Statische mengers: continu mengen zonder tank (2)

In deze bijdrage gaan we verder in op een tweede belangrijke parameter, de zogenaamde Coëfficiënt of Variation, afgekort tot CoV.

Trefwoorden: #CoV, #Coëfficiënt of Variation, #mengen, #mervers, #statische menger

Lees verder

pumps_art

Download het artikel in

ENGINEERINGNET.BE - In een voorgaande bijdrage (mei 2014) hebben we het gehad over de 'broken helix' statische menger (zie figuur 1).

We zijn toen wat dieper ingegaan op de verschijnselen flow division (zie figuur 2) en radial mixing. Een belangrijke parameter die meespeelt in het ontwerp van een statische menger is het drukverlies. Deze parameter wordt mede bepaald door het type voedingspomp vóór de menger, en natuurlijk ook de viscositeit van de te mengen producten.

Daarover hadden we het ook in een vorige bijdrage. Een tweede belangrijke parameter is de zogenaamde Coëfficiënt of Variation, afgekort tot CoV.

De mengkwaliteit kan gedefinieerd en voorspeld worden via de zogenaamde Coëfficiënt of Variation (CoV). Dit is een statistische waarde, waarbij:

(1)

Hierbij is:
= de standaard deviatie van de concentraties van een component in de stalen
x = de gemiddelde (gewenste) volume fractie van een component

CoV gegevens kunnen bekomen worden door full scale test procedures, waarbij gekende hoeveelheden van een additief geïnjecteerd worden en waarbij er, op een bepaald punt downstream, meerdere stalen genomen worden op meerdere radiale posities.

Deze stalen moeten wel allemaal op hetzelfde tijdstip genomen worden en er moeten natuurlijk ook voldoende stalen genomen worden. Na analyse van de stalen kan de CoV waarde bepaald worden. Hoe kleiner de Cov, hoe minder variatie in de concentraties van de stalen er is, dus hoe beter de mengkwaliteit. Voor het overgrote deel van de toepassingen wordt een streefwaarde van CoV = 0,05 nagestreefd, maar dit kan uiteraard afwijken in functie van een specifieke toepassing.

Bij een normale Gauss distributie van concentraties zullen 2/3 (dus 66,7%) van de stalen vallen binnen een concentratiewaarde van x ± 1CoV. Ongeveer 95% van de stalen zullen vallen binnen een concentratiewaarde van x ± 2CoV en ongeveer 99,8% van de stalen zullen vallen binnen een concentratiewaarde van x ± 3 CoV.

Enkele cijfervoorbeelden
We beginnen met een zeer slechte menging met bijvoorbeeld een CoV = 0,4. Als de streefconcentratie x = 10 mg/l is, dan zouden 95% van de stalen binnen een concentratie vallen van 2 - 18 mg/l (10 ± 2x4) en 99,8 % van de stalen zouden zelfs vallen binnen een concentratie van 0 - 22 mg/l (10 ± 3x4).

Een behoorlijke menging zou bijvoorbeeld een menging kunnen zijn met een CoV = 0,03. Als onze streefwaarde terug x = 10 mg/l is, dan zouden 95% van de stalen vallen binnen een concentratierange van 9,4 – 10,6 mg/l en 99,8% tussen 9,1 – 10,9 mg/l.

Tegenwoordig is bij de verschillende fabrikanten van statische mengers software beschikbaar die toelaat om verschillende simulaties te doen met verschillende configuraties en zo een statische menger te definiëren die de gewenste drukval en CoV oplevert voor een welbepaalde set producten die moeten gemengd worden.

In de regel verbetert de mengkwaliteit (dus lagere CoV waarde) wanneer:
* De staalname verder weg van de statische menger gebeurt. Er is immers altijd nog een hoeveelheid namenging. Meestal wordt een genormaliseerde staalname van 5 x de mengerdiameter na de menger gehanteerd. Bij een menger met een diameter van 100 mm zal dus de staalname gebeuren op 500 mm na de menger. De software is ook op deze waarde gebaseerd.
* Er meer mengelementen gebruikt worden. Het type mengelementen speelt uiteraard ook een rol.
* Er hogere axiale snelheden bereikt worden. Dit doet dan wel het drukverlies stijgen.

Het is wel belangrijk om zich te realiseren dat een kleine hoeveelheid additief moeilijker te mengen is dan een groot volume. Immers, hoe kleiner de waarde x wordt in vergelijking (1), hoe groter de CoV wordt.

Andere types statische mengers
De broken helix statische menger is zowat de klassieker onder de statische mengers en kan ook voor de meeste toepassingen in zowel turbulent als laminair regime gebruikt worden. Maar dat betekent niet dat hij voor al deze toepassingen de optimale oplossing is.

In het transitaire of laminaire regime is het soms moeilijk om met de broken helix een voldoende grote mengkwaliteit te verkrijgen zonder een zeer lange menger te gebruiken. Voor veeleisende mengopdrachten met vloeistoffen met zeer hoge viscositeiten of volumeratio’s zijn daarom speciale statische mengers ontwikkeld met een andere meer dichte vorm van de mengelementen (zie figuren 3 en 4).

Deze mengers geven uiteraard veel hogere drukverliezen als de broken helix maar zijn in staat om betere mengkwaliteiten (dus lagere CoV) te halen met een kortere lengte.

In het turbulente regime zijn ook een aantal nieuwe designs ontstaan als alternatief voor de broken helix. Al deze designs hebben als belangrijkste eigenschap dat ze meer open zijn. Een ontwerp dat al een aantal jaren meegaat bestaat uit het aanbrengen van schuine baffles in de menger (zie figuur 5).

Deze mengers kunnen een zeer lage CoV waarde bereiken met een gering drukverlies. Ze bieden ook het voordeel dat ze uitgevoerd kunnen worden in vierkante of rechthoekige ducts, en zelfs in open betonnen kanalen (zie figuur 6). Ze kunnen ook makkelijk als retrofit geplaatst worden in bestaande leidingen. Ze worden ook dikwijls gebruikt voor het mengen van gassen.

Recentelijk zijn een aantal designs ontstaan van zeer korte mengers die in staat zijn om zeer goede mengingen te realiseren in turbulent regime (zie figuur 7).

Een typisch voorbeeld is de Ultratab van Kenics (zie figuur 8). Op visceuze vloeistoffen presteren zij zeer slecht. Het is wel belangrijk om te beseffen dat deze laatste types mengers louter geschikt zijn om te werken in turbulent regime, dus voor waterige vloeistoffen of gassen.

Warmtewisselaars
Statische mengers kunnen ook gebruikt worden als warmtewisselaars. Daarbij wordt vooral gebruik gemaakt van het radiale mengen hetgeen het rendement van de warmtewisselaar bij vloeistoffen met hoge viscositeit zeer sterk kan verhogen.

De transfercoëfficiënt kan in bepaalde gevallen met een factuur 10 verhoogd worden. De fouling kan ook zo goed als vermeden worden omdat er meer productvernieuwing is aan de wand. In zijn eenvoudigste vorm is dit een dubbelwandige statische menger.

Er zijn ook nog twee andere ontwerpen op de markt. Het eerste ontwerp is de shell & tube warmtewisselaar, waarbij de tubes uitgerust zijn met broken helix mengelementen (zie figuur 9 en 10). De op te warmen of te koelen vloeistof stroomt normaal in de buizen en het opwarm- of koelmedium in de shell.

Een tweede ontwerp is een warmtewisselaar waarbij het op te warmen of te koelen product in de shell stroomt. Dus omgekeerd als degene die hierboven vermeld is. De shell is dan ook uitgerust met baffles die de stroming moeten geleiden om de verblijftijd voldoende hoog te houden en voorkeurstromen te vermijden (zie figuur 11). Het opwarm- of koelmedium stroom dan door de buisjes.

De keuze tussen deze types warmtewisselaars wordt bepaald door een aantal parameters, waarbij de verblijftijd een belangrijke is voor het ontwerp van continue reactoren. Om deze verblijftijd voldoende hoogte te houden wordt soms gebruikt gemaakt van een cascadeschakeling van statische mengers (zie figuur 12).


Hiermee eindigt dan het korte overzicht van de stand van zaken op gebied van statische mengers. Dit overzicht is allesbehalve volledig, maar geeft hopelijk een aanzet om er meer over te leren.
Eddy Van De Putte, Mervers Benelux

Op de figuur boven:
Figuur 1 (bovenaan): 'broken helix' statische menger.
Figuur 2 (onderaan): flow division