami pochylonymi
pod kątem α = 45°, niezależnie od kąta β, pod jakim pochylany był wał
mieszadła.
LITERATURA
Wesołowski P., 2009. Stanowisko do badania procesu mieszania w skali technicznej. Inż. Ap. Chem., 48, nr 1, 122-123
Wesołowski P., Alejski K., 2009. Nowe rozwiązanie konstrukcyjne momentomierza do wyznaczania mocy mieszania. Materiały VI Kongresu Technologii
Chemicznej, Warszawa, t. 2, 281-282
Wesołowski P., Pawłowicz M., Alejski K., 2011. Rozwiązanie konstrukcyjne
uniwersalnego mieszadła turbinowego o zmiennej średnicy, liczbie i kącie
pochylenia łopatek. Przem. Chem., 90, nr 9, 1698-1701
Praca została wykonana w ramach działalności statutowej Politechniki Poznańskiej nr 32-267/13 DS-PB.