Schaalvergroting¶

Samenvatting¶

Schaalvergroting (scale-up) is het proces waarbij een mengproces dat succesvol is op laboratorium- of pilotschaal wordt omgezet naar een industriële installatie. Het doel is om op grotere schaal dezelfde productkwaliteit, mengprestaties en proceseigenschappen te behouden.

Schaalvergroting is één van de grootste uitdagingen binnen de procestechniek. Een mengproces dat uitstekend werkt in een laboratoriumbeker gedraagt zich vaak heel anders in een tank van duizenden liters. Factoren zoals stromingspatronen, mengtijd, warmteoverdracht en energieverbruik veranderen namelijk met de afmetingen van de installatie.

Binnen Jongia is schaalvergroting een belangrijk onderdeel van de engineering. Door berekeningen, ervaring, praktijktesten en CFD-simulaties worden menginstallaties ontworpen die ook op industriële schaal de gewenste prestaties leveren.

Theorie¶

Wat is schaalvergroting?¶

Schaalvergroting betekent dat een proces wordt vergroot zonder dat het gewenste resultaat verandert.

Een laboratoriumtest kan bijvoorbeeld worden uitgevoerd in:

een beker van 2 liter;
een pilotinstallatie van 200 liter;
een productietank van 20.000 liter.

Hoewel het proces hetzelfde lijkt, veranderen de stromingsomstandigheden aanzienlijk.

Waarom is schaalvergroting moeilijk?¶

Een grotere tank is niet simpelweg een grotere versie van een kleine tank.

Bij grotere installaties veranderen onder andere:

stromingspatronen;
mengtijd;
warmteoverdracht;
massaoverdracht;
belasting van de mengas;
benodigde motorvermogen.

Daarom kan een ontwerp niet zomaar lineair worden opgeschaald.

Geometrische schaalvergroting¶

Bij een geometrisch vergelijkbare installatie blijven de onderlinge verhoudingen gelijk.

Bijvoorbeeld:

tankdiameter;
tankhoogte;
impellerdiameter;
positie van de impeller;
breedte van de baffles.

Wanneer alle verhoudingen gelijk blijven, spreken we van geometrische overeenkomst.

Dit vormt vaak het uitgangspunt voor schaalvergroting.

Dynamische overeenkomst¶

Geometrische overeenkomst alleen is meestal niet voldoende.

Ook de stroming moet vergelijkbaar blijven.

Daarom wordt gekeken naar dimensieloze getallen zoals:

Reynoldsgetal;
vermogensgetal;
Froudegetal.

Deze helpen om het gedrag van het proces op verschillende schalen met elkaar te vergelijken.

Schaalvergrotingscriteria¶

Er bestaat geen universele methode voor schaalvergroting.

Afhankelijk van het proces wordt gekozen voor een ontwerp op basis van bijvoorbeeld:

gelijk toerental;
gelijke omtreksnelheid;
gelijk Reynoldsgetal;
gelijk vermogen per volume;
gelijke tip speed;
gelijke mengtijd.

Welke methode het meest geschikt is, hangt af van het procesdoel.

Vermogen per volume¶

Een veelgebruikte methode is het behouden van hetzelfde vermogen per volume (P/V).

Hierbij wordt het motorvermogen afgestemd op het tankvolume.

Dit is vooral belangrijk voor processen zoals:

homogeniseren;
dispergeren;
gasdispersie.

Een vergelijkbare energietoevoer leidt vaak tot vergelijkbare mengprestaties.

Reynoldsgetal¶

Het Reynoldsgetal wordt gebruikt om hetzelfde stromingsregime te behouden.

Wanneer een proces op laboratoriumschaal turbulent verloopt, probeert men dit ook op industriële schaal te realiseren.

Hierdoor blijven stromingspatronen en menggedrag beter vergelijkbaar.

Tip speed¶

De tip speed is de snelheid waarmee de punt van een impellerblad door de vloeistof beweegt.

Deze is vooral belangrijk bij processen waarbij shear een grote rol speelt.

Bijvoorbeeld:

emulgeren;
dispergeren;
fermentatie.

Door dezelfde tip speed aan te houden kan de afschuifbelasting beter worden behouden.

Warmte- en massaoverdracht¶

Bij grotere installaties veranderen ook:

de verhouding tussen volume en oppervlak;
de afstand waarover warmte moet worden getransporteerd;
de verblijftijd van gasbellen.

Hierdoor kunnen koeling, verwarming en gasdispersie zich anders gedragen dan op laboratoriumschaal.

Deze effecten moeten tijdens de engineering worden meegenomen.

CFD en pilotschaal¶

Schaalvergroting wordt steeds vaker ondersteund met:

CFD-simulaties;
pilotinstallaties;
praktijktesten.

Hiermee kunnen engineers voorspellen:

hoe de vloeistof stroomt;
waar dode zones ontstaan;
hoe lang homogenisatie duurt;
hoe gas zich door de tank verspreidt.

Daardoor worden risico's bij de uiteindelijke industriële installatie kleiner.

Praktijk bij Jongia¶

Binnen Jongia begint een schaalvergroting vaak met gegevens uit laboratoriumtesten of een pilotinstallatie. Engineers analyseren de eigenschappen van het product en bepalen welke procesparameters bepalend zijn voor het gewenste resultaat.

Op basis hiervan worden berekeningen uitgevoerd voor onder andere het Reynoldsgetal, het benodigde vermogen, de impellerdiameter en het toerental. Bij complexe processen worden CFD-simulaties ingezet om stromingspatronen, mengtijden en gasdispersie te voorspellen voordat de installatie wordt gebouwd.

Door praktijkervaring te combineren met theoretische berekeningen kan Jongia menginstallaties ontwerpen die ook op grote schaal dezelfde prestaties leveren als tijdens de eerste testen.

Veelgemaakte fouten¶

Denken dat een grotere tank alleen een grotere impeller nodig heeft. Bij schaalvergroting veranderen ook stroming, mengtijd, warmteoverdracht en belasting van de installatie.
Slechts één schaalvergrotingscriterium gebruiken. In de praktijk moeten vaak meerdere factoren tegelijk worden afgewogen.
Laboratoriumresultaten rechtstreeks overnemen. Een succesvol experiment op kleine schaal garandeert niet automatisch een goed industrieel proces.
De invloed van warmte- en massaoverdracht onderschatten. Deze veranderen vaak aanzienlijk bij grotere volumes.
Geen praktijktesten of simulaties uitvoeren. CFD-analyses en pilotproeven helpen om problemen vroegtijdig te ontdekken en een betrouwbaar ontwerp te realiseren.