Download het artikel in 
ENGINEERINGNET -- Een eerste parameter is het gasdebiet. Gezien we hier over gassen spreken, is het noodzakelijk om zeer goed de zaken te definiëren. Kwestie van duidelijk te zijn over de druk en temperatuur. Heel dikwijls wordt in het wereldje van de gasdispergering het begrip 'vvm' gebruikt. Dit is het normaal gasdebiet in Nm³/min per eenheid tankvolume in m³.
Mathematisch wordt dit dus:
vvm = 60 x QNg/V (1)
Of omgekeerd:
QNg = vvm/60 x V (2)
Waarbij:
vvm = Normaal gasdebiet per eenheid tankvolume, uitgedrukt in min-1
QNg = Normaal gasdebiet, uitgedrukt in Nm³/sec
V = tankvolume, uitgedrukt in m³
Het Normaal gasdebiet is het gasdebiet,
gecorrigeerd naar de omstandigheden van
p = 1 bara en t = 25°C (dus 298° K).
Dus:
QNg = Qg x p x (298/t) (3)
En omgekeerd:
Qg = QNg x (1/p) x (t/298) (4)
Waarbij:
Qg = gasdebiet bij actuele druk en temperatuur, uitgedruk in m³/sec
p = absolute druk, uitgedrukt in bara (= statische druk, incl. hoogte vloeistofkolom)
t = temperatuur, uitgedrukt in °K
Een tweede belangrijke parameter is de oppervlaktesnelheid van het gas (superficial gas velocity). Dit is de verhouding van het actuele gasdebiet (m³/sec) op de tanksectie (m²), of mathematisch:
vsg = Qg/A (5)
Waarbij:
vsg = oppervlakte-gassnelheid, uitgedrukt in m/sec
A = tanksectie, uitgedrukt in m²
Een derde belangrijk begrip is de 'gas holdup'. Dit is een belangrijke ontwerpparameter wegens zijn directe impact op de massatransfer, maar ook omdat een grotere holdup het vloeistofniveau kan verhogen, waardoor de hoeveelheid vloeistof die in de tank kan kleiner wordt.
De gas holdup wordt als volgt gedefinieerd:
α = Vg/(Vg + Vl) = (Zg - Zu)/Zg (6)
Waarbij:
α = gas holdup (dimensieloos)
Vg = volume gas, uitgedrukt in m³
Vl = volume vloeistof, uitgedrukt in m³
Zg = vloeistofniveau onder begaste condities, uitgedrukt in m
Zu = vloeistofniveau onder onbegaste condities, uitgedrukt in m
De gas holdup is functie van de fysische eigenschappen van de vloeistof, het impellersysteem, de energie-inbreng en het gasdebiet. Er bestaan correlaties tussen deze verschillende parameters om de bereikte holdup te berekenen, maar dit gaat het doel van dit bestek te buiten.
figuur 1: stromingsregimes.
Stromingspatronen
Een laatste belangrijke ontwerpparameter, zijn de verschillende stromingspatronen. Het stromingspatroon in een gas-vloeistof-reactor bepaalt de homogeniteit van de dispersie hetgeen de gas holdup, de massatransfer en de lokale gasconcentraties bepaalt. De belangrijkste stromingspatronen worden getoond in figuur 1.
Voor een gegeven gasdebiet, wordt het stromingspatroon in een tank bepaald door de roerwerksnelheid. Bij lage impellersnelheden kan de actie van de impeller overwelmd worden door de stijgende gasstroom. Onder deze condities is de impeller 'flooded', omdat het gas rechtstreeks door de impeller opstijgt naar het vloeistofoppervlak (zie figuur 1a). Het verhogen van de impellersnelheid bij een gegeven gasdebiet leidt tot een situatie waarbij de impeller het gas radiaal dispergeert (zie figuur 1b).
Deze situatie wordt gewoonlijk 'loading' genoemd, wanneer de gasbellen de tankwand bereiken, maar niet onder de impeller hercirculeren. Als de impellersnelheid nog verder verhoogd wordt, circuleert het gas op een bepaald moment door het hele tankvolume (zie figuur 1c).
De impellersnelheid waarbij deze complete dispergering gebeurt wordt meestal aangeduid als de Ncd. Het nog verder verhogen van de impellersnelheid verandert het algemene stromingspatroon in de tank niet meer, maar het opgenomen vermogen stijgt natuurlijk wel. De aandachtige lezers zullen zich nog herinneren dat het verband tussen de impellersnelheid en het opgenomen vermogen een derdemachtsverband is, dus het is nuttig om Ncd zo juist mogelijk te bepalen.
figuur 3: oppervlaktebelucter.
Ook daarvoor zijn verschillende correlaties uitgewerkt, die meestal angstvallig door de roerwerkfabrikanten afgeschermd worden. Voor wie er meer wil over weten, verwijzen we terug naar het naslagwerk 'Industrial Mixing', dat we reeds in een vorige bijdrage vermeldden.
Tenslotte is het ook belangrijk om te realiseren dat het opgenomen vermogen bij begaste en onbegaste omstandigheden verschilt, en wel in die zin dat het opgenomen vermogen met gas kleiner is dan zonder gas. Hoe slechter de dispergering in de impeller, hoe groter het verschil wordt. Belangrijk is ook om te weten dat het verschil het grootste is bij de Rushton impeller, in vergelijking met recentere concave blade impellers.
Gewoonlijk is het economischer om de grote roerwerkaandrijvingen zodanig te ontwerpen dat de motor volbelast is onder begaste voorwaarden. Er zijn echter wel enkele veiligheidsmaatregelen nodig om te vermijden dat deze overbelast wordt als de gasstroom onderbroken wordt. Daarom worden soms ook wel poolomschakelbare motoren gebruikt, of is het roerwerk vergrendeld als er geen of te weinig gas aanwezig is. Om redenen, hierboven aangehaald, is dit allemaal iets minder kritisch bij de moderne concave blad impellers.
De buitenbeentjes
Naast de systemen die hierboven beschreven werden, zijn er enkele toepassingen waarbij op een totaal andere manier tewerk gegaan wordt. Een eerste belemmering is dikwijs de grote shear rate die door de radial flow impellers verwekt wordt. Wanneer het medium shear gevoelig is, zoals dikwijls het geval is bij biologische systemen, kan het gebruikt van een Rushton of aanverwante impeller problematisch worden.
Een typisch voorbeeld zijn de gistpropagatietanks (zie figuur 2) in de brouwerijen. Deze moeten belucht worden, maar daarbij is het belangrijk dat de gevoelige gistcellen niet gedood worden. Bij deze applicatie worden soms jetsystemen gebruikt. Soms zijn de tanks uitgerust met traagdraaiende roerwerken die zelf hol uitgevoerd zijn, zodat via het roerwerk zelf de steriele lucht ingebracht wordt. De gasdispergering is daar zeker niet optimaal te noemen, maar een consensus is dikwijls vereist als men vuur met water moet verenigen.
Een andere toepassing van beluchting vindt men ook in de waterbehandeling. Hier worden dikwijls oppervlaktebeluchters (zie figuur 3) gebruikt die het water in een straal in de omgevingslucht strooien. Soms worden ook op de bodem van het bekken poreuze matten gelegd die de lucht onder de vorm van zeer fijne belletjes inbrengen.
Tenslotte kunnen gassen ook in continu gedispergeerd worden in een vloeistof. Daarvoor worden dan statische mengers of aangedreven pipe line mixers (de fameuze PLM’s) gebruikt.
door Eddy Van de Putte, Mervers Benelux
Daarmee eindigt deze bijdrage over het dispergeren van gassen in vloeistoffen. Volgende keer gaan we een beetje dieper ingaan op het roeren van visceuze vloeistoffen, hetgeen dikwijls niet meer mogelijk is met turbinemengers. Dan komen we in de wereld van de anker- en lintmengers, en voor zeer dikke producten de kneders.
