Download het artikel in 
Een verkeerde selectie kan desastreuze gevolgen hebben, en dat zowel voor het roerwerk als voor het hele proces.
Waarover gaat het precies?
'Solids suspension' is het suspenderen van vaste stoffen in vloeistoffen, dat wil dus zeggen dat deze vaste stoffen niet mogen uitzakken en een laag op de tankbodem gaan vormen.
Laat ons dus meteen maar opmerken dat dit niet volledig het zelfde is als het oplossen van vaste stoffen in een vloeistof. Hoewel het, in dit laatste geval, ook wel een vereiste is dat de vaste deeltjes in de vloeistof zweven, is dit echter veel minder delicaat omdat de hoeveelheid vaste deeltjes stilaan vermindert in de tijd, doordat deze dus gaan oplossen.
'Solids suspension' is ook niet hetzelfde als het maken van een emulsie of dispersie. Hierbij moeten de vaste deeltjes zeer dikwijls verfijnd worden, hetgeen meestal gebeurt met sneldraaiende 'high shear' roerwerken, die zeer veel vermogen opnemen.
Typische high shear roerwerken zijn roerwerken met de zogenaamde 'Cowles' impeller (figuur 1) en rotor/stator mixers (figuur 2). De tanks waarin deze operatie gebeurt zijn ook meestal niet te groot, typisch enkele duizenden liters. Vermogens van 55 kW en meer zijn hier geen uitzondering.
Enkele voorkomende toepassingen zijn het maken van PVC pasta, pigmenten en kleurstoffen voor beton of het dispergeren van zetmeel in water om bijvoorbeeld lijmen te bereiden. Soms worden, voor deze applicatie, ook rotor/stator mengsystemen gebruikt die in-line werken en over een tank circuleren. Men noemt dit dan dikwijls PLM’s of Pipe Line Mixers (figuur 3).
'Solids suspension' is dus het vermijden dat vaste deeltjes in een vloeistof gaan uitzakken. Indien dit uitzakken toch gebeurt, kunnen er grote problemen ontstaan, omdat de slurrylaag onderin de tank heel dikwijls een hoge densiteit en viscositeit of, erger nog, een dilatante rheologie heeft, waardoor het roerwerk vastloopt.
De gevolgen laten zich reeds raden: verbrande aandrijvingen door overbelasting, gebogen of getorste assen (figuur 4), en als het even tegenzit, ook wel gebroken assen of afgebroken impellerbladen.
Wanneer de tank continu werkt met een overloopsysteem, waarna bijvoorbeeld een filter of centrifuge staat, dan loopt het hele systeem fout omdat de vaste deeltjes in de tank blijven liggen in plaats van naar de separator te gaan.
Eens zich een probleem van uitzakking voordoet, is dit ook dikwijls onomkeerbaar omdat de gestratifieerde onderlaag niet meer in suspensie kan gebracht worden door het roerwerk.
Om dit probleem op te lossen kan de tankbodem eventueel voorzien worden van injectiesystemen die lucht of vloeistof kunnen inbrengen onder hoge snelheid om de vaste stof te hersuspenderen.
Dit scenario moet echter beschouwd worden als een calamiteit, na bijvoorbeeld een stroompanne. De juiste oplossing is, en blijft, nog altijd de selectie van het gepaste roerwerk.
De oorsprong van de vaste deeltjes kan ook verschillen. Soms worden in een tank vaste deeltjes toegevoegd die moeten gesuspendeerd worden, maar heel dikwijls ontstaan in een reactor ook vaste deeltjes door een chemische reactie.
Deze vaste deeltjes kunnen een bijproduct zijn dat moet verwijderd worden door filtratie of centrifugatie, of het kan ook juist het gewenste eindproduct zijn. Een andere typische toepassing is het suspenderen van vaste deeltjes in de waterbehandeling in bijvoorbeeld coagulatiesystemen of 'anoxic zone'.
Ieder geval is uniek met zijn eigen typische criteria, en moet door een roerwerkenspecialist nauwkeurig bekeken worden. Om een juiste selectie te kunnen maken, zijn terug veel gegevens nodig, en daar durft het wel eens fout lopen. Daarom is deze bijdrage ook een beetje als bewustwordingsproces bedoeld.
De 'terminale valsnelheid'
In de tijd toen Gaia nog niet bestond, werden in Ieper wel eens katten van de toren gegooid. Het rare was dat een aantal van deze arme diertjes deze barbaarse praktijk overleefden, zonder echte schade. Hoe kan dit?
De uitleg is de 'terminale valsnelheid'. Wanneer een vast lichaam in een fluidum, dat zowel een gas als een vloeistof kan zijn, valt, komt er een moment dat er een evenwicht ontstaat tussen de zwaartekracht, de wrijving en de opwaartse stuwkracht (Eureka, zoals Archimedes het ooit zo mooi uitdrukte toen hij zijn bad aan het nemen was).
Dit evenwicht zorgt ervoor dat de valsnelheid constant wordt, en dus niet meer toeneemt, en deze snelheid wordt de 'terminale valsnelheid' (terminal velocity) genoemd. De terminale valsnelheid wordt door een aantal factoren bepaald, met als belangrijkste de densiteiten van het vaste deel(tje) en het fluidum, de vorm, het oppervlak en de grootte van het vaste deeltje en de viscositeit van het fluidum.
Ook het zwaartepunt van het vaste deeltje speelt een belangrijke rol, want dat bepaalt de orientatie die tijdens de val door het deeltje zal aangenomen worden. Het spelen met deze parameters kan tot verbluffende resultaten leiden, met als belangrijkste verwezenlijking de parachute die dus een mens in staat stelt om een sprong van op een grote hoogte heelhuids te overleven. Je moet er maar aan denken.
Onze Ieperse katjes, die altijd op hun pootjes vallen, blijken zelf zo’n beetje hun eigen parachute te hebben, waardoor dus ook die terminale snelheid beperkt wordt tot een waarde die kan overleefd worden. Ter illustratie: de terminale valsnelheid van een kat in vrije val ligt ergens rond 100 km/u, terwijl deze voor een mens tussen 200 en 300 km/u ligt, afhankelijk van zijn houding tijdens de val. De valsnelheid met een parachute ligt ergens rond 20 km/u.
Waar is dit nu allemaal goed voor?
Bij 'solids suspension' is de cruciale parameter voor de selectie van het roerwerk de terminale valsnelheid. In dit concrete geval zijn de hoofdparameters het densiteitsverschil tussen de vaste stof en de vloeistof, de viscositeit van de vloeistof, en de granulometrie van de vaste stof. Daarnaast speelt ook de vorm van de vaste stofdeeltjes een rol.
Laat het voor eens en voor altijd duidelijk zijn dat met de densiteit van de vaste stof wel degelijk de korreldensiteit, en niet het stortgewicht, bedoeld wordt. We benadrukken dit maar omdat er hierover nogal dikwijls verwarring blijkt te bestaan.
Wanneer de parameters bekend zijn, kan de terminale valsnelheid berekend worden, hoewel dat meestal enkel bij benadering is. Indien mogelijk, is het altijd veiliger om de terminale valsnelheid te meten door gewoon de tijd te bepalen die een deeltje nodig heeft om een bepaald traject af te leggen in de vloeistof.
De valsnelheid die men zo meet, en ook de berekende trouwens, noemt men de 'ongehinderde' terminale valsnelheid, want er speelt nog een factor mee waarover we het nog niet hadden, met name de hoeveelheid vaste stof. Wanneer meerdere vaste deeltjes aanwezig zijn, hetgeen bij solids suspension dus bijna altijd het geval is, zullen de vaste deeltjes mekaar hinderen, hetgeen ontegensprekelijk een invloed op de terminale valsnelheid heeft. Alle serieuze roerwerkenfabrikanten kennen de correctiefactoren om daarmee rekening te houden.
In bepaalde gevallen kan er ook coalescentie optreden, zeker bij een grotere concentratie aan vaste deeltjes waarbij deze aan mekaar gaan klitten, en dat is een valkuil die veel moeilijker in te schatten is. Menige selectie sneuvelt op dit fenomeen.
(door Eddy Van de Putte, Mervers Benelux)
