Keveréstechnika, homogenizálás és a keverés folyamata. A homogenizáló gépek működése.

A homogenizálás keveréstechnikai háttere. Alapvető tudnivalók a keverés folyamatáról, a keverés során lejátszódó áramlástechnikai jelenségekről, a homogenizáló gépek működéséről.

A keverés teljesítményszükséglete:

A különböző tulajdonságú anyagok összekeverése számos iparág leggyakoribb alapművelete. Ahhoz, hogy az egyes feladatokhoz megfelelő készüléket és annak műszaki paramétereit meghatározhassuk a következő kiinduló adatokra van szükség:

  • Keverési feladat meghatározása (elegyítés, szuszpendálás, diszpergálás, gáz elnyeletés, hőátadás, stb)
  • Kiindulási anyagok fizikai tulajdonságai (mennyiség, sűrűség, viszkozitás, szemcsenagyság, reológiai tulajdonságok) és követelmények a végtermékkel szemben
  • Tartály geometriai méretei
  • Üzemi sajátosságok (folyamatos üzem, szakaszos üzem, fizikai tulajdonságok változása keverés alatt, stb)

(természetesen az egyes konkrét feladatoknál számos egyéb adatra lehet még szükség (tartózkodási idő, tartálycsonkok elrendezése, stb))

Az összegyűjtött adatok alapján meg kell határoznunk a feladatnak és a lehetőségeknek legmegfelelőbb keverő műszaki paramétereit. Ezek:

  • Keverés teljesítményszükséglete
  • Keverő fordulatszáma
  • Keverőlapát(ok) fajtájának és méretének kiválasztása
  • Konstrukció főbb elemeinek kialakítása (tengelyhossz, egyszintes vagy több szintes elrendezés, kell-e külön csapágyazás, milyen tömítés, stb.)
  • Geometriai méretek (tengely átmérő, stb)

1.1 A keveréstechnika főbb műszaki paramétereinek meghatározása

A mai korszerű számítógéppel végzett analízisek világában az [1]-es teljesítményképletet már csak elvétve használjuk. Arra azonban kiválóan alkalmas, hogy szemléltesse egy keverőgép főbb paramétereinek meghatározásának gondolatmenetét.

ahol: : kevert közeg sűrűsége [kg/m3]
n: keverő fordulatszáma [1/sec]
d: keverőlapátok átmérője [m]
Ne: Newton-szám (ellenállás tényező) [dimenzió nélküli szám]

A teljesítményképletből látható, hogy a keverési teljesítményt a keverőgép fordulatszáma, és a keverőelem átmérője exponenciálisan befolyásolja. Ezért a gyakorlatban a tervezési fázis elején el kell dönteni, hogy mire is optimalizáljuk a készüléket? Optimalizálhatunk a keverési időre (nagyméretű keverőelem, magas fordulatszám, nagy teljesítményfelvétel, magas üzemeltetési költségek), teljesítményfelvételre (kisebb keverőelem, alacsony fordulatszám, alacsonyabb üzemeltetési költségek) vagy akár készülék bekerülési költségére is. A szóba jöhető alternatívák közül a felhasználó lehetőségeinek és igényeinek figyelembevételével választjuk ki az optimális megoldást.

A gyakorlatban legtöbbször az [1]-es egyenlet jobb oldaláról egyedül a Newton-számot nem ismerjük. Meghatározása egy újabb dimenzió nélküli szám, a Reynolds szám segítségével történik: (A Reynolds szám az áramlástan egyik legalapvetőbb dimenziómentes jellemzője, melyet leginkább az áramlás típusának meghatározására szolgál):

ahol: d: keverőlapát átmérője [m]
n: keverő fordulatszáma [1/sec]
: kevert közeg sűrűsége [kg/m3]
: folyadék dinamikai viszkozitása [m]

A Reynolds szám ismeretében az alábbi grafikonról a Newton szám értéke meghatározható, amit a teljesítményképletbe behelyettesítve megkapjuk a keveréshez (azaz az adott műszaki paraméterű konfiguráció működtetéséhez) szükséges motorteljesítményt.

Megj: A fenti ábrán lévő görbéket minden egyes keverőelemhez külön-külön kell meghatározni.

A Reynolds szám alapján a következők szerint szoktuk az áramlásokat megkülönböztetni:

Re < 10: lamináris áramlás
10 < Re < 1000: átmeneti tartomány
Re < 1000: turbulens áramlás

A keverési feladatok sikeres megoldásában fontos a keverést végző keverőelem megfelelő kiválasztása. Számos elterjedt keverőelem fajta közül választhatunk. Erről bővebben: itt.

A teljesítményképlet, az adott keverőelemekről rendelkezésre álló Re-szám-Ne-szám viszonyát meghatározó diagram és a feladat lehetőségeinek figyelembe vételével meg tudjuk határozni megfelelő fordulatszámot, ki tudjuk választani a megfelelő keverőlapátot, annak méretét, és ezek teljesítményigényét.

1.2 Egyéb megfontolások keverés, homogenizálás előtt

A keverőgépek kialakításának végleges meghatározásához további megfontolásokat kell tennünk. Valamennyi felsorolására itt nincs lehetőség, ezért csak néhány tovább szempontot veszünk számba.

Függőleges elrendezésű keverő vagy oldalkeverő?

A tartályok geometriáját, a kevert közeg paramétereit, és más megkötéseket figyelembe véve gyakran szembesülünk a fenti kérdéssel. Az iparban leggyakrabban függőleges elrendezésű keverőkkel találkozhatunk, ám számos esetben oldalkeverőkkel kedvezőbb eredményt érhetünk el. Pl. nincs elegendő hely felső elrendezésű keverőnek, a tartály átmérője a magassághoz képest nagy, csak az alsó zónában van szükség keverésre, stb.

Fixen telepített tartály vs. mozgatható tartály:

A helyszíni lehetőségek és az adott technológia figyelembe vételével meg kell fontolni, hogy - amennyiben több tartályunk van - minden tartályra szükséges keverőművet telepíteni, vagy elegendő egyetlen emelhető keverőmű, amihez egyenként szállítjuk oda a tartályokat. Fixen telepített keverőkre példa az N sorozatú hajtóműves keverő, vagy a CS sorozatú csapágyazott állványos keverő. Emelhető keverőműre a HS sorozatú gyorskeverő lehet példa

Csapágyazott állvány, vagy csak hajtómű?

A keverőkre üzem közben jelentős erők hatnak. Ezeket az erőket leginkább a keverőgép felső megfogási pontjain lévő csapágyak veszik fel. Kisebb terhelések esetén a keverő hajtására szolgáló hajtómű (vagy elektromos motor) csapágyak elegendően erősek. Nagyobb méretek, nagy keverési teljesítményt igénylő feladatok esetében állványt használunk. Az ebbe épített nagyméretű csapággyal tehermentesíthetjük a hajtást, és biztosíthatjuk a hosszabb élettartamot.

Hány szinten helyezzük el a keverőlapátokat?

Magasabb tartályok teljes átkeverésére gyakran nem elegendő a keverőgép tengelyén elhelyezett egyetlen keverőelem. Ekkor egymás fölé több keverőelemet helyezhetünk el.

Milyen tömítést alkalmazzunk?

A keverőkre üzem közben jelentős erők hatnak. Ezeket az erőket leginkább a keverőgép felső megfogási pontjain lévő csapágyak veszik fel. Kisebb terhelések esetén a keverő hajtására szolgáló hajtómű (vagy elektromos motor) csapágyak elegendően erősek. Nagyobb méretek, nagy keverési teljesítményt igénylő feladatok esetében állványt használunk. Az ebbe épített nagyméretű csapággyal tehermentesíthetjük a hajtást, és biztosíthatjuk a hosszabb élettartamot.

Általánosságban:

Megbízhatóan üzemelő keverőgép tervezéséhez a készülék merev kialakítása szükséges. Mivel az igénybevételek gyakran üzem közben is változnak, a pontos üzem közbeni körülmények még azonos tartálytöltet esetén is nehezen meghatározhatóak. Hagyományos szilárdsági számítások végezésekor túlméretezésre kell törekedni, hiszen általában nem anyagfelhasználásra, vagy tömegre optimalizálunk, hanem egy merev struktúra kialakítása a cél.