Poradnik dla kupującego mieszalnik o wysokim ścinaniu: dobór wirnika i stojana, obciążenie i dobór

Partia, która powinna być stabilną emulsją, po czterdziestu minutach mieszania nadal wykazuje widoczne kropelki na szkiełku zanurzeniowym, a każda próba naprawienia tego poprzez zwiększenie prędkości mieszadła po prostu podgrzewa produkt. Mieszadło wykonuje swoją pracę — porusza całym zbiornikiem — ale nie robi jednej rzeczy, której faktycznie potrzebuje przepis: włożenia dużej ilości energii w bardzo małą objętość cieczy.

Do tego właśnie służy mieszalnik o wysokim ścinaniu. Krótka wersja, przed szczegółami: jeśli twoim celem jest docelowa wielkość kropli lub cząstek, potrzebujesz ścinania rotor-stator; jeśli Twoim celem jest mieszanie, zawieszanie lub przenoszenie ciepła, konwencjonalny wirnik zrobi to za mniej pieniędzy i mniej ciepła. Większość rozczarowujących instalacji o wysokim ścinaniu nie jest źle zbudowanymi maszynami. Są właściwą maszyną zastosowaną do złego zadania.

Co właściwie robi mieszalnik o wysokim ścinaniu

Ścinanie to gradient prędkości — różnica prędkości między dwiema warstwami płynu podzielona przez odległość między nimi. Wewnątrz głowicy rotor-stator końcówka rotora omiata nieruchomą ścianę stojana przez szczelinę mierzoną w milimetrach. Prędkość końcówki wynosząca 20 m/s w szczelinie 1 mm odpowiada lokalnej szybkości ścinania rzędu 20 000 sekund. W większości tego samego zbiornika strefa rozładowania wirnika rzadko przekracza kilkaset. Te dwa lub trzy rzędy wielkości to cała historia mieszania przy wysokim ścinaniu.

Gęstość energii, a nie prędkość wału

Sama moc silnika niewiele mówi. Szybkość ścinania skaluje się w przybliżeniu wraz z prędkością końcówki, podczas gdy moc w przepływie turbulentnym skaluje się z wartością zbliżoną do sześcianu prędkości końcówki. Podwojenie prędkości podwaja ścinanie obserwowane przez produkt, ale wymaga w przybliżeniu ośmiokrotności mocy, a prawie cała ta dodatkowa energia zamienia się w ciepło w produkcie. Skromna głowica typu rotor-stator może pokonać znacznie większe mieszadło przy wytwarzaniu emulsji i poważnie przegrać z nim przy mieszaniu. Dobór należy rozpocząć od działania jednostki, a nie od mocy znamionowej w kilowatach.

Batch i inline to dwie różne maszyny

• Mieszalnik okresowy o wysokim ścinaniu przenosi głowicę roboczą do zbiornika, zwykle na wale z górnym wejściem. Cała partia wielokrotnie przechodzi przez strefę ścinania, więc przepis ma jasny punkt końcowy i wszystko robi jedno naczynie.
• Wbudowany mieszalnik o wysokim ścinaniu pompuje produkt przez komorę zawierającą wirnik i stojan. Może pracować w trybie pojedynczego przejścia lub w pętli recyrkulacyjnej i zapewnia znacznie lepszą kontrolę temperatury, ponieważ w strefie ścinania utrzymuje się jednocześnie tylko niewielka objętość produktu.

Tak czy inaczej, strefa silnego ścinania jest niewielka, a reszta zbiornika wciąż ma do wykonania: konsekwentne podawanie produktu do głowicy, unikanie martwych stref w rogach i utrzymywanie ciał stałych z dala od dna. Oto pytanie, na które odpowiada modelowanie przepływu przed przecięciem jakiejkolwiek stali, dlatego też prace CFD opisane na tej stronie strona serwisu dynamiki płynów jest zwykle pierwszym krokiem w trudnym projekcie dyspersji.

Mieszanie z wysokim ścinaniem a mieszanie konwencjonalne: tabela decyzyjna

Większość argumentów specyfikacji wynika z traktowania całego miksowania jako jednej operacji. Tak naprawdę to trzy operacje związane ze współdzieleniem zbiornika.

Wszystko to nie sprawia, że konwencjonalne mieszadło staje się przestarzałe. Odpowiednio dobrana jednostka z górnym wejściem jest odpowiednią maszyną do mieszania, zawieszania i przenoszenia ciepła, a połączenie jej z oddzielną głowicą o wysokim ścinaniu na etapie dyspergowania jest często tańsze i bardziej elastyczne niż zmuszanie jednej maszyny do wykonywania obu zadań. Jednostki takie jak mieszalnik z górnym wejściem TOPA001DR są zaprojektowane z myślą o pracy z przepływem masowym, a układy uszczelnień i łożysk są dobrane tak, aby zapewniały ciągłą pracę, a nie szczytowe ścinanie.

TOPA001DR Mikser z górnym wejściem do mieszania i zawieszania w masie Mieszalnik serii DR z górnym wejściem do mieszania, zawieszania i przenoszenia ciepła, z napędem pionowym, prostą zwartą konstrukcją i opcjami wirnika/uszczelnienia do zastosowań w ciągłym przepływie masowym. Zobacz produkt →

Dopasowanie głowicy do lepkości i zawartości substancji stałych

Lepkość decyduje, które rodziny mieszalników są w ogóle dostępne, ponieważ kontroluje, czy świeży produkt może wpłynąć do strefy ścinania. W głowicy rotor-stojan szczelina jest stała i wąska; jeśli produkt nie spłynie do niej, głowica po prostu wiruje we wnęce, którą sama stworzyła.

• Poniżej około 5000 cP działają wszystkie śmigła, turbiny o skośnych łopatkach i rzędowy wirnik-stator, a rzędowy jest zwykle najbardziej energooszczędny, ponieważ pompa zasila strefę ścinania zamiast opierać się na przepływie masowym.
• W przedziale od 5 000 do 50 000 cP w grę wchodzą tarcze dyspergujące i głowice wielostopniowe. Potwierdź, że produkt może być pompowany, jeśli planujesz pętlę inline, i obserwuj prąd silnika podczas rozruchu w ustalonej partii.
• Powyżej 50 000 cP dominują geometrie ramy, kotwicy ze skrobakiem, wstęgi i planetarnej. Ścinanie mechaniczne nie jest już czynnikiem ograniczającym – jest nim przenoszenie ciepła przez prawie nieruchomą warstwę i właśnie tym zajmują się skrobaki i taśmy.

Bryły dodają drugie wiązanie. Spoiste proszki należy zwilżyć, zanim będą mogły zostać zdyspergowane, a dysk dyspergujący celowo tworzy wir na powierzchni, dzięki czemu proszek jest wciągany do cieczy, a nie unoszony. Głowica rotor-stator bardzo skutecznie rozbija aglomeraty po ich zwilżeniu, ale nie jest w stanie zwilżyć pływającej tratwy pigmentu. Na tym pierwszym etapie zwykle rozwiązaniem są szybkie dyspergatory, takie jak seria FS1, z głowicą rotor-stator wprowadzoną później w celu dokładnej dyspersji.

Szybkobieżny dyspergator TOPA005 serii FS1 do zwilżania proszku Dyspergator z górnym wejściem serii FS1 do zwilżania spoistych proszków przed drobną dyspersją, z wirnikiem o dużej prędkości, kompaktowym napędem i wieloma opcjami uszczelek do zadań mieszania. Zobacz produkt →

Inline lub Batch: wybierz ogrzewanie, a nie wygodę

Głowica o wysokim ścinaniu koncentruje swoją energię w małej objętości, a energia ta zamienia się w ciepło. W układzie wsadowym cała partia przechodzi przez gorącą strefę wielokrotnie, więc receptura wrażliwa na temperaturę może zostać uszkodzona na długo przed osiągnięciem docelowego poziomu dyspersji.

Wbudowana pętla zmienia tę arytmetykę. Ponieważ w dowolnym momencie w strefie ścinania znajduje się tylko niewielka objętość, ciepło można usunąć pomiędzy przejściami przez naczynie z płaszczem lub wymiennik płytowy, a pętla może pracować tak długo, jak wymaga tego przepis, bez gotowania produktu. Jednostki inline są również łatwiejsze w czyszczeniu na miejscu i są prostsze w oprzyrządowaniu do ciągłej produkcji.

Kompromisem jest elastyczność. Głowicę wsadową można podnieść, oczyścić i ponownie wykorzystać do innej receptury w ciągu kilku minut; płoza inline jest dostosowana do natężenia przepływu i rodziny produktów. Jednostki typu rotor-stator typu Inline, takie jak homogenizator serii ZJH, zbudowane są w oparciu o koncepcję recyrkulacji — mała komora ścinania, pompa i pętla, dzięki czemu kontrola temperatury odbywa się w zbiorniku, a nie w mieszalniku.

Homogenizator do kremów, maści i past do zębów serii TOPH61 ZJH Opatentowany homogenizator recyrkulacyjny ZJH do kremów, maści i past do zębów o dużej lepkości, wykorzystujący obieg wewnętrzny/zewnętrzny, emulgację próżniową i automatyczne przetwarzanie w kompaktowych systemach sanitarnych. Zobacz produkt →

Co określić przed zakupem

1. Docelowa wielkość kropli lub cząstek oraz akceptowalna metoda pomiaru. Określenia „dokładny” i „dobrze wymieszany” nie są specyfikacjami, a wynik dyfrakcji laserowej nie jest tym samym dowodem, co obraz mikroskopowy.
2. Lepkość w temperaturze procesu, a nie w temperaturze pokojowej. Produkt, który na zimno odczytuje 200 cP, może zachowywać się zupełnie inaczej w temperaturze 70°C, a szczelina głowicy roboczej musi pasować do obu.
3. Zakres wielkości partii i zakres regulacji. Jeśli jedna maszyna musi obsłużyć 20% nominalnej partii, strefa ścinania nie może pozostać zanurzona, a silnik może być znacznie przewymiarowany.
4. Zakres prędkości obrotowej, zachowanie napędu i rozruchu. Sterowanie zmienną częstotliwością jest normalne w przypadku głowicy o wysokim ścinaniu, a ograniczenie momentu obrotowego chroni wał, gdy rozpoczyna się ustalona partia.
5. Materiały zwilżane i strategia uszczelnień. Substancje stałe ścierne, agresywne chemikalia CIP i praca podciśnieniowa – wszystko to wpływa na decyzję o uszczelnieniu wału, a uszczelnienie mechaniczne w zbiorniku wyrównawczym ciśnienia lub zbiorniku syfonowym to zupełnie inne wymagania serwisowe niż proste uszczelnienie wargowe.
6. Próba pilotażowa własnego produktu. Geometria głowicy, szczelina i układ szczelin stojana oddziałują z reologią w sposób trudny do przewidzenia na podstawie samych arkuszy danych.

Jeśli chcesz głębiej poznać geometrię głowicy roboczej i sposób, w jaki konstrukcja stojana zmienia wielkość kropli, zapoznaj się z przeglądem witryny konstrukcja emulgatora o wysokim ścinaniu obejmuje praktyczne szczegóły.

Często zadawane pytania dotyczące mieszalników o wysokim ścinaniu

Zasada, która przetrwa kontakt z prawdziwymi projektami, jest prosta: zdecyduj, jaką jednostkę operacji kupujesz – przepływ, dyspersja czy emulgacja – i kup maszynę, która jest dobra w tej jednej rzeczy. Problemy z miksowaniem rzadko zostają rozwiązane, gdy od jednej głowicy wymaga się doskonałości we wszystkich trzech.