Импеллер — это ключевая деталь оборудования, которая используется для равномерного смешивания жидкостей, газов или твёрдых веществ и широко применяется в различных отраслях промышленности, таких как химическая, фармацевтическая, пищевая, биотехнологическая и т. д. Её основные функции включают, помимо прочего, обеспечение равномерного смешивания, ускорение процесса растворения, контроль распределения температуры, ускорение химических реакций, улучшение качества продукции, оптимизацию технологического процесса, предотвращение агломерации и засорения и т. д.
Чтобы удовлетворить потребности различных областей применения, при разработке импеллера необходимо учитывать множество аспектов. Команда Cobetter делится результатами исследования в надежде, что они помогут вам в разработке технологических процессов.
Факторы, влияющие на массообмен
1. Типы импеллеров
Импеллер с осевым потоком
Особенности: лопасть расположена под определённым углом к осевому направлению, и вращение в основном создаёт осевой поток, сопровождающийся небольшим радиальным потоком. Жидкость циркулирует вверх и вниз вдоль оси.
Импеллер с радиальным потоком
Особенности: Лопасть параллельна оси, а линия потока в основном радиальная.
Спиральный ленточный импеллер
Особенности: Лопасти имеют спиралевидную форму и при вращении создают как радиальный, так и осевой поток.
Импеллер Раштона
Особенности: одна лопатка имеет небольшую площадь, но несколько плоских лопаток создают сильный радиальный поток и силу сдвига.
Массобмен
Импеллер повышает эффективность массообмена за счёт усиления конвективного перемешивания жидкостей, особенно в биореакторах, где необходимо поддерживать равномерное распределение питательных веществ, газов (например, кислорода), продуктов и метаболитов. Факторы, влияющие на массообмен, включают в себя:
Скорость вращения: Чем выше скорость вращения крыльчатки, тем быстрее перемешивается жидкость и тем сильнее эффект массообмена. Однако слишком высокая скорость вращения может привести к высоким силам сдвига.
Конструкция крыльчатки: Различные конструкции крыльчатки создают разные схемы пути движения жидкости, что влияет на турбулентность, дисперсию пузырьков и границы массообмена в жидкостях.
Массообмен между газом и жидкостью (массообмен O₂): Кислород, являющийся важным реагентом при ферментации и культивировании клеток, способствует переносу кислорода из газовой фазы в жидкую за счёт дисперсии и дробления пузырьков, вызываемых крыльчаткой.
Сила сдвига
Сила сдвига — это сила трения, возникающая при движении жидкости, которая в биореакторах играет двоякую роль:
Положительные эффекты: сила сдвига может помочь разрушить крупные пузырьки, увеличить площадь контакта газа с жидкостью и повысить эффективность массообмена. Она также может предотвратить осаждение.
Отрицательные эффекты: чрезмерная сила сдвига может привести к повреждению клеточные культуры, что вызовет гибель клеток.
Турбулентный и ламинарный потоки
Турбулентный поток: вращение импеллера может создавать турбулентный поток внутри реактора, что способствует быстрому перемешиванию и переносу веществ, особенно в больших биореакторах, что крайне важно для поддержания однородной среды.
Ламинарный поток: массообмен в условиях ламинарного потока происходит медленнее при низких скоростях или слабом перемешивании, что делает его подходящим для систем, чувствительных к силам сдвига.
Анализ методом конечных элементов
Анализ методом конечных элементов (FEA) можно использовать для моделирования сил, действующих на импеллер во время работы, в том числе сил сдвига. Сила сдвига возникает из-за напряжения при движении в разных направлениях, обычно в поперечной плоскости материала. Во время движения лопасти сила сдвига может возникать из-за воздействия потока воды или изменений в гидродинамике. Ниже приведены общие этапы проведения анализа методом конечных элементов:
1. Создание геометрической модели
Сначала создайте трёхмерную геометрическую модель лопасти, чтобы она максимально точно отражала реальную конструкцию. Геометрические модели можно создавать с помощью программного обеспечения для автоматизированного проектирования, такого как SolidWorks, AutoCAD и т. д. Сохраняя соотношение диаметра емкости к диаметру лопасти и высоту лопасти, измените только форму лопасти и создайте следующие модели: (слева направо: осевой импеллер, радиальный импеллер, спиральный импеллер, импеллер Раштона.
2. Свойства материала
Корпус лопасти изготовлен из полиэтилена.
3. Разрешение сетки
Разбейте геометрическую модель на сетку конечных элементов. Плотность сетки определяет точность и время вычислений при анализе. Для сложных областей (например, зон концентрации напряжений) требуется более мелкая сетка. Общее качество сетки должно соответствовать минимальной ортогональной массе более 0,1 или максимальному наклону менее 0,95.
4. Определение граничных условий и нагрузки
Граничные условия: для определения границ используется метод MRF. Скорость вращения лопасти составляет 114 об/мин.
Нагрузка: основные нагрузки, которые испытывает лопасть во время работы, включают в себя гидродинамические нагрузки, центробежные силы и возможные гравитационные нагрузки. В частности, можно смоделировать давление и гидродинамику, возникающие при движении воды по поверхности лопасти, а затем рассчитать силу сдвига, которую они вызывают.
5. Выбор ПО
Выберите подходящее программное обеспечение для расчета распределения напряжений в лопатках в рабочих условиях, уделяя особое внимание анализу распределения напряжения сдвига.
6. Результаты анализа
① Импеллер с радиальным потоком: импеллер создает радиальный поток жидкости, тем самым обеспечивая равномерное перемешивание. В частности, импеллер с радиальным потоком создает центробежную силу за счет вращения ротора мешалки, выталкивая жидкость наружу по направлению мешалки и создавая значительное усилие сдвига. В этом процессе частицы вынуждены перемещаться относительно друг друга, тем самым достигая перемешивания жидкости и массообмена;
② Импеллер с осевым потоком: Жидкость выталкивается лопастью в направлении, параллельном оси вращения, то есть вдоль оси мешалки (вверх и вниз); жидкость выталкивается лопастью в направлении оси мешалки, и когда она соприкасается с нижней частью мешалки, жидкость выталкивается лопастью в направлении оси мешалки. при попадании в стенки или другие препятствия она будет распространяться наружу и стекать по стенкам, образуя циркулирующий поток. Циркулирующий поток жидкости в конечном итоге возвращается в зону лопасти, и описанный выше процесс повторяется.
③ Спиральный импеллер: Заставляет жидкость двигаться в радиальном и осевом направлениях, образуя медленный и равномерный поток жидкости; жидкость поднимается или опускается, постепенно перемещая материал из нижнего слоя в верхний. Достигается равномерное перемешивание верхнего и нижнего слоев.
④ Импеллер Раштона: Крыльчатка вращается вокруг вала, выталкивая жидкость горизонтально наружу в радиальном направлении; жидкость течет в радиальном направлении наружу под действием лопастей, и когда она ударяется о стенку контейнера или перегородку, создается сильная турбулентность, заставляющая жидкость циркулировать вверх и вниз по емкости. При использовании в газожидкостных системах с большей вероятностью измельчают газ на мелкие пузырьки, в то время как турбулентность жидкости усиливает контакт между поверхностью раздела газ-жидкость, тем самым повышая эффективность массообмена газа.
Результаты анализа
В зависимости от характеристик перемешивания и массообмена импеллер с осевым потоком, импеллер с радиальным потоком, спиральная лента и импеллер Раштона отличаются друг от друга и применяются в разных сферах. Главные различия между ними проявляются в режиме потока, силе сдвига, эффекте массопереноса и вязкости вещества.
1. Импеллер с осевым потоком
Особенности: В основном он создает восходящий и нисходящий потоки вдоль оси смешивания (осевой поток), образуя крупномасштабный циркуляционный поток. Низкое усилие сдвига, плавный поток жидкости, подходит для жидкостей с низкой и средней вязкостью.
Перемешивание: импеллер может создавать большой циркулирующий поток, что способствует быстрому и равномерному перемешиванию материалов большого объема в емкости.
Массообмен: Подходит для массообмена жидкость-жидкость или твердое вещество-жидкость, а благодаря низкому усилию сдвига подходит для ситуаций, когда необходимо сохранить структуру материала, таких как биологическая ферментация, ферментативные реакции и т.д.
2. Импеллер с радиальным потоком
Особенности: В основном это создает радиальный поток, перпендикулярный оси перемешивания, жидкость течет горизонтально наружу и создает турбулентность после удара о стенку контейнера. Высокая сила сдвига, подходящая для улучшения локального перемешивания и турбулентной диффузии.
Смешивание: Благодаря сильному эффекту турбулентности лопасти с радиальным потоком могут быстро обеспечить локальное перемешивание, что делает их подходящими для ситуаций, когда необходимо усилить турбулентность и локальное перемешивание.
Массообмен: Подходит для смешанного массообмена жидкость-жидкость и твердое вещество-жидкость, но из-за сильной турбулентности эффект массообмена ограничен положением мешалки и локальным потоком, что делает его подходящим для жидкостей средней вязкости.
3. Спиральный импеллер
Особенности: Создавает спиральный поток, который включает в себя как осевые, так и радиальные потоки, при этом жидкость циркулирует вверх и вниз по направлению спирали. Низкое усилие сдвига, подходит для жидкостей с высокой вязкостью, обеспечивает плавное течение и не повреждает структуру материала.
Перемешивание: Спиральный импеллер позволяет эффективно перемешивать жидкости с высокой вязкостью, образуя широкий диапазон циркулирующих потоков.
Массообмен: Подходит для смешивания и массообмена жидкостей с высокой вязкостью. Благодаря небольшому усилию сдвига спиральный поток обеспечивает однородность перемешивания, но эффективность массообмена относительно низкая.
4. Импеллер Раштона
Характеристики: В основном он создает радиальный поток и сильную турбулентность с высоким усилием сдвига, что позволяет разбивать газ на мелкие пузырьки. Эффект турбулентности является значительным, подходит для жидкостей с низкой и средней вязкостью и обеспечивает хороший эффект массообмена в газожидкостных системах.
Смешивание: Он обладает эффективной способностью диспергировать газ при смешивании газа с жидкостью и может образовывать большое количество мелких пузырьков, увеличивая время пребывания газа в жидкости.
Массообмен: Обладает превосходным эффектом массообмена в газожидкостных системах, подходит для быстрого перемешивания и эффективного массообмена.