Przepływ rurowy

Przepływ rurowy i przepływ w zbiorniku to dwie podstawowe koncepcje ciągłego mieszania proszków. Oba rodzaje przepływu znacznie różnią się pod względem zachowania technologicznego. To, które rozwiązanie jest lepsze, zależy zawsze od konkretnego zastosowania.

W przypadku przepływu rurowego materiał sypki jest transportowany w sposób ciągły przez komorę mieszania o zasadniczo rurowym kształcie. Mieszanie odbywa się podczas przepływu osiowego. W idealnym przypadku przepływ zbliża się do przepływu typu „plug”. Osiowe przemieszanie wsteczne jest niewielkie. Cząstki przemieszczają się przez mieszalnik z podobnym czasem przebywania.

Kluczową wielkością charakterystyczną jest średni czas przebywania. Opisuje on średni czas przebywania cząstki w układzie.

t_m = V/V˙

• t to średni czas przebywania
• V to efektywna objętość mieszania
• V˙ to przepływ objętościowy

W przypadku przepływu rurowego istotna jest nie tylko średnia wartość czasu przebywania, ale przede wszystkim jego rozkład. Rozkład czasu przebywania jest stosunkowo wąski. Sprzyja to równomiernej jakości produktu. Profile temperatury lub wilgotności można dobrze kontrolować. Przepływ rurowy nadaje się zatem szczególnie do wrażliwych receptur i produktów o wąskich specyfikacjach.

Przeciwieństwem przepływu rurowego jest mieszanie w kotle z ciągłym przepływem. Tutaj proszek znajduje się w zbiorniku mieszającym z jednoczesnym dopływem i odpływem. Kocioł jest idealizowany jako system całkowicie wymieszany. W każdym momencie skład w całym kotle jest jednorodny.

Również w przypadku mieszania w kotle średni czas przebywania wynika ze stosunku objętości do przepustowości. Decydująca różnica polega na rozkładzie czasu przebywania. Dla idealnie wymieszanego kotła otrzymujemy rozkład wykładniczy.

E(t) = 1/t_m ⋅ exp (−t/t_m)

• E(t) to funkcja gęstości czasu przebywania
• t to indywidualny czas przebywania cząstki
• t_m to średni czas przebywania

Rozkład ten oznacza, że nie ma stałego minimalnego czasu przebywania. Część cząstek opuszcza kocioł bardzo wcześnie. Inne cząstki pozostają w układzie znacznie dłużej. Rozrzut czasów przebywania jest duży. Wariancja czasu przebywania wynosi

(σ_t)² = (t_m)²

(σ_t)² jest wariancją czasów przebywania. To silne ponowne wymieszanie ma konsekwencje technologiczne. Mieszanie w zbiorniku działa buforująco. Wyrównuje wahania na dopływie. Sterowanie procesem jest odporne. Jest to korzystne w przypadku trudnych właściwości substancji lub niestabilnych warunków brzegowych.

Do ilościowego opisu ponownego mieszania często stosuje się liczbę Pecleta. Pozwala ona na klasyfikację między przepływem rurowym a kotłowym.

Pe = u⋅L/D_ax

• Pe to liczba Pecleta
• u to średnia osiowa prędkość przepływu
• L to charakterystyczna długość przestrzeni mieszania
• D_ax to osiowy współczynnik dyspersji

Wysokie liczby Pecleta charakteryzują przepływ podobny do przepływu rurowego z niewielkim wymieszaniem wstecznym. Niskie liczby Pecleta wskazują na silne wymieszanie wsteczne i zachowanie podobne do kotła.

Przepływ rurowy i ciągłe mieszanie w kotle nie są zatem konkurencyjnymi procesami w sensie lepszym lub gorszym. Stanowią one różne narzędzia technologiczne. Przepływ rurowy zapewnia wąski rozkład czasu przebywania i wysoką dynamikę procesu. Mieszanie w kotle zapewnia stabilność i efekt buforowy. Wybór odpowiedniego rodzaju przepływu ma decydujący wpływ na jakość mieszania, stałość produktu, regulację i ekonomiczność. Jest to kluczowy etap przy projektowaniu ciągłych procesów mieszania proszków.