Stromingspatronen¶

Samenvatting¶

Stromingspatronen beschrijven de manier waarop een vloeistof zich door een mengtank beweegt als gevolg van de draaiende impeller. Het stromingspatroon bepaalt hoe energie door het product wordt verdeeld en heeft daardoor een grote invloed op de mengtijd, homogeniteit, warmteoverdracht, massaoverdracht en de kwaliteit van het eindproduct.

De vorm van het stromingspatroon wordt bepaald door een combinatie van de impeller, het toerental, de tankgeometrie, de aanwezigheid van baffles en de eigenschappen van het product. Er bestaat geen universeel "beste" stromingspatroon; de optimale stroming hangt altijd af van het doel van het proces.

Binnen Jongia vormt de analyse van stromingspatronen een belangrijk onderdeel van het ontwerpen van menginstallaties. Door het juiste stromingspatroon te creëren kan een proces efficiënter, betrouwbaarder en energiezuiniger worden uitgevoerd.

Theorie¶

Wat is een stromingspatroon?¶

Wanneer een impeller draait, brengt deze de vloeistof in beweging.

De vloeistof beweegt daarbij niet willekeurig, maar volgt een bepaald patroon door de tank.

Dit patroon noemen we het stromingspatroon.

Het stromingspatroon bepaalt onder andere:

welke delen van de tank worden bereikt;
waar turbulentie ontstaat;
hoe snel componenten worden gemengd;
waar dode zones kunnen ontstaan.

Waarom zijn stromingspatronen belangrijk?¶

Een goed stromingspatroon zorgt ervoor dat:

de volledige tankinhoud wordt gemengd;
temperatuurverschillen verdwijnen;
vaste stoffen in suspensie blijven;
gasbellen goed worden verdeeld;
componenten homogeen worden gemengd.

Een ongunstig stromingspatroon kan juist leiden tot:

bezinking;
ontmenging;
dode zones;
langere mengtijden;
hoger energieverbruik.

Factoren die het stromingspatroon bepalen¶

Het stromingspatroon wordt beïnvloed door meerdere factoren.

De belangrijkste zijn:

impellertype;
impellerdiameter;
toerental;
tankdiameter;
vloeistofhoogte;
aanwezigheid van baffles;
viscositeit;
dichtheid.

Al deze factoren beïnvloeden elkaar.

Axiale stroming¶

Bij axiale stroming beweegt de vloeistof zich voornamelijk evenwijdig aan de mengas.

De impeller pompt de vloeistof:

naar beneden (down pumping);
of naar boven (up pumping).

Voordelen:

sterke circulatie;
korte homogenisatietijd;
geschikt voor suspenderen;
goede warmteoverdracht.

Typische impellers:

Hydrofoil;
Propeller;
Pitched Blade.

Radiale stroming¶

Bij radiale stroming wordt de vloeistof vanuit de impeller naar de tankwand gepompt.

Hierdoor ontstaat:

veel turbulentie;
hoge shear;
sterke lokale menging.

Radiale stroming wordt veel toegepast bij:

gasdispersie;
emulgeren;
dispergeren;
chemische reacties.

Een bekende radiale impeller is de Rushton Turbine.

Tangentiële stroming¶

Bij tangentiële stroming draait de vloeistof voornamelijk mee met de impeller.

Dit gebeurt vooral wanneer:

geen baffles aanwezig zijn;
de tank symmetrisch is;
de stroming weinig wordt onderbroken.

Tangentiële stroming veroorzaakt vaak een draaikolk (vortex) en levert doorgaans een minder efficiënte menging op.

Daarom wordt deze stroming in veel toepassingen zoveel mogelijk voorkomen.

Combinatie van stromingspatronen¶

In de praktijk ontstaat vrijwel nooit één zuiver stromingspatroon.

Vrijwel iedere impeller veroorzaakt een combinatie van:

axiale stroming;
radiale stroming;
tangentiële stroming.

Eén van deze stromingsvormen is meestal dominant.

Baffles¶

Baffles hebben een grote invloed op het stromingspatroon.

Zij:

onderbreken de ronddraaiende vloeistof;
verminderen tangentiële stroming;
vergroten de circulatie;
verbeteren de mengwerking.

Bij veel laagviskeuze processen zijn baffles onmisbaar.

Dode zones¶

Een slecht stromingspatroon kan leiden tot dode zones.

Dit zijn gebieden waar:

nauwelijks stroming aanwezig is;
weinig menging plaatsvindt;
vaste stoffen kunnen bezinken;
temperatuurverschillen kunnen ontstaan.

Een belangrijk doel van het ontwerp is het minimaliseren van deze zones.

Stromingspatronen en procestechniek¶

Het gewenste stromingspatroon hangt af van het proces.

Proces	Gewenst stromingspatroon
Homogeniseren	Overwegend axiaal
Suspenderen	Axiaal
Gasdispersie	Vaak radiaal
Emulgeren	Radiaal of high shear
Fermentatie	Axiaal of gecombineerd
Warmteoverdracht	Sterke circulatie

Er bestaat dus geen universeel optimaal stromingspatroon.

CFD-simulaties¶

Bij complexe installaties worden stromingspatronen vaak vooraf geanalyseerd met Computational Fluid Dynamics (CFD).

Met CFD kunnen engineers onder andere onderzoeken:

hoe de vloeistof stroomt;
waar turbulentie ontstaat;
waar dode zones aanwezig zijn;
hoe gasbellen zich gedragen;
hoe lang homogenisatie duurt.

Hiermee kan het ontwerp worden geoptimaliseerd voordat de installatie wordt gebouwd.

Praktijk bij Jongia¶

Binnen Jongia vormt het gewenste stromingspatroon één van de belangrijkste uitgangspunten bij het ontwerpen van een menginstallatie. Engineers analyseren eerst het procesdoel en bepalen vervolgens welke stroming daarvoor nodig is.

Voor homogenisatie wordt meestal gekozen voor een sterke axiale circulatie, terwijl processen zoals gasdispersie of emulgeren juist kunnen profiteren van hogere lokale turbulentie en shear. De keuze van de impeller, de plaatsing van baffles, het toerental en de tankgeometrie worden hierop afgestemd.

Bij complexe toepassingen worden CFD-simulaties gebruikt om het stromingspatroon zichtbaar te maken en eventuele dode zones of inefficiënte stromingen al tijdens de ontwerpfase te corrigeren.

Veelgemaakte fouten¶

Denken dat iedere impeller hetzelfde stromingspatroon creëert. De vorm van de impeller bepaalt in grote mate hoe de vloeistof door de tank beweegt.
Vergeten dat stromingspatronen afhankelijk zijn van het product. Viscositeit, dichtheid en andere producteigenschappen hebben veel invloed op de uiteindelijke stroming.
Alleen naar de impeller kijken. Ook baffles, tankgeometrie, vloeistofniveau en toerental bepalen het stromingspatroon.
Tangentiële stroming verwarren met goede menging. Een meedraaiende vloeistofmassa ziet er actief uit, maar levert vaak juist een slechte mengwerking op.
Verwachten dat één stromingspatroon voor alle processen optimaal is. Het gewenste stromingspatroon hangt altijd af van het procesdoel en de eigenschappen van het product.