Roerreactor: soorten aandrijvers, mengregimes en ontwerp van de warmteoverdracht

Roerreactor: waaiertypen, mengregimes en ontwerp van warmteoverdracht

Het beantwoorden van de kernvraag:Wat is een roerreactor?Een roerreactor is een vat waarin een mechanisch aangedreven waaier, gemonteerd op een centrale as, de inhoud mengt om tijdens een reactie vermenging, warmteoverdracht, gasdispersie of suspensie van vaste stoffen te bereiken, in plaats van te vertrouwen op de stroom van pompen of de reactie zelf. Het roerwerk, en niet de schaal, is het hart van de machine, en de selectie ervan volgt de taak: een turbine met schuine schoepen of draagvleugelboot voor mengen met lage afschuiving, een Rushton-turbine voor gasverspreiding, of een anker en spiraalvormig lint voor viskeuze en warmteoverdracht. De belangrijkste technische parameters zijn het vermogensgetal, dat de motorgrootte bepaalt, het Reynoldsgetal, dat aangeeft of de stroming laminair of turbulent is, en de tipsnelheid, die zowel de mengintensiteit als de schuifkracht die de inhoud ervaart, bepaalt. Als u de waaier verkeerd gebruikt, is de reactie verstoken van menging, raakt plaatselijk oververhit of stopt de katalysator nooit.

1. De waaiertypen en wat ze allemaal doen

De waaierkeuze bepaalt of de reactor mengt, verwarmt, verspreidt of suspendeert:

• Axiale stroomturbines en draagvleugelboten:Turbines met schuine schoepen en moderne vleugelvleugelwaaiers duwen de vloeistof grotendeels langs de as van de as, waardoor een sterke bulkcirculatie ontstaat met weinig afschuiving en een laag vermogen per stroomeenheid, waardoor ze de standaard zijn voor mengen, homogeniseren en opschorten van vaste stoffen, waarbij het doel is om de hele batch te verplaatsen. Hun energiegetal is laag, ongeveer 0,3-1,5, dus ze zijn energiezuinig voor grote volumes, en ze genereren een lus van boven naar beneden die vaste stoffen van de vloer houdt. Voor de meeste vloeistof-vloeistofmengingen en om een ​​katalysator in suspensie te houden, is een draagvleugelboot met axiale stroming op één of twee niveaus de eerste keuze, omdat deze de meeste vloeistof verplaatst met het minste vermogen en de hoge schuifkracht vermijdt die schuifgevoelige producten zou beschadigen of lucht zou meesleuren.
• Rushton- en radiale turbines voor gas- en intensieve menging:De Rushton-turbine is een schijfrotor met platte schoepen die vloeistof radiaal rondslingert, waardoor twee krachtige horizontale lussen ontstaan ​​en, cruciaal, een uitstekend gasverspreidingsvermogen wanneer hij van onderaf wordt doorgeblazen. Daarom domineert hij de hydrogenering en fermentatie, waarbij gas in kleine belletjes moet worden gehakt. Het energiegetal is hoog, ongeveer 4-6, dus het trekt meer stroom voor dezelfde stroom, en het genereert meer afschuiving, wat geschikt is voor gas-vloeistofmassaoverdracht, maar kwetsbare cellen of druppels kan beschadigen. In een hydrogeneringsreactor wordt de Rushton, of een moderne radiale waaier met gebogen schoepen, gecombineerd met een sparger om het grensvlak tussen gas en vloeistof te maximaliseren, omdat de reactiesnelheid vaak wordt bepaald door hoe goed het gas wordt verspreid, en niet alleen door de chemie.
• Anker en spiraalvormig lint voor viskeuze toepassingen:Naarmate de viscositeit boven een paar duizend centipoise stijgt, verliezen turbulente waaiers hun autoriteit omdat de vloeistof niet langer vrijelijk langs de bladen stroomt, en de stroming laminair wordt, Reynoldsgetal lager dan 10. Hier wordt een ankerroerder, een waaier met brede speling die over de muur schraapt, of een spiraalvormig lint dat de vloeistof langs de muur en door het midden naar boven schroeft, gebruikt om de hele massa te verplaatsen en, cruciaal, om de vloeistof bij de verwarmde of gekoelde muur te verversen. Het spiraalvormige lint is de standaard voor polymeren, pasta's en slurries met een hoog vaste stofgehalte, juist omdat warmteoverdracht, en niet bulkbeweging, de beperkende stap is, en alleen een wandschrapende waaier een hoge wandzijdecoëfficiënt ondersteunt. Deze waaiers draaien langzaam maar trekken een hoog koppel, dus de aandrijving is afgestemd op koppel in plaats van op snelheid.

2. Mengregimes, opschaling en warmteoverdracht

De reactor is ontworpen rond het regime en de hitte, niet alleen op de waaier:

• Laminaire, transitionele en turbulente stroming:Het Reynoldsgetal, de verhouding tussen traagheids- en stroperige krachten, vertelt het regime: onder ongeveer 10 is de stroming laminair en domineren viskeuze krachten, 10 tot 10.000 is transitioneel en boven 10.000 is de stroming turbulent en domineert de traagheid. Het regime bepaalt zowel de waaier als de opschalingsregel: bij turbulente menging wordt de opschaling vaak op een constante tipsnelheid of constant vermogen per volume gehouden, terwijl deze bij laminaire viskeuze werking op constante wandafschuiving of constant koppel per volume wordt gehouden. De mengtijd daalt van minuten bij turbulente stroming tot veel langer bij laminaire stroming, dus een reactor die in het laboratorium in 2 minuten mengt, kan op grote schaal 20 minuten duren als het regime verkeerd wordt geïnterpreteerd. Het Reynoldsgetal is daarom het eerste getal dat bij elk agitatieontwerp wordt berekend, omdat het elke andere keuze bepaalt.
• Warmteoverdracht via jas en spoel:De meeste geroerde reactoren voegen warmte toe of verwijderen deze via een mantel of een halfpijpspiraal, en de taak van de roerder omvat het vernieuwen van de vloeistof aan de wand, zodat de warmteoverdrachtscoëfficiënt hoog blijft, doorgaans 200-1500 W per vierkante meter Kelvin, afhankelijk van de viscositeit en snelheid. Bij viskeus gebruik domineert de muurfilm de weerstand. Daarom wordt een anker of een spiraalvormig lint gebruikt, dit blijft over de muur vegen. Bij turbulente, lage viscositeitstoepassingen is een eenvoudige turbine voldoende om de coëfficiënt op peil te houden. De jas kan 0,1-10 MPa verwarmings- of koelmedium aan, en voor zeer exotherme reacties wordt dit aangevuld met een externe lus of interne spoel. Een veel voorkomende mislukking bij opschaling is het ontwerpen van de warmteoverdracht op laboratoriumschaal, waar de oppervlakte-volumeverhouding hoog is, en het vinden van de volledige reactor de warmte niet kan verwijderen, omdat de verwijdering schaalt met de oppervlakte, terwijl de opwekking schaalt met het volume.
• Vaste stoffen suspensie, gasverspreiding en afschuiflimieten:Twee taken definiëren veel agitatiereactoren. De suspensie van vaste stoffen, die katalysator of vulmiddel van de vloer houdt, heeft voldoende vermogen nodig, doorgaans 10-40 W/m3, en een axiaal stromingspatroon; de waaier is zo bemeten dat de bezinkingssnelheid van de deeltjes wordt overwonnen door de opwaartse stroming nabij de wand. Voor gasverspreiding zijn een radiale waaier en een sproeier nodig, met een topsnelheid die hoog genoeg is om bellen te breken, maar lager dan de snelheid waarmee vloeistof uit het vat wordt geslingerd of lucht naar het oppervlak wordt meegevoerd. Afschuiving is de beperking die beide begrenst: te veel afschuiving beschadigt cellen, breekt emulsies of verslijt deeltjes, te weinig zorgt voor slecht contact. De roerreactor wordt daarom gespecificeerd door de beperkende parameter van het gebruik, het ophangingsvermogen, de gasverspreiding, de warmteoverdrachtscoëfficiënt of de mengtijd, en de waaier, snelheid en motor worden zo gekozen dat ze hieraan voldoen zonder de afschuiflimiet te overschrijden.

Vergelijkingsmatrix roerreactorwaaier

Veelgestelde vragen (FAQ)

Vraag: Wat is het verschil tussen een Rushton-turbine en een draagvleugelbootwaaier?

A: Ze dienen tegengestelde mengbehoeften. Een Rushton-turbine is een radiale waaier met platte bladen die vloeistof zijwaarts werpt, waardoor krachtige horizontale lussen en een uitstekende gasverspreiding ontstaan, met een hoog vermogensgetal van ongeveer 4-6, waardoor hij meer kracht trekt en meer schuifkracht genereert; het is de keuze voor hydrogenering en fermentatie waarbij gas in fijne belletjes moet worden gehakt. Een draagvleugelboot of waaier met schuine schoepen duwt vloeistof axiaal, waardoor een sterke bulkcirculatie ontstaat bij lage schuifkracht en laag vermogen, ongeveer 0,3-1,5, waardoor het de standaard is voor mengen en suspensie van vaste stoffen, waarbij het doel is om de hele batch efficiënt te verplaatsen. Kortom, kies voor de Rushton als gasverspreiding of intense menging het belangrijkst is, en voor de draagvleugelboot als efficiënt mengen of opschorten met lage afschuiving de prioriteit heeft.

Vraag: Hoe verandert de viscositeit de keuze van het roerwerk?

A: Viscositeit bepaalt het stromingsregime via het Reynoldsgetal en dus de waaier. Beneden een paar duizend centipoise is de stroming turbulent en werken standaardturbines; Naarmate de viscositeit stijgt naar 10.000 cP en hoger, wordt de stroming laminair, wordt het Reynoldsgetal lager dan 10 en verliezen axiale turbines hun autoriteit omdat vloeistof niet langer langs de bladen stroomt. Voor dit regime wordt een anker of, beter nog, een spiraalvormig lint gebruikt, omdat het langs de verwarmde muur schuurt en de hele massa in beweging brengt, waardoor warmteoverdracht in stand wordt gehouden die anders zou instorten. Het spiraalvormige lint is standaard voor polymeren en slurries met een hoog vaste stofgehalte, juist omdat de warmteoverdracht van de wand, en niet de bulkbeweging, beperkend is. De viscositeit verandert dus niet alleen de grootte, maar ook de waaierfamilie, en een verkeerde lezing ervan veroorzaakt zowel slechte menging als onvoldoende verwarming.

Vraag: Waarom mislukt de warmteoverdracht bij het opschalen van een roerreactor?

A: Omdat de warmteopwekking schaalt met het volume, terwijl de warmteafvoer toeneemt met het oppervlak, en de verhouding verslechtert naarmate het vat groeit. Op laboratoriumschaal is de oppervlakte-volumeverhouding hoog, waardoor een mantel de reactiewarmte gemakkelijk afvoert; op volledige schaal genereert dezelfde chemie veel meer warmte per eenheid wandoppervlak, en als het roerwerk de vloeistof aan de wand niet kan vernieuwen, daalt de coëfficiënt verder. De klassieke mislukking is het ontwerpen van warmteoverdracht vanuit een klein vat en het ontdekken dat de productiereactor oververhit raakt of wegloopt. De oplossing is om het roerwerk te specificeren voor de warmteoverdrachtscoëfficiënt, 200-1500 W/m2K, afhankelijk van de viscositeit en snelheid, vaak met behulp van een wandschraapwaaier voor stroperige toepassingen of het toevoegen van een spoel of externe lus, en om de wandafschuiving of het vermogen per volume op te schalen in plaats van alleen de tipsnelheid.

Vraag: Hoe wordt een roerreactor gespecificeerd voor de suspensie van vaste stoffen?

A: Door het vermogen dat nodig is om de vaste stof van de vloer te houden en gelijkmatig verdeeld te zijn, doorgaans 10-40 W per kubieke meter suspensie, gecombineerd met een waaier met axiale stroming die een opwaartse stroming nabij de muur creëert om de bezinkingssnelheid van de deeltjes tegen te gaan. De waaierdiameter, snelheid en aantal niveaus zijn zo gekozen dat aan de net opgehangen toestand, waarbij geen enkel deeltje langer dan een moment op de bodem rust, wordt voldaan over het hele werkingsbereik, en niet alleen bij het ontwerp. Voor dichte of grove vaste stoffen zijn de bodemvrijheid en de pomprichting net zo belangrijk als het vermogen. De reactor wordt daarom eerst gedimensioneerd op basis van het suspensiecriterium en vervolgens gecontroleerd op menging, warmteoverdracht en eventuele gasverspreiding, omdat een roerder die goed mengt maar de katalysator laat bezinken, nutteloos is voor een heterogeen gekatalyseerde reactie.