Gasdispersie¶

Samenvatting¶

Gasdispersie is het proces waarbij een gas, zoals lucht, zuurstof, stikstof of koolstofdioxide, in de vorm van kleine gasbellen gelijkmatig wordt verdeeld in een vloeistof. Het doel is om een zo groot mogelijk contactoppervlak tussen het gas en de vloeistof te creëren, zodat massaoverdracht efficiënt kan plaatsvinden.

Gasdispersie speelt een belangrijke rol in processen zoals fermentatie, oxidatie, waterzuivering, chemische reacties en gasabsorptie. De prestaties van een gasdispersiesysteem worden bepaald door de grootte van de gasbellen, de verblijftijd van het gas in de vloeistof en de stroming die door de menginstallatie wordt opgewekt.

Binnen Jongia worden menginstallaties ontworpen om een optimale verdeling van gasbellen te realiseren, waarbij een balans wordt gezocht tussen efficiënte gasoverdracht, energieverbruik en de eigenschappen van het proces.

Theorie¶

Wat is gasdispersie?¶

Bij gasdispersie wordt een gas in een vloeistof gebracht.

De menginstallatie zorgt ervoor dat:

grote gasbellen worden opgebroken;
kleine bellen gelijkmatig worden verdeeld;
het gas zo lang mogelijk in contact blijft met de vloeistof.

Hierdoor wordt de overdracht van stoffen tussen gas en vloeistof verbeterd.

Waarom is gasdispersie belangrijk?¶

Veel industriële processen zijn afhankelijk van een goede gas-vloeistofoverdracht.

Voorbeelden zijn:

zuurstof oplossen in fermentatie;
koolstofdioxide toevoegen aan dranken;
stikstof toevoegen om oxidatie te voorkomen;
waterstof in chemische reacties;
ozon in waterbehandeling.

Een slechte gasdispersie leidt vaak tot een lager procesrendement.

Hoe werkt gasdispersie?¶

Het gas wordt meestal via een sparger onder in de tank ingebracht.

De impeller:

vangt de opstijgende bellen op;
breekt ze op;
verdeelt ze door de vloeistof.

Daardoor neemt het totale contactoppervlak sterk toe.

De rol van de impeller¶

De impeller heeft meerdere functies.

Hij zorgt voor:

circulatie van de vloeistof;
verdeling van de gasbellen;
verkleining van de bellen;
voorkoming van grote gaskanalen.

Hierdoor blijft het gas langer in de vloeistof aanwezig.

Gasbelgrootte¶

De grootte van de gasbellen heeft veel invloed op de efficiëntie.

Kleine bellen:

hebben een groter totaal oppervlak;
lossen sneller op;
blijven langer in suspensie.

Grote bellen stijgen sneller op en verlaten de tank eerder.

Daardoor is de gasoverdracht minder efficiënt.

Massaoverdracht¶

Het uiteindelijke doel van gasdispersie is meestal massaoverdracht.

Hierbij verplaatst een stof zich van de gasfase naar de vloeistof.

Voorbeelden zijn:

zuurstof die oplost in water;
koolstofdioxide die oplost in frisdrank;
ammoniak die wordt opgenomen in een procesvloeistof.

De snelheid van deze overdracht bepaalt vaak de prestaties van het proces.

Gas hold-up¶

Een belangrijke parameter is de gas hold-up.

Dit is het percentage van het reactorvolume dat op een bepaald moment uit gas bestaat.

Een hogere gas hold-up betekent meestal:

meer gas in de reactor;
groter contactoppervlak;
betere massaoverdracht.

Te veel gas kan echter de werking van de impeller verstoren.

Flooding¶

Wanneer te veel gas wordt toegevoerd, kan flooding optreden.

Hierbij kan de impeller:

het gas niet meer goed verspreiden;
onvoldoende vloeistof verpompen;
zijn mengwerking verliezen.

Flooding leidt tot een sterke afname van de gasdispersie en moet daarom worden voorkomen.

Geschikte impellers¶

Niet iedere impeller is geschikt voor gasdispersie.

Veelgebruikte typen zijn:

Rushton Turbine;
Pitched Blade;
Hydrofoil;
Gas Inducing Impeller.

De keuze hangt af van:

de gewenste gasoverdracht;
de viscositeit;
het toerental;
het type proces.

Invloed van viscositeit¶

De viscositeit van de vloeistof heeft invloed op:

de grootte van de gasbellen;
de stroming;
de mengtijd;
de energiebehoefte.

Bij hoogviskeuze producten zijn vaak grotere vermogens of speciale impellers nodig om een goede gasdispersie te bereiken.

Gasdispersie versus gasinductie¶

Deze begrippen lijken op elkaar, maar betekenen niet hetzelfde.

Gasdispersie	Gasinductie
Gas wordt van buitenaf toegevoerd	De impeller zuigt zelf gas aan
Vaak met een sparger	Vaak zonder externe gasleiding
Geschikt voor grote gasstromen	Compacte oplossing voor specifieke processen
Veel gebruikt in fermentatie	Veel gebruikt bij speciale mengprocessen

Gasinductie is dus een specifieke methode om gasdispersie te realiseren.

Praktijk bij Jongia¶

Binnen Jongia worden menginstallaties voor gasdispersie ontworpen op basis van de gewenste gas-vloeistofoverdracht. Engineers bepalen de optimale combinatie van impeller, toerental, sparger en tankgeometrie om een efficiënte verdeling van gasbellen te bereiken.

Bij fermentatieprocessen ligt de nadruk vaak op een hoge zuurstofoverdracht zonder gevoelige micro-organismen te beschadigen. In chemische processen kan juist een maximale mengintensiteit of een hoge reactiesnelheid centraal staan. Door gebruik te maken van stromingsberekeningen en CFD-simulaties kan het gedrag van de gasbellen vooraf worden geanalyseerd en geoptimaliseerd.

Een goed ontworpen gasdispersiesysteem verhoogt de procesefficiëntie, verlaagt het energieverbruik en draagt bij aan een constante productkwaliteit.

Veelgemaakte fouten¶

Gasdispersie verwarren met simpel beluchten. Het doel is niet alleen gas toevoegen, maar het zo efficiënt mogelijk verdelen en oplossen.
Denken dat grotere luchttoevoer altijd beter is. Een te hoge gasstroom kan flooding veroorzaken en de mengprestaties juist verslechteren.
Alleen naar de impeller kijken. Ook de sparger, tankgeometrie, viscositeit en het toerental bepalen de kwaliteit van de gasdispersie.
De invloed van de gasbelgrootte onderschatten. Kleinere gasbellen leveren meestal een veel efficiëntere massaoverdracht dan grote bellen.
Gasdispersie en gasinductie als synoniemen gebruiken. Gasinductie is één specifieke techniek om gas in een vloeistof te brengen; gasdispersie is het bredere proces van het verdelen van gas in een vloeistof.