Download het artikel in 
ENGINEERINGNET -- Het is algemeen geweten dat in de praktijk waarschijnlijk meer dan de helft van alle geïnstalleerde mengers voor gasdispersie niet optimaal gedimensioneerd zijn, en bijgevolg ook niet optimaal werken.
Vele systemen zijn ook totaal verouderd qua toegepaste technologie, maar het feit dat men er reeds jaren mee werkt, duidt erop dat het misschien allemaal niet zo delicaat is, als we graag zouden geloven.
Het is te vergelijken met de pompen waarbij het ook bekend is dat er nog veel energie zouden kunnen bespaard worden als het allemaal zou geoptimaliseerd worden. Om een beetje duidelijkheid te scheppen gaan we proberen om de probleemstelling systematisch te benaderen, zodat iedereen makkelijk kan volgen.
Toepassingen
Het, liefst zo homogeen mogelijk, mengen van een gas in een vloeistof is vereist bij fermentatieprocessen en een variëteit aan hydrogenatie- en oxidatieprocessen. Het roeren bevordert de massatransfer tussen de gas- en vloeistoffase. Gas-vloeistof reactoren werken dikwijls met hoge vermogensinput en grote gasinhoud, zodat het ontwerp van deze units behoorlijk moeilijk kan worden.
Gezien het inbrengen van een gas in een vloeistof meestal gepaard gaat met een chemische reactie is het nodig om een groot contactoppervlak te krijgen tussen de fasen, en op deze manier de massatransfercoëfficiënt te vergroten.
Enkele typische voorbeelden zijn:
- Oxidatie van organische molecules, zoals cyclohexaan naar cyclohexanon
- Hydrogenatie van onverzadigde glyceriden
- Bioreactoren en fermentoren (zie figuur 1)
onder aerobe omstandigheden voor de productie van bijvoorbeeld antibiotica, steroïden en proteïnes. Deze fermentatie vereist een adequate zuurstoftoevoer om de micro-organismen te voeden. - Gistpropagatie in de bouwerijen
- Ozonificatie of chlorering voor desinfectie
De componenten
Bij gasdispersie toepassingen moet de impeller meerdere taken uitvoeren. Het systeem moet een grote snelheidsgra-diënt, of shear rate, creëren om het gas in kleine belletjes te breken. Een hoge graad van turbulentie is nodig om de weerstand tegen de massatransfer tussen de gas- en vloeistoffase te doorbreken en tenslotte moet de impeller voldoende stroming in de tank creëren om een zo groot mogelijke homogeniteit in de batch te verkrijgen.
In de jaren zeventig was het gebruikelijk om voor gasdispergeertoepassingen radiale flat-blade turbines te specifiëren. Vooral de zesbladige versie, ook wel gekend onder de naam Rushton turbine (zie figuur 2), was populair. Daarom wordt deze turbine ook algemeen beschouwd als een generische turbine met zeer goed omschreven dimensieverhoudingen die zeer intensief bestudeerd is.
De Rushton turbine werkt goed voor gasdispersie, maar heeft met zijn Powernumber Np van 5,50 de vervelende neiging om nogal veel vermogen te absorberen.
Daarom werd al snel uitgekeken naar alternatieve impellers, en sindsdien zijn er meerdere nieuwe impellerontwerpen beschikbaar geworden. De opkomst van de concave-blade impellers heeft zowat dezelfde impact gehad op de gas/vloeistof toepassingen als de high-efficiency hydrofoil impellers op de liquid blending en solids suspension toepassingen.
Tegenwoordig zijn meerdere varianten concave-blade impellers beschikbaar. De oudste is de zesbladige impeller, ook bekend als de Smith impeller (zie figuur 3). Recentere ontwerpen gebruiken andere krommingen voor de schoepen, en een asymmetrische uitvoering, zoals de Chemineer BT-6 impeller (zie figuur 4). Recente impellerontwerpen nemen slechts de helft van het vermogen van een Rushton turbine op.
Het gas wordt meestal ingebracht in de reactor door middel van een zogenaamde “sparger”. In zijn eenvoudigste vorm is dit een geperforeerde buis, die ook een ringvorm kan hebben (zie figuur 5). De sparger kan echter ook gemaakt zijn van poreuze materialen (zie figuur 6). Iedere fabrikant heeft zo’n beetje zijn eigen ontwerp dat dikwijls verbonden is met hun geschiedenis.
Multiple impellersystemen die gebruik maken van een combinatie van radial flow impellers, gemonteerd onder axial flow high-efficiency impellers, worden stilaan populairder. Als axial flow impellers worden tamelijk typisch de high-solidity impellers gebruikt.
Deze impellers hebben brede schoepen die overlappen en hogere Powernumbers als de axial flow impellers voor liquid blending. De multiple impellersystemen kunnen een meer uniforme gasconcentratie houden, die zeer belangrijk is voor bijvoorbeeld de aerobe fermentoren.
De gassparger wordt steeds onder de onderste radial flow impeller gemonteerd (zie figuur 7). Deze radial flow impeller breekt de gasbellen, terwijl de bovenste axial flow impellers de circulatie en bulkmenging van de tankinhoud verzekeren. Deze impeller configuratie werkt bijzonder goed als er weinig gasbel-coalescentie optreedt.
Het aanbevolen aantal impellers voor gasdispersie hangt af van de verhouding van de begaste vloeistofkolomhoogte Zg op de tankdiameter T, zoals getoond in tabel 1.
Voor een optimale werking moeten de impellers van elkaar gescheiden zijn door een afstand die minstens gelijk is aan de diameter van de kleinste impeller. Meestal worden de impellers zodanig gekozen dat de axial flow impeller(s) ongeveer 1,3 maal zo groot zijn als de radiale turbine.
Deze opstelling geeft de beste verdeling van de energie input in de batch. De verhouding van de impeller diameter tot de tankdiameter (D/T) moet ergens tussen 0,3 en 0,5 liggen voor radiale turbines, en tussen 0,4 en 0,65 voor axial flow turbines.
Gasdispersie systemen met een radiale turbine in de bodem en axial flow turbines erboven krijgen de voorkeur voor biologische systemen omdat daar ook dikwijls de shear rate moet beperkt worden om de micro-organismen niet te doden.
Systemen met meerdere radial flow turbines kunnen echter soms beter presteren in niet-biologische processen. De beste sparger opstelling onder de laagste impeller is een sparger met een diameter die ergens tussen 0,5 en 0,75 maal de impellerdiameter ligt. Er zijn echter vele uitzonderingen op deze vuistregel, en dikwijls moet dit uitgetest worden. Dikwijls maakt het ook niet zoveel uit.
Het beste worden vier baffles gebruikt, daar deze systemen steeds in turbulent regime werken. Deze baffles hebben best een breedte van 1/12 van de tankdiameter en worden normaal gemonteerd met een doorgang van 1/72 tankdiameter van de tankwand. De baffles moeten lopen van de onderste tangenslijn tot het begaste vloeistofoppervlak. Als dit laatste variabel is laat men de baffles best tot aan de bovenste tangenslijn lopen.
Er is ook nogal wat onenigheid over de vraag of men nu best downpumpers of uppumpers gebruikt voor de axial flow turbines. Europa is meer geneigd naar de downpumpers, terwijl er in de Verenigde Staten eerder een trend naar uppumpers bestaat. Elk heeft zo zijn eigen argumenten.
door Eddy Van de Putte, Mervers Benelux
In de volgende editie zullen we verder ingaan op de theorie van het dispergeren van gassen in een vloeistof.
