اختلاط در صنعت

اختلاط در صنعت

 

شرح وتوصيف

مخلوط كردن سيالات ازفرايندهاي مهم درصنايع شيميايي ميباشد. سيستمهاي اختلاط ميتواندشامل مخلوط كردن سيال با هركدام ازفازهاي ديگريعني مايع، جامد و گاز باشد.
ازآنجاكه صنعت اختلاط هنوزبه شكل علمي دقيق درنيامده طراحي يك همزن به طوريكه نوع،قطر وسرعت عملياتي وشكل پره رادربربگيرد نه سودمنداست ونه عملي. بجاي آن منطقي است يك مهندس ضروريات فرايندي و مكانيكي را درك كرده وباتوجه به شرايط و پره هاي استاندارد موجود، بهترين انتخاب را انجام دهد.

عمليات ميكس(اختلاط) معمولاً به منظور:

  • اختلاط يك حجم از سيال
  • واكنش شيميايي
  • انتقال حرارت
  • انتقال جرم
  • اختلاط چند فاز با هم(سوسپانسيون و تعليق)

درصنعت به كارميرود. هر يك ازموارد فوق مكانيزم خاص خود را دارا ميباشد. دو نوع كلي مكانيزم اختلاط عبارتند از :

  1.  مكانيزم اختلاط ميكرو
  2.  مكانيزم اختلاط ماكرو

در مورد مكانيزم ميكرو اختلاط در مقياس مولكولي مطرح ميباشد. مكانيزم اختلاط به منظور انتقال جرم وحرارت و همچنين واكنش شيميايي درسطحي كه اين پديده ها صورت ميگيرند اختلاط به روش ميكرو(مولكولي)ميباشد. هنگاميکه نياز به توليد يك توده از مخلوط همگن است از مكانيزم اختلاط ماكرو استفاده ميگردد. هر يك از مكانيزم هاي فوق نياز به نوع ويژه اي از همزن دارد. در بسياري از فرايندها هر دومكانيزم لازم ميباشند.

پره

عمل اختلاط هميشه باايجاد اغتشاش درمايع همراه است. اين كار همزدن نام داردوتوسط وسيله اي به نام پره انجام ميشود. پره ها با وارد كردن نيروي مماسي باعث ايجاد گردانه در سيال ميشوند كه در نهايت عمل اختلاط را طبق منظوري كه داريم انجام خواهند داد.

مناسب ترين پره بايد با توجه به شرايط زير انتخاب شود.

  1. مكانيزم اختلاط مورد نياز(اينكه مكانيزم اختلاط ميكرو يا ماكرو يا هر دو است)
  2. خواص فيزيكي(مهمترين عامل ويسكوزيته ميباشد)
  3. ظرفيت مخزن (با تغيير ظرفيت نوع همزن عوض ميشود)

انواع اختلاط

اختلاط سيالات دو نوع كلي دارد:

  1.  مخازن همزن دار
  2.  اختلاط در طول جريان(اختلاط ثابت)

حال به شرح دو نوع اختلاط ميپردازيم:

مخازن همزن دار (Stirred Tanks)

اغلب جهت اختلاط از اين نوع ميكسرها استفاده ميشود. مخازن همزن دارمعمولاً استوانه اي شكل هستند كه بالاي آن با هوا ميتواند ارتباط داشته باشديا بسته باشد.

 

نمايي از يك مخزن همزن دار

نمايي از يك مخزن همزن دار

 

در حالت كلي كف استوانه را به شكل محدب ميسازند زيرا اگر كف گوشه داشته باشد باعث غير ايده آل شدن جريان سيال و نواحي ساكن در ظرف ميشود. ارتفاع مايع در مخزن را معمولاً معادل قطر مخزن در نظرميگيرند. انرژي لازم جهت به حركت درآوردن پره توسط يك الكتروموتور تأمين ميگردد.
اگر انتقال حرارت داشته باشيم از ژاكت يا كويل حرارتي در مخزن استفاده ميشود. اگر بخواهيم سيال فرآيند را گرم كنيم معمولاْ از بخار در ژاكت يا كويل حرارتي استفاده ميشود و اگر بخواهي م سيال فرآيند را سرد كنيم معمولاْ از آب كولينگ استفاده میشود.

پره ها در مخازن همزن دار قادرند دو نوع كلي جريان يعني شعايي و محوري يا تركيبي از اين دو را بوجودآورند. در جريان شعاعي همانطور كه از شكل پيداست سيال پس از برخورد به پره در جهت شعاع حركت ميكند. اما در جريان محوري حركت در جهت محور همزن خواهد بود.

 

جریان شعاعی-پره توربینی قائم- جریان محوری- پره توربینی شیبدار

الف) جريان شعاعي(با استفاده از پره توربيني قائم)    ب)جريان محوري(با استفاده از پره توربيني شيبدار)

 

 

از راست توربيني با تيغة قائم، توربيني منحني ، توربيني شيبدار ، ملخي ، ملخيbow

از راست توربيني با تيغه قائم، توربيني منحني ، توربيني شيبدار ، ملخي ، ملخيbow

 

انواع پره ها

پره هايي كه در همزن ها بكار ميروند سه نوع كلي دارند كه ۹۵% كل پره ها را تشكيل ميدهند:

 الف) نوع ملخي (Propeller)

  1. جريان محوري ايجاد ميكنند.
  2. در رنج سرعت وسيعي كاربرد دارند.
  3. در سرعتهاي پايين به ندرت خراب ميشوند.
  4. براي مايعات با ويسكوزيته بالا اقتصادي نيستند.
  5. قيمت آنها مناسب و توان مصرفي آنها اقتصادي است.

 

پره های ملخی- پره ملخی همراه الکتروموتور و محور- پره ملخی هنگام همزدن-اره ای-سیالات ویسکوز

پرهاي ملخي         الف)پره ملخي همراه با محور والكتروموتور  ب)پره ملخي هنگام همزدن
ج)پره ملخي نوع خاصcut-out  د.پره ملخي اره اي براي ايجادshear زياد در سيالات ويسكوز

 

ب) نوع پارويي (Paddle)

اين نوع پره از يك محور و يك پره به شكل پارو تشكيل شده است. معمولاپره ها به صورت تيغه هاي ۲تایی یا ۴تایی هستند. اين نوع پره ها معمولاً به سه صورت زيرميباشند .

  1.  پارويي صفحه اي
  2.  پارويي دوتايي
  3.  لنگري

 

پره پارویی- دوتیغه دوتایی- جهت جریان محوری- پره پارویی دروازه ای-سیالات ویسکوز- پره پارویی با لبه تیز و جریان محوری

الف) پره پارويي دوتيغه دوتايي جهت جريان محوري  ب) پره پارويي دروازه اي(نوع خاص) جهت سيالات ويسكوز  ج) پره پارويي با لبه تيزو جريان محوري

اختلاط در صنعت

سرعت اين نوع همزنها كم تا متوسط ميباشد. اگر تيغه همزن پارويي كاملاً عمود باشد جريان مماس ي ياشعايي ايجاد مي كند ولي اگر زاويه دارباشد جريان محوري ايجاد مي كند شعايي. درظرفهاي عميق چند پارو روي يك محور نصب ميشود.

يكي از مهمترين كاربردهاي اين نوع از همزنها، استفاده جهت انتقال حرارت ميباشد. دور اين همزنها حدود ۲۰تا۱۵۰ دور دردقيقه ميباشدونسبت قطر پره به قطر مخزن ۰٫۵تا۰٫۸ ميباشد. عرض تيغه پاروهاحدود يك ششم تا يك هشتم طول آن ميباشد. در ويسكوزيته هاي بالا مناسب است مخصوصاً نوع لنگري.

ج) نوع توربيني (Turbine)

اين نوع پره بسيار متنوع ميباشد. اگر تيغه هاي توربين قائم باشند تنها جريان شعايي خواهيم داشت و اگرشيب هم داشته باشند آنگاه جريان محوري و شعايي بر حسب ميزان شيب خواهيم داشت يعني هرچه پره افقي ترباشد جريان محوري تر خواهد شد.
سرعت اين همزن زياد، تيغه ها ميتوانند شيبدار يا مستقيم باشند(مانند همزن پارويي ). فرق اين همزن با همزن پارويي در اندازه وسرعت آن ميباشد. اندازه پره توربيني كمتر از پارويي ميباشد، يعني ۰٫۳ تا۰٫۵ قطر ظرف و همچنين سرعت اين همزن ميتواند خيلي بيشتر از همزن پارويي باشد.

 

پره های توربینی- تیغه های قائم-ایجادجریان شعاعی-همزدن سیالات لجنی و دوغابی- توربینی صفحه ای- توربینی شیبدار-دوپره توربینی

انواع پره هاي توربيني:
الف) پره توربيني با تيغه هاي قائم جهت ايجاد جريان شعاعي  ب) پره توربيني با تيغه هاي منحني جهت ايجاد جريان شعاعي و مناسب درهمزدن سيالات لجني و دوغابي
ج) توربيني صفحه اي د) توربيني شيبدار جهت ايجاد جريان محوري (به همراه محورو الكتروموتور)  ه) دو پره توربيني كه بالايي ايجاد جريان محوري ميكند و پره پاييني ايجاد جريان شعاعي ميكند

اختلاط در صنعت

برخي مفاهيم مهم در ارتباط با مخازن همزن دار

  1. جريان : كميت جريان بصورت ميزان سيالي كه به طور محوري يا شعايي از سطح يا محيط دوران به سمت خارج حركت ميكند تعريف ميشود.
  2. عدد جريان : بهترين كميت بدون بعد كه با استفاده از آن ميتوان ميزان جريان واقعي كه توسط پره ايجاد ميشود را حساب كرد. اين عدد بصورت دياگرامي كه برحسب عدد Re ميتواند باشداز سوي سازنده ارائه ميشود.
  3. توان : معياري است كه كارايي همزن را مشخص ميكند. توان مصرف شده كه توسط يك الكتروموتور تامين ميشود از طريق اصطكاك حاصل از ويسكوزيته جذب و باعث چرخش ميشود و بصورت گرما هدر ميرود.
  4. محور : اندازه مناسب محور پارامتر بسيارمهمي جهت جلوگيري از ارتعاش، خراب شدن قسمت هاي مكانيكي و ظرف همزن ميباشد. معمولاً سرعت محور بايدحدود ۰٫۴ سرعت بحراني باشد.
  5. طراحي : معمولاً جهت طراحي تنها كافيست پره مناسب انتخاب شود و توان مورد نياز تعيين گردد.
  6. Draft Tube : لوله اي است كه دور محورهمزن قرار داده ميشود. اين امر باعث ايجاد يك الگوي جريان از بالا به پايين ويژه ميشود كه در كل مايع برقرار ميشود. از اين وسيله تنها هنگاميكه ميخواهيم مطمئن باشيم كه الگوي جريان مورد نظردر سيستم برقرار ميشود استفاده ميكنيم زيرا اصطكاك زيادي ايجادميكند.

از آنجاكه اصطكاك باعث اتلاف انرژي ميگردد تاهنگاميكه مجبور نشويم معمولاْ از Draft Tube استفاده نميكنيم. البته وجود اين وسيله باعث بهبود عمليات اختلاط مي گردد و بسته به نظر طراح درموارد لزوم استفاده ميگردد.

 

نمايي ازDraft Tube در يك مخزن همزن دار و تأثير آن بر الگوي جريان

نمايي ازDraft Tube در يك مخزن همزن دار و تأثير آن بر الگوي جريان

 

توليد گرداب (Vortex) و نحوه پيشگيري از آن

در سرعتهاي پايين همزن، سطح مايع تقريباً صاف بوده و مايع در اطراف محور همزن گردش ميكند. باافزايش سرعت همزن براي ايجاد تلاطم توان لازم براي به حركت درآوردن همزن افزايش يافته و در اطراف محور همزن گرداب تشكيل ميشود. در سرعتهاي بالاتر در نهايت گرداب به پره همزن ميرسد . در اين حالت هوا به درون مايع كشيده ميشود. قسمتي از پره درون هوا ميگردد و توان لازم كاهش ميابد. كشيده شدن هوابه درون مايع عموماً نامطلوب است و بعلاوه وجود گرداب سبب بروز مشكلاتي در تغيير مقياس آزمايشگاهي ونيمه صنعتي به مقياس صنعتي ميگردد لذا سعي در پيش گيري از ايجادگرداب ميشود. موارد نادري وجود داردكه ايجادگرداب بهتر است وجو داشته باشد. يكي از اين موارد استثنايي جامدي است كه به سختي مرطوب ميشود. مثلاً حل كردن اسيدبوريك در آب كه بهتر است در گرداب ريخته شود.

اختلاط در صنعت

نمايي ازايجاد گرداب در يك مخزن همزن دار

نمايي ازايجاد گرداب در يك مخزن همزن دار

 

از ايجادگرداب به طرق زير ميتوان جلوگيري كرد:

الف) باقي ماندن در منطقه جريان آرام. اين روش به علت اينكه درفرايندهاي واقعي به ندرت پيش ميايدداراي محدوديت ميباشد. Re<10
ب) قراردادن همزن به صورت نامتقارن نسبت به محور همزن و يا اينكه همزن نسبت به محور مخزن تحت زاويه قرار داشته باشد. يكي از روشهاي ديگر نصب پره از جهت كناري و به صورت افقي ميباشد. از اين روشهاوقتي مقياس كوچك باشد استفاده ميشود.

جلوگيري از ايجادگرداب در مخازن همزن دار - با وارد كردن پره از كنار - با واردکردن پره بصورت نامتقارن وزاویه دار

جلوگيري از ايجادگرداب در مخازن همزن دار الف) با وارد كردن پره از كنار  ب) با وارد كردن پره به صورت نامتقارن و زاويه دار

 

ج) نصب تيغه ها : اين روش متداولترين روش ميباشد ودرحالت استاندارد ازچهار تيغه صاف عمودي تشكيل شده كه بصورت شعايي و تحت زاويه ۹۰ درجه درديواره مخزن نصب ميشود. اين تيغه ها درتمام عمق مايع قرار ميگيرند. پهناي اين تيغه ها راحدود ۰٫۱ قطر مخزن در نظر مي گيرند. اگر بامحلولهاي سوسپانسيون سر و كار داريم جهت جلوگيري از تجمع ذرات جامد در پشت بفل به اندازه نصف عرض تيغه آنراازديواره مخزن فاصله ميدهند. درحالت جريان آشفته Re>10000 ميباشد.

 

جلوگيري از ايجاد گرداب در مخازن همزن دار - پره توربيني(جريان شعاعي) - پره ملخي(جريان محوري)

جلوگيري از ايجاد گرداب در مخازن همزن دار    الف) پره توربيني(جريان شعاعي)  ب) پره ملخي(جريان محوري)

اختلاط در صنعت

نمايي از بفل در يك مخزن همزن دار - كويل حرارتي مثل بفل عمل مي كند- چگونگی قرار گرفتن کویل حرارتی

الف) نمايي از بفل در يك مخزن همزن دار ب) كويل حرارتي مثل بفل عمل ميكند
ج) چگونگي قرارگرفتن كويل حرارتي در مخزني كه بفل نيز وجود دارد

 

اختلاط در طول جريان يا همزن ايستا

اين وسيله اختلاط هيچگونه قسمت متحركي ندارد وساختار آن نسبتاً ساده ميباشد وهمچنين درمقايسه بامخازن همزن دار كه احتياج به يك نيروي محركه دارند داراي قيمت ارزانتري هستند.
استفاده از همزنهاي ساكن اخيراً در صنايع گسترش يافته است و ثابت شده است كه براي بسياري از صتايع سودمند و موثر ميباشد. مثلاً در اختلاط پليمرهاي مذاب بسيار خوب عمل ميكند. اين وسيله بيشتر در اختلاط مايع/مايع بكار ميرود اما طراحي هاي گوناگون جهت اختلاط ساير فازها حتي جامد نيز وجوددارد. بعنوان مثال در ورودي راكتور اگر چند گاز همزمان واردشوند ابتدا ازيك همزن ساكن عبور داده ميشوند تا خوب با هم مخلوط شوند. امروزه درصنايع پليمري بجاي استفاده از اكسترودر نوع Screw جهت رسيدن به يكنواختي غلظت و دما جهت رسيدن به يك محصول هموژن ميتوان از انواع اين نوع مخلوط كننده ها استفاده كرد.

اختلاط در صنعت

یک استاتیک میکسر ساده- یک استاتیک میکسر پیچیده

الف) یک static mixer ساده که عمل اختلاط را با هدایت مایع به بالا و پایین و چپ و راست انجام میدهد.
ب) یک static mixer پیچیده که عمل اختلاط را با تقسیم جریان به المان هاي کوچک و در هم آمیختن دوباره صورت میدهد.

 

به علت طراح يهاي متنوع و ويژه اين نوع همزنها ، اطلاعات مربوط به نحوه انتخاب و استفاده از اين نوع همزنها بايد از شركت هاي سازنده گرفته شود. اساس كار اين نوع همزنها در شكستن جريان سيال و سپس بازآرايي و اختلاط سيال بصورتهاي گوناگون و درنهايت تركيب دوباره سيال و تكرار اين مجموعه مراحل ميباشد. دراين همزنها از انرژي فشاري خود جريان براي اختلاط استفاده ميشود كه اين خود باعث افت فشار ميگردد. تمامي تيغه هاي اختلاط درلوله هاي مدورقرار ميگيرند و سيال از داخل اين لوله ها عبور داده ميشود.

اختلاط در صنعت

مخلوط كننده هاي ايستا. به پره هاي متنوع و لوله اي كه در آن قرار مي گيرند دقت كنيد

مخلوط كننده هاي ايستا
به پره هاي متنوع و لوله اي كه در آن قرار مي گيرند دقت كنيد