REKLAMA


 

REKLAMA


 

Tanie w kropli mieszanie Jakub Ostałowski (www.jakubostalowski.com)

Uzyskanie czystego produktu z surowców w przemysłowych procesach ich przetwarzania jest trudne. Jak badać mieszalniki i zapewnić efektywne wykorzystanie energii?

Jasinka_Magdalena

Autorką tekstu jest

dr hab. inż. Magdalena Jasińska

Politechnika Warszawska
e-mail: Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.  

 

Dr hab. inż. Magdalena Jasińska pracuje w Zakładzie Inżynierii i Dynamiki Reaktorów Chemicznych na Wydziale Inżynierii Chemicznej i Procesowej PW; ubiegłoroczna laureatka nagrody naukowej Wydziału IV Nauk Technicznych PAN za rozprawę habilitacyjną. W latach 2012–2014 wraz ze współpracownikami uzyskała patent światowy, dwa patenty europejskie oraz złożyła dwa zgłoszenia patentowe.

 


 

Wprzemyśle chemicznym oraz pokrewnych – spożywczym, farmaceutycznym, kosmetycznym czy tworzyw sztucznych – zasadniczym celem jest przetworzenie surowców w półprodukty i produkty końcowe o określonych, ściśle zdefiniowanych właściwościach. Dyscypliną naukową, która umożliwia ścisłą interpretację procesów przetwórczych, jest inżynieria chemiczna.

 

Ciekawym zagadnieniem jest wykorzystanie do wytwarzania form użytkowych produktów mieszalników typu rotor-stator. Mieszalniki tego typu charakteryzują się generowaniem wysokich naprężeń lokalnie, w wybranych obszarach urządzenia. Pozostałe obszary można wtedy traktować jako obszary pasywne z punktu widzenia działania naprężeń i zużycia energii mechanicznej. Pomaga to uzyskać wysoką wydajność i efektywność energetyczną procesów homogenizacji, dyspersji, emulsyfikacji, mielenia, przemian chemicznych, dezintegracji komórek mikroorganizmów oraz koagulacji. Prowadzenie tych procesów jest energetycznie kosztowne, cenne stają się zatem umiejętności przewidywania mocy mieszania oraz możliwość jej jak najbardziej efektywnego wykorzystania.

 

Teoretyczny opis takiego procesu nie jest jednak sprawą prostą. Warto tu przytoczyć opinię Atiemo-Obenga i Calabrese przedstawioną w popularnym „Handbook of Industrial Mixing”, Wiley, 2004: „Do chwili obecnej nie ma podstawowego matematycznego opisu urządzeń typu rotor-stator”. Po roku 2004 ukazało się wiele artykułów naukowych, w których opisano szczegóły pracy mieszalnika typu rotor-stator i mechanizmy zachodzących w nim procesów, a wśród nich prace mojego i prof. Jerzego Bałdygi autorstwa. Produkt główny na celowniku Rozważmy proces przetwarzania surowca w produkt prowadzony w mieszalnikach typu rotor-stator. Jest to proces złożony, wieloetapowy, który obejmuje zarówno etapy o charakterze mechanicznym (tzw. operacje jednostkowe), jak i chemicznym. Zasadniczym problemem, który towarzyszy przebiegowi reakcji chemicznych, jest możliwość wytworzenia produktów reakcji ubocznych. Oprócz produktu głównego powstają bowiem produkty niepożądane, w ilościach zależnych od warunków prowadzenia procesu. Tymczasem celem prowadzenia procesu jest przecież uzyskanie czystego produktu.

 

Pierwszym sposobem na osiągnięcie tego celu jest wydzielenie produktu głównego z mieszaniny zawierającej również produkty uboczne. Jest to jednak metoda energetycznie bardzo kosztowna. Drugi sposób polega na prowadzeniu procesu tak, aby minimalizować wytwarzanie produktów ubocznych. W przypadku przemian chemicznych prowadzonych w układach homogenicznych decydującą rolę odgrywa wtedy mikromieszanie, czyli mieszanie na skalę molekularną. Jeśli z kolei mamy do czynienia z reakcjami przebiegającymi w układach dwufazowych ciecz-ciecz, to o selektywności przebiegu procesu może decydować szybkość transportu masy między fazą rozproszoną (krople) a fazą ciągłą. Umiejętne sterowanie sposobem i szybkością przebiegu tych procesów, a wiec kinetyką reakcji chemicznych oraz sekwencją kontaktowania reagentów i szybkościami mieszania oraz transportu masy, umożliwia taki przebieg reakcji chemicznych, który prowadzi do uzyskania czystego produktu. Opracowanie metodologii i selektywnego prowadzenia procesów kontrolowanych przez mieszanie było jednym z zasadniczych celów prac prowadzonych w naszym zespole.

 

Reakcje chemiczne określamy jako bardzo wolne, wolne, szybkie lub natychmiastowe, jeśli ich charakterystyczne stałe czasowe są odpowiednio: znacznie większe, nieco większe, zbliżone lub znacznie mniejsze od stałych czasowych mieszania i wymiany masy. W przypadku gdy mamy do czynienia z układem reakcji złożonych, produkt główny powstaje zazwyczaj w reakcji szybkiej lub bardzo szybkiej, produkt uboczny z kolei tworzony jest w reakcji wolnej lub bardzo wolnej. Jeśli zatem mieszanie kontroluje przebieg reakcji bardzo szybkich lub szybkich, to o szybkości wytwarzania produktu zasadniczego decyduje nie kinetyka chemiczna, ale szybkość mieszania lub transportu masy. Współzawodnictwo przebiegu reakcji głównej prowadzącej do pożądanego produktu, z przebiegiem reakcji ubocznych, sprowadza się wtedy do rywalizacji między mieszaniem a ubocznymi reakcjami chemicznymi. Przy bardzo wolnym mieszaniu faworyzowana będzie reakcja uboczna. Z kolei szybkie kontaktowanie odpowiednio wprowadzanych reagentów sprawi, że uprzywilejowane stają się reakcje szybkie.

 

Matematyka dla przemysłu

 

W praktyce przemysłowej zauważono, że zastosowanie klasycznych aparatów, takich jak reaktor zbiornikowy z mieszadłem mechanicznym czy reaktor rurowy, nie zapewnia na ogół dostatecznie szybkiego mieszania. Rozpoczęło się zatem poszukiwanie rozwiązań alternatywnych. Jednym z takich rozwiązań jest zastosowanie mikroreaktorów. Innym – wykorzystanie mieszalników typu rotor-stator. Urządzenia te ze względu na swoją specyficzną konstrukcję zapewniają intensywne mieszanie i wymianę masy, a co za tym idzie – umożliwiają maksymalizację wytwarzania produktów głównych przy kontrolowanym zużyciu energii. Efektywność energetyczna procesu wiąże się ściśle z kosztami jego prowadzenia. Często aparaty, które umożliwiają szybkie kontaktowanie reagentów, nie zapewniają efektywnego wykorzystania energii, co poważnie zwiększa koszty prowadzenia procesów. W omawianej pracy wykazano, że zarówno mieszalniki typu rotor-stator, jak i mikroreaktory, choć te drugie w znacznie mniejszym stopniu, umożliwiają dobór warunków pozwalających na optymalne wykorzystanie energii.

 

Korzystne warunki dla prowadzenia złożonych reakcji chemicznych w mieszalnikach typu rotor-stator oraz preferowane konstrukcje mieszalników znaleziono zarówno w trakcie badań doświadczalnych, jak i bezpośrednio w zastosowaniach przemysłowych.

 

Celem naszych prac, prowadzonych w dużej części we współpracy z firmą Unilever oraz Uniwersytetem w Manchester, było wszechstronne zbadanie i scharakteryzowanie mieszalników typu rotor-stator, również z wykorzystaniem metod naukowych. Miało to zapewnić umiejętność przewidywania przebiegu procesu w zależności od zastosowanych warunków, a zatem umożliwić kontrolowanie procesu i projektowanie produktu. Prace doświadczalne służyły weryfikacji wyników modelowania, podczas gdy modele matematyczne stały się zasadniczym narzędziem badawczym. Modele, przy użyciu odpowiedniego aparatu matematycznego, zapewniły systematyczny opis zjawisk i procesów towarzyszących pracy mieszalników. W naszym wypadku były to przede wszystkim różniczkowe, cząstkowe równania zachowania pędu (tzw. równania Naviera-Stokesa), równania bilansu składników oraz równania bilansu populacji; te ostatnie umożliwiły śledzenie ewolucji rozkładów rozmiarów cząstek produktu i innych jego właściwości. Ma to szczególne znaczenie w przypadku, gdy w procesie występuje faza rozproszona, jak krople, kryształy czy mikroorganizmy. Wymienione równania bilansowe są podstawą modelowania, wymagają jednak użycia dodatkowych, specyficznych modeli opisujących kinetykę chemiczną, szybkość koalescencji i rozpadu kropel, a także szybkość wzrostu i agregacji kryształów oraz wiele innych szybkości przemian fazy rozproszonej.

 

Jak wspomnieliśmy wcześniej, pierwotną motywacją do prowadzenia badań były potrzeby przemysłu, szczególnie w kontekście wytwarzania czystego produktu. Jednakże nasze badania zaowocowały również wynikami mającymi dużą wartość naukową. Wyniki te dotyczą głównie badań struktury przepływu turbulentnego pod działaniem wysokich naprężeń oraz identyfikacji mechanizmów mieszania i wymiany masy w takich specyficznych warunkach. Zbadaliśmy również wpływ struktury przepływu, mieszania oraz wymiany masy na przebieg złożonych reakcji chemicznych.

 

Nowa metoda

 

Reakcje chemiczne wykorzystywane są przede wszystkim do wytwarzania cennych produktów w wielu procesach o znaczeniu przemysłowym. Jednak reakcje chemiczne, w szczególności reakcje złożone, stosowane są również w badaniach naukowych jako indykatory specyficznych cech mieszania i wymiany masy. Taką funkcję spełniły także w naszej pracy. Jak wspomnieliśmy wcześniej, końcowy skład produktów w dużym stopniu zależy od sposobu kontaktowania reagentów. W oparciu o skład produktów można definiować indeksy stanu wymieszania oraz identyfikować stałe czasowe procesów mieszania i wymiany masy. W związku z powyższym w naszej pracy zaproponowaliśmy nową, oryginalną metodę wykorzystania reakcji testowych w celu identyfikacji efektywności energetycznej procesu. Nowa metoda pozwala określić, jaka część energii mechanicznej doprowadzanej do układu i w nim dyssypowanej wykorzystywana jest wprost do wytworzenia produktu, a jaka wydatkowana jest bezużytecznie, a nawet ze szkodą dla produktu. W rezultacie zaproponowana przez nas metoda umożliwia porównanie pod względem kosztów energetycznych wytwarzania produktu działania tak odmiennych aparatów jak mikroreaktory i mieszalniki rotor-stator, a także porównanie tak różnych procesów jak mikromieszanie i dyspersja kropel w powiązaniu z wymianą masy.

 

Magdalena Jasińska
zdjęcie Jakub Ostałowski

 

 

Chcesz wiedzieć więcej?

Bałdyga J., Kowalski A., Cooke M., Jasińska M. (2007). Investigation of micromixing in a rotor-stator mixer. [w:] Chemical and Process Engineering, 28, 867‒877.
Jasińska M., Bałdyga J., Cooke M., Kowalski A. (2013). Application of test reactions to study micromixing in the rotor-stator mixer (test reactions for rotor-stator mixer). Applied Thermal Engineering, 57 (1‒2), 172‒179.
Jasińska M., Bałdyga J. (2014). Effects of Rotor-Stator Mixer Performance on Drop Dispersion, Micromixing, Mass Transfer and Chemical Reactions. LAP Lamber Academic Publishing, Saarbrücken, Germany.


© Academia nr 3 (51) 2017

 

 

 

 

 

 

 

Oceń artykuł
(0 głosujących)

Tematy

agrofizyka antropologia kultury antropologia społeczna archeologia archeometalurgia architektura Arctowski arteterapia astrofizyka astronomia badania interdyscyplinarne behawioryzm biochemia biologia biologia antaktyki biologia płci biotechnologia roślin borelioza botanika chemia chemia bioorganiczna chemia fizyczna chemia spożywcza cywilizacja demografia edukacja ekologia ekologia morza ekonomia energia odnawialna etnolingwistyka etnomuzykologia etyka ewolucja fale grawitacyjne farmakologia filozofia finansowanie nauki fizyka fizyka jądrowa gender genetyka geochemia środowiska geoekologia geofizyka geografia geologia geologia planetarna geoturystyka grafen historia historia idei historia literatury historia nauki historia sztuki humanistyka hydrogeologia hydrologia informatyka informatyka teoretyczna internet inżynieria inżynieria materiałowa język językoznawstwo kardiochirurgia klimatologia kobieta w nauce komentarz komunikacja kosmologia kryptografia kryptologia kulinaria kultoznawstwo kultura lingwistyka literatura literaturoznawstwo matematyka medycyna migracje mikrobiologia mineralogia mniejszości etniczne mniejszości narodowe modelowanie procesów geologicznych muzykologia mykologia na czasie nauka obywatelska neurobiologia neuropsychologia nowe członkinie PAN 2017 oceanografia ochrona przyrody orientalistyka ornitologia paleobiologia paleontologia palinologia parazytologia PIASt politologia polityka społeczna polska na biegunach prawo protonoterapia psychologia psychologia zwierząt punktoza Puszcza Białowieska robotyka rozmowa „Academii” seksualność smog socjologia szczepienia sztuka technologia wieś w obiektywie wulkanologia zastosowania zdrowie zoologia zwierzęta źródła energii żywienie

Komentarze

O serwisie

Serwis naukowy prowadzony przez zespół magazynu Academia PAN.Academia Zapraszamy do przysyłania informacji o badaniach, aktualnie realizowanych projektach naukowych oraz imprezach popularyzujących naukę.

 

Dla użytkowników: Regulamin

Pliki cookies

Informujemy, że używamy ciasteczek (plików cookies) w celu gromadzenia danych statystycznych, emisji reklam oraz prawidłowego funkcjonowania niektórych elementów serwisu. Pliki te mogą być umieszczane na Państwa urządzeniach służących do odczytu stron, a korzystając z naszego serwisu wyrażacie Państwo zgodę na używanie cookies, zgodnie z aktualnymi ustawieniami przeglądarki.

Więcej informacji o celu używania i zmianie ustawień ciasteczek w przeglądarce: TUTAJ

Wydanie elektroniczne

Kontakt

  • pisz:

    Redakcja serwisu online
    Academia. Magazyn Polskiej Akademii Nauk
    PKiN, pl. Defilad 1, pok. 2110
    (XXI piętro)
    00-901 Warszawa

  • dzwoń:

    tel./fax (+48 22) 182 66 61 (62)

  • ślij:

    e-mail: academia@pan.pl