Dichtheid¶
Samenvatting¶
Dichtheid is de hoeveelheid massa die zich in een bepaald volume bevindt. Met andere woorden: hoe zwaar een stof is ten opzichte van de ruimte die zij inneemt. Dichtheid is een belangrijke materiaaleigenschap die invloed heeft op vrijwel alle mengprocessen.
Binnen Jongia speelt dichtheid een belangrijke rol bij het ontwerpen van menginstallaties. De dichtheid van een product bepaalt onder andere hoeveel vermogen nodig is, hoe gemakkelijk vaste stoffen bezinken, hoe vloeistoffen zich mengen en welke stromingspatronen in een tank ontstaan.
Voor engineers is kennis van dichtheid essentieel om de juiste impeller, het juiste toerental en de juiste motor te selecteren.
Theorie¶
Wat is dichtheid?¶
Dichtheid geeft aan hoeveel massa aanwezig is in een bepaald volume.
Een stof met een hoge dichtheid bevat meer massa in hetzelfde volume dan een stof met een lage dichtheid.
Bijvoorbeeld:
- een blok lood is veel zwaarder dan een blok hout van dezelfde afmetingen;
- beide hebben hetzelfde volume, maar een andere dichtheid.
Eenheid¶
De dichtheid wordt meestal uitgedrukt in:
- kg/m³ (kilogram per kubieke meter)
Soms wordt ook gebruikt:
- g/cm³ (gram per kubieke centimeter)
In de procesindustrie is kg/m³ de standaard.
Dichtheid berekenen¶
De dichtheid is de verhouding tussen de massa en het volume.
Hieruit kunnen ook de massa of het volume worden berekend wanneer de andere twee waarden bekend zijn.
Voorbeelden¶
Enkele veelvoorkomende dichtheden zijn:
| Materiaal | Dichtheid (ongeveer) |
|---|---|
| Lucht | 1,2 kg/m³ |
| Water | 1.000 kg/m³ |
| Plantaardige olie | 900 kg/m³ |
| RVS 316L | 8.000 kg/m³ |
| Koolstofstaal | 7.850 kg/m³ |
Deze waarden veranderen enigszins met de temperatuur.
Invloed van temperatuur¶
De dichtheid van de meeste stoffen verandert wanneer de temperatuur verandert.
In het algemeen geldt:
- hogere temperatuur → lagere dichtheid;
- lagere temperatuur → hogere dichtheid.
Vloeistoffen zetten bij verwarming meestal uit, waardoor hetzelfde gewicht meer volume inneemt.
Bij nauwkeurige procesberekeningen moet hiermee rekening worden gehouden.
Dichtheid en mengen¶
De dichtheid van een product heeft grote invloed op het mengproces.
Een hogere dichtheid betekent meestal:
- meer massa die in beweging moet worden gebracht;
- hogere krachten op de impeller;
- meer belasting van de mengas;
- een hoger benodigd motorvermogen.
Daarom wordt de dichtheid altijd meegenomen bij het ontwerpen van een menginstallatie.
Dichtheidsverschillen¶
Veel processen bestaan uit meerdere stoffen met verschillende dichtheden.
Bijvoorbeeld:
- olie en water;
- vloeistof en vaste stoffen;
- vloeistof en gas.
Wanneer het dichtheidsverschil groot is, kunnen stoffen:
- ontmengen;
- bezinken;
- gaan drijven.
De menginstallatie moet voldoende stroming creëren om dit tegen te gaan.
Dichtheid en bezinking¶
Bij suspensies is het dichtheidsverschil tussen vaste stof en vloeistof belangrijk.
Wanneer vaste deeltjes veel zwaarder zijn dan de vloeistof:
- bezinken zij sneller;
- is meer mengenergie nodig;
- moet de impeller voldoende stroming creëren.
Dit is een belangrijke ontwerpvoorwaarde voor veel industriële mengprocessen.
Dichtheid en vermogen¶
Het benodigde mengvermogen neemt toe naarmate de dichtheid van het product groter wordt.
Bij twee vloeistoffen met dezelfde viscositeit geldt:
- de vloeistof met de hoogste dichtheid vraagt doorgaans meer motorvermogen.
Daarom worden zowel dichtheid als viscositeit gebruikt bij vermogensberekeningen.
Dichtheid versus viscositeit¶
Dichtheid en viscositeit worden regelmatig met elkaar verward.
| Dichtheid | Viscositeit |
|---|---|
| Hoe zwaar een stof is | Hoe gemakkelijk een stof stroomt |
| Eenheid: kg/m³ | Eenheid: mPa·s of Pa·s |
| Invloed op massa | Invloed op stroming |
| Belangrijk voor vermogen | Belangrijk voor menggedrag |
Een vloeistof kan dus:
- een hoge dichtheid en lage viscositeit hebben;
- of juist een lage dichtheid en hoge viscositeit.
Het zijn twee verschillende materiaaleigenschappen.
Praktijk bij Jongia¶
Binnen Jongia wordt de dichtheid van het product altijd meegenomen tijdens de engineering van een menginstallatie. Samen met de viscositeit vormt deze één van de belangrijkste invoerparameters voor het bepalen van het benodigde motorvermogen, het toerental en de keuze van de impeller.
Bij processen met grote dichtheidsverschillen, zoals suspensies of meerfasensystemen, wordt extra aandacht besteed aan het stromingspatroon. Engineers zorgen ervoor dat de menginstallatie voldoende circulatie creëert om bezinking, ontmenging of drijfvorming te voorkomen.
In complexe toepassingen worden dichtheid en andere producteigenschappen verwerkt in stromingsberekeningen en CFD-simulaties om de prestaties van de installatie vooraf te voorspellen.
Veelgemaakte fouten¶
- Dichtheid verwarren met viscositeit. Dichtheid zegt iets over de massa van een stof; viscositeit over hoe gemakkelijk deze stroomt.
- Denken dat water altijd als referentie kan worden gebruikt. Veel industriële producten hebben een aanzienlijk hogere of lagere dichtheid.
- Temperatuur negeren. De dichtheid van een product verandert wanneer de temperatuur verandert.
- Alleen naar de dichtheid kijken. Ook viscositeit, deeltjesgrootte, tankgeometrie en impellertype bepalen het menggedrag.
- Dichtheidsverschillen onderschatten. Grote verschillen tussen productfasen kunnen leiden tot bezinking, drijven of ontmenging wanneer de menginstallatie hier niet op is ontworpen.