Helical Ribbon¶
Samenvatting¶
Een Helical Ribbon Impeller (spiraalbandroerder) is een langzaam draaiend menggereedschap dat speciaal is ontwikkeld voor het mengen van zeer hoogviskeuze producten. De impeller bestaat uit één of meerdere spiraalvormige banden (ribbons) die dicht langs de tankwand lopen.
Door de spiraalvorm wordt het product zowel axiaal (omhoog en omlaag) als radiaal (van en naar de wand) verplaatst. Hierdoor ontstaat een efficiënte menging van producten die nauwelijks vanzelf stromen.
Binnen Jongia wordt een helical ribbon toegepast voor processen waarbij standaard impellers, zoals propellers of turbines, onvoldoende mengwerking leveren. Typische toepassingen zijn pasta's, polymeren, lijmen, crèmes, siliconen, voedingsmiddelen en andere producten met een zeer hoge viscositeit.
Theorie¶
Wat is een Helical Ribbon?¶
Een helical ribbon bestaat uit een centrale as waaraan één of meerdere spiraalvormige banden zijn bevestigd.
De ribbon volgt vrijwel de volledige hoogte van de tank.
Tijdens het draaien beweegt de spiraal het product continu langs de tankwand en door het midden van de tank.
De impeller lijkt enigszins op een grote schroef of spiraal, maar is ontworpen voor mengen in plaats van transporteren.
Werkingsprincipe¶
De spiraalvorm zorgt voor een gecontroleerde stroming.
Afhankelijk van de draairichting:
- beweegt het product langs de wand omhoog;
- stroomt het product door het midden weer omlaag;
of precies andersom.
Hierdoor ontstaat een gesloten circulatie waardoor ook zeer dikke producten homogeen kunnen worden gemengd.
Stromingspatroon¶
Een helical ribbon veroorzaakt voornamelijk:
- sterke axiale stroming;
- stroming langs de tankwand;
- beperkte radiale stroming;
- zeer weinig turbulentie.
Het mengproces is gebaseerd op het gecontroleerd verplaatsen van grote hoeveelheden product, niet op hoge snelheid.
Waarom een Helical Ribbon?¶
Bij zeer hoge viscositeiten ontstaan nauwelijks natuurlijke stromingen.
Een propeller zou dan vooral een klein gebied rondom de impeller in beweging brengen.
Een helical ribbon:
- verplaatst vrijwel het volledige productvolume;
- voorkomt stilstaande zones;
- zorgt voor een gelijkmatige temperatuurverdeling;
- levert een homogeen mengresultaat.
Toepassingen¶
Typische producten zijn:
- lijmen;
- kitten;
- siliconen;
- polymeren;
- pasta's;
- cosmetische crèmes;
- tandpasta;
- voedingsmiddelen;
- deeg;
- hoogviskeuze chemicaliën.
De viscositeit kan oplopen tot enkele miljoenen mPa·s.
Toerental¶
Helical ribbon impellers draaien langzaam.
Afhankelijk van de toepassing ligt het toerental vaak tussen:
- 5 en 50 rpm.
Een laag toerental voorkomt:
- overmatige warmteontwikkeling;
- productbeschadiging;
- hoge mechanische belasting.
De benodigde aandrijving levert vooral een hoog koppel.
Wandafstand¶
De ribbon loopt dicht langs de tankwand.
Hierdoor:
- wordt product van de wand meegenomen;
- ontstaan nauwelijks dode zones;
- wordt warmte efficiënt overgedragen.
De afstand wordt zorgvuldig berekend tijdens het ontwerp.
Wandafschrapers¶
Bij verwarmde of gekoelde tanks worden regelmatig afschrapers toegepast.
Deze zijn vaak gemaakt van:
- PTFE;
- UHMW-PE;
- speciale kunststoffen.
Zij voorkomen:
- aankoeken;
- productopbouw;
- slechte warmteoverdracht.
Enkelvoudige en dubbele ribbon¶
Er bestaan verschillende uitvoeringen.
Enkelvoudige ribbon¶
Eén spiraalband rondom de as.
Geschikt voor veel standaardtoepassingen.
Dubbele ribbon¶
Twee tegengestelde spiralen.
Voordelen:
- betere circulatie;
- homogener mengresultaat;
- hogere capaciteit.
Wordt toegepast bij grote tanks of zeer moeilijke producten.
Helical Ribbon versus Anchor¶
Hoewel beide impellers langzaam draaien, verschillen zij duidelijk.
| Helical Ribbon | Anchor |
|---|---|
| Spiraalvormige band | Ankerconstructie |
| Sterke axiale stroming | Vooral tangentiële stroming |
| Zeer geschikt voor extreem hoge viscositeit | Geschikt voor hoge viscositeit |
| Goede verticale menging | Minder axiale menging |
De keuze hangt af van het gewenste stromingspatroon.
Voordelen¶
Belangrijke voordelen zijn:
- uitstekende menging van zeer hoogviskeuze producten;
- zeer homogeen mengresultaat;
- goede warmteoverdracht;
- weinig luchtinslag;
- lage afschuifkrachten;
- geschikt voor temperatuurgevoelige producten.
Beperkingen¶
Een helical ribbon is minder geschikt voor:
- laagviskeuze vloeistoffen;
- disperseren;
- emulgeren;
- hoge shear-processen.
Daarnaast vraagt de impeller:
- een zware gearbox;
- een krachtige motor;
- een stijve mengas.
Praktijk bij Jongia¶
Binnen Jongia wordt een helical ribbon ontworpen voor processen waarbij producten zo viskeus zijn dat conventionele impellers onvoldoende stroming veroorzaken. De vorm, diameter, spoed en positie van de ribbon worden afgestemd op de tankgeometrie en de eigenschappen van het product.
Bij verwarmde of gekoelde processen wordt vaak gekozen voor een uitvoering met wandafschrapers om de warmteoverdracht te verbeteren en aankoeken te voorkomen.
Omdat de mechanische belasting hoog is, worden ook de mengas, gearbox, lagers en mechanical seal specifiek ontworpen voor deze toepassing. De complete aandrijflijn wordt berekend op het hoge koppel dat nodig is om zeer dikke producten in beweging te brengen.
Veelgemaakte fouten¶
- Een helical ribbon verwarren met een vijzel of transportschroef. Hoewel de vorm vergelijkbaar is, is een helical ribbon ontworpen voor mengen en niet voor transport.
- Een helical ribbon kiezen voor dunne vloeistoffen. Bij lage viscositeiten zijn propellers of hydrofoil-impellers veel efficiënter.
- Het benodigde koppel onderschatten. Zeer hoogviskeuze producten vragen een zware aandrijving en een robuuste mengas.
- Geen rekening houden met de tankgeometrie. De werking van een helical ribbon is sterk afhankelijk van de diameter, hoogte en wandafstand van de tank.
- Vergeten dat warmteoverdracht onderdeel van het ontwerp is. Bij verwarmde of gekoelde processen spelen de ribbonvorm en eventuele wandafschrapers een belangrijke rol in een gelijkmatige temperatuurverdeling.