混ぜた原子炉: 推進器の種類,混合方式,熱伝送設計

撹拌反応器: インペラの種類、混合方式、および伝熱設計

核心的な質問への答え:撹拌反応器とは何ですか?撹拌反応器は、ポンプからの流れや反応自体に依存するのではなく、反応中に中央シャフトに取り付けられた機械駆動のインペラが内容物を混合し、混合、熱伝達、ガス分散、または固体懸濁を実現する容器です。シェルではなく撹拌機が機械の心臓部であり、その選択は役割に応じて行われます。低せん断混合にはピッチブレードまたは水中翼タービン、ガス分散にはラッシュトン タービン、粘性と熱伝達にはアンカーとヘリカル リボンが使用されます。主要なエンジニアリングパラメータは、モーターのサイズを設定するパワー数、流れが層流か乱流かを示すレイノルズ数、および混合強度と内容物のせん断の両方を設定する先端速度です。インペラを間違えると、反応が混合できなくなり、局所的に過熱したり、触媒がまったく停止したりすることになります。

1. インペラの種類とそれぞれの機能

インペラの選択により、リアクターがブレンド、加熱、分散、または懸濁するかどうかが決まります。

• 軸流タービンと水中翼船:ピッチブレードタービンと最新の水中翼羽根車は、主にシャフト軸に沿って流体を押し出し、低せん断力と単位流量あたりの低出力による強力なバルク循環を生成します。そのため、バッチ全体を移動させることが目的の混合、均質化、固体懸濁のデフォルトとなっています。パワー数は約 0.3 ～ 1.5 と低いため、大量のエネルギー効率が高く、固形物が床につかないように上から下へのループを生成します。ほとんどの液液混合や触媒を懸濁液に保持する場合、1 ～ 2 レベルの軸流水中翼が第一選択です。これは、最小限の電力で最も多くの流体を移動させ、せん断に敏感な製品に損傷を与えたり、空気を巻き込んだりする高せん断を回避するためです。
• ガス混合および強力混合用のラッシュトンタービンおよびラジアルタービン:Rushton タービンはフラットブレードのディスクローターで、流体を放射状に噴射し、2 つの活発な水平ループを形成します。また、重要なことに、下からスパージされる際に優れたガス分散能力を発揮します。そのため、ガスを小さな泡に切り刻まなければならない水素添加や発酵で優位に立つのです。その出力数は約 4 ～ 6 と高く、同じ流れに対してより多くの出力を消費し、より多くのせん断を生成します。これは気液物質移動に適していますが、壊れやすい細胞や液滴に損傷を与える可能性があります。水素化反応器では、Rushton (最新の湾曲ブレード放射状インペラ) をスパージャーと組み合わせて、気液界面面積を最大化します。これは、反応速度は、多くの場合、化学反応だけではなく、ガスがどの程度うまく分散されているかによって設定されるためです。
• 粘性負荷用のアンカーとヘリカルリボン:粘度が数千センチポアズを超えて上昇すると、流体がブレードを自由に流れなくなり、流れが層流になり、レイノルズ数が 10 未満になるため、乱流インペラは権威を失います。ここでは、アンカー撹拌機、壁をこする幅広で間隙が狭いインペラ、または流体を壁に沿って上向きに中心に向かってねじ込む螺旋状のリボンが、全体の塊を動かし、重要な意味で再生するために使用されます。加熱または冷却された壁の流体。らせん状リボンがポリマー、ペースト、高固形分スラリーの標準となっているのは、まさにバルク運動ではなく熱伝達が制限ステップであり、壁を削る羽根車のみが高い壁側係数を維持しているためです。これらのインペラはゆっくりと回転しますが、高いトルクを引き出すため、ドライブは速度ではなくトルクを重視します。

2. 混合レジーム、スケールアップおよび熱伝達

原子炉は、インペラ単独ではなく、状況と熱を中心に設計されています。

• 層流、過渡流、乱流:粘性力に対する慣性力の比であるレイノルズ数は、その状況を表します。約 10 未満では流れは層流で粘性力が支配的であり、10 ～ 10,000 では過渡的であり、10,000 を超えると流れは乱流で慣性が支配的になります。レジームは、インペラとスケールアップのルールの両方を決定します。乱流ブレンディングでは、スケールアップは多くの場合、一定の先端速度または体積当たりの一定の出力に保たれますが、層流粘性負荷では、一定の壁せん断力または体積当たりの一定のトルクに保たれます。混合時間は、乱流では数分から、層流でははるかに長くなります。そのため、研究室では 2 分で混合するリアクターでも、計画を誤ると大規模では 20 分かかる可能性があります。したがって、レイノルズ数は他のすべての選択肢を設定するため、あらゆる撹拌設計で計算される最初の数になります。
• ジャケットとコイルを介した熱伝達:ほとんどの撹拌型反応器は、ジャケットまたはハーフパイプ コイルを介して熱を追加または除去します。撹拌機の仕事には、熱伝達係数を高く保つため、壁の流体を更新することが含まれます (粘度と速度に応じて通常 200 ～ 1500 W/平方メートル ケルビン)。粘性のあるサービスでは、壁フィルムが抵抗を支配するため、アンカーまたは螺旋リボンが使用され、壁をスイープし続けます。乱流の低粘度使用では、係数を維持するには単純なタービンで十分です。ジャケットは 0.1 ～ 10 MPa の加熱媒体または冷却媒体を処理し、非常に発熱する反応の場合は外部ループまたは内部コイルがそれを補います。スケールアップの一般的な失敗は、表面積と体積の比が高い実験室スケールで熱伝達を設計し、実物大の反応器では熱を除去できないことが判明することです。これは、除去は面積に比例する一方、生成は体積に比例するためです。
• 固体の懸濁、ガス分散、せん断限界:多くの撹拌リアクターは 2 つの役割によって定義されます。固体懸濁液は、触媒や充填剤を床から遠ざけるために、十分な電力 (通常 10 ～ 40 W/m3) と軸流パターンが必要です。インペラは、粒子の沈降速度が壁近くの上向きの流れによって克服されるようなサイズになっています。ガスの分散には放射状のインペラとスパージャーが必要で、その先端速度は泡を壊すのに十分な速度ですが、容器から液体を飛ばしたり、表面で空気を巻き込んだりする速度よりも低くなります。せん断は両方を制限する制約です。せん断が大きすぎると細胞に損傷を与えたり、エマルジョンを破壊したり粒子を摩耗させたりします。せん断が小さすぎると接触不良が残ります。したがって、撹拌反応器は、負荷の制限パラメータ、懸濁力、ガス分散、熱伝達係数または混合時間によって指定され、インペラ、速度、およびモーターは、せん断限界を超えずにそれを満たすように選択されます。

撹拌反応器羽根車比較表

よくある質問 (FAQ)

Q: Rushton タービンと水中翼羽根車の違いは何ですか?

A: これらは反対の混合ニーズに対応します。 Rushton タービンは、流体を横に投げて、活発な水平ループと優れたガス分散を生み出すフラットブレードのラジアルインペラで、出力数が約 4 ～ 6 と高いため、より多くの出力を引き出し、より多くのせん断を生成します。ガスを細かい気泡に砕く必要がある水素添加や発酵に最適です。水中翼またはピッチブレードのインペラが流体を軸方向に押し出し、低せん断および低出力（約 0.3 ～ 1.5）で強力なバルク循環を実現します。これは、バッチ全体を効率的に移動させることが目的の混合および固体懸濁液のデフォルトとなっています。つまり、ガスの分散や激しい混合が最も重要な場合にはラッシュトンを選択し、効率的な低せん断混合や懸濁が優先される場合には水中翼を選択してください。

Q: 粘度によって撹拌機の選択はどのように変わりますか?

A: 粘度はレイノルズ数、つまりインペラを介して流れの状態を設定します。数千センチポアズ以下では流れが乱流になり、標準的なタービンが作動します。粘度が 10,000 cP に向かって上昇し、それを超えると、流れが層流になり、レイノルズ数が 10 を下回り、流体がブレードを通過できなくなるため、軸流タービンは権威を失います。この体制では、アンカー、あるいはもっと良いのは螺旋状のリボンが使用されます。これは、アンカーが加熱された壁をこすって塊全体を動かし、さもなければ崩壊してしまう熱伝達を維持するためです。らせん状リボンは、まさにバルク運動ではなく壁熱伝達が制限されるため、ポリマーおよび高固形分スラリーの標準となっています。そのため、粘度はサイズを変えるだけでなく、インペラのファミリーも変更し、粘度の読み取りを誤ると、混合不良と不十分な加熱の両方を引き起こします。

Q: 撹拌リアクターをスケールアップすると熱伝達が失敗するのはなぜですか?

A: 熱の発生は体積に比例するのに対し、熱の除去は表面積に比例するため、容器が大きくなるにつれて比率は悪化します。実験室規模では、表面積対体積比が高いため、ジャケットは反応熱を簡単に除去します。フルスケールでは、同じ化学反応により壁の単位面積あたりはるかに多くの熱が発生し、撹拌機が壁のところで流体を更新できない場合、係数はさらに低下します。典型的な失敗は、小さな容器からの熱伝達を設計し、生産反応器が過熱または暴走することを発見することです。修正方法は、撹拌機の熱伝達係数を粘度と速度に応じて 200 ～ 1500 W/m2K に指定することです。多くの場合、粘性負荷のために壁掻き羽根車を使用するか、コイルまたは外部ループを追加します。また、先端速度のみではなく、壁せん断力または体積あたりの出力に基づいてスケールアップします。

Q: 固体懸濁液用の撹拌リアクターはどのように指定されていますか?

A: 固体を床から遠ざけ、均一に分散させるのに必要な電力 (通常、懸濁液 1 立方メートルあたり 10 ～ 40 W) と、粒子の沈降速度に対抗するために壁付近に上向きの流れを作り出す軸流インペラを組み合わせたものです。インペラの直径、速度、レベルの数は、設計時だけでなく動作範囲全体にわたって、一瞬以上粒子が底にない、浮遊直後の状態が満たされるように選択されます。高密度または粗い固体の場合、パワーと同じくらいオフボトムクリアランスとポンプの方向が重要です。したがって、反応器は最初に懸濁基準に基づいてサイズ設定され、次に混合、熱伝達、およびガス分散をチェックします。これは、よく混合しても触媒を沈降させる撹拌機は不均一触媒反応には役に立たないためです。