Lepkość i gęstość substancji – jak wpływa na proces mieszania?

Celem procesu mieszania zwykle jest otrzymanie jednorodnego roztworu, emulsji lub zawiesiny, ale równie dobrze może być on nastawiony na intensyfikację procesów wymiany ciepła lub masy.

Na jakość tego procesu oraz finalny efekt wpływa wiele czynników. Niektóre z nich można swobodnie regulować, z kolei inne poddają się modyfikacji jedynie w ograniczonym stopniu. Do tych drugich zaliczają się własności materiałowe substancji, takie jak gęstość i lepkość. Dobra znajomość tych własności jest ważna z punktu widzenia odpowiedniego zaprojektowania procesu mieszania.

GĘSTOŚĆ CIECZY I ICH MIESZANIN

Gęstość cieczy i ich mieszanin (z wyłączeniem rtęci) zawiera się w przedziale od około 620 kg/m³ (izopentan) do około 3100 kg/m³ (brom). W literaturze nie wyróżnia się klas gęstości cieczy. Jedyny podział związany jest ze stanami skupienia materii. Co prawda gęstość zmienia się w zależności od temperatury, ale różnice te są bardzo małe i przeważnie bez znaczenia dla procesów mieszania substancji homogenicznych.

Duże znaczenie gęstość ma natomiast w kontekście obliczania mocy mieszania w ruchu turbulentnym. Wszystko przez to, że dominują w nim czynniki dynamiczne, a te zależą od masy substancji. Nieco inaczej jest w przypadku ciał stałych – tam masa jest ich własnością oczywistą, natomiast w przypadku płynów funkcję masy przejmuje gęstość, rozumiana jako masa jednostkowej objętości substancji.

LEPKOŚĆ DYNAMICZNA

Drugim ważnym parametrem materiałowym cieczy i ich mieszanin jest lepkość dynamiczna. Tu, w porównaniu z wcześniej analizowaną gęstością, zakres wartości jest znacznie szerszy, a wpływ temperatury istotniejszy. Do cieczy o najmniejszym tarciu wewnętrznym należy m.in. aceton. Jego lepkość dynamiczna wynosi około 0.304×10-3 Pa·s. Warto przy tym zaznaczyć, że praktycznie nie istnieje coś takiego jak górny próg lepkości dynamicznej, co dobrze ilustrują słowa Heraklita „panta rei”. Przykładowo, lepkość dynamiczna smoły, która uważana jest za jedną z najbardziej lepkich substancji, wynosi około 1×1011 Pa·s. Tak duża wartość lepkości powoduje, że – zgodnie z wynikami słynnego australijskiego eksperymentu – jedna kropla smoły spada średnio raz na 10 lat. Duża lepkość wpływa także na proces mieszania. Odbywa się on wówczas w ruchu laminarnym. Ogólna zasada mówi, że im większa jest lepkość substancji, tym podczas mieszania występuje większe tarcie i wydziela się więcej ciepła. Oczywiście proporcjonalnie do lepkości potrzeba również większej mocy mieszania. Choć lepkość dynamiczna ma duże znaczenie w omawianym procesie, jedynie w niektórych branżach definiuje się jej klasy.

Istotny w procesie mieszania jest także tzw. model płynu. Wyróżnia się dwa modele: niutonowski oraz nieniutonowski. Z pierwszym z nich mamy do czynienia wtedy, gdy naprężenia ścinające są liniową funkcją szybkości ścinania, natomiast wszelkie inne przypadki określamy jako model nieniutonowski. Szybkość ścinania należy rozumieć jako lokalną różnicę prędkości w sąsiadujących ze sobą elementach lub warstwach płynu. Oznacza to, że nawet jeżeli dana substancja charakteryzuje się bardzo dużą lepkością, ale nie porusza się, to nie występuje w niej tarcie. Ponadto, płyny nieniutonowskie mogą mieć lepkość stałą lub zmienną w czasie.

W kontekście mocy mieszania ważny jest jeszcze jeden podział – na płyny rozrzedzane ścinaniem (np. część farb, większość emulsji, ścieki, smary) oraz płyny zagęszczane ścinaniem (np. mieszaniny cieczy i cząstek stałych). W przypadku pierwszych lepkość zmniejsza się wraz ze wzrostem prędkości ścinania, z kolei w przypadku drugich lepkość rośnie wraz z prędkością ścinania. Same zmiany lepkości również mają wpływ na prędkość mieszania. Dla płynów rozrzedzonych ścinaniem korzystniej jest prowadzić proces mieszania przy większych obrotach mieszadeł, natomiast dla płynów zagęszczonych – przy mniejszych.

Ograniczeniem projektowym lub procesowym może być też to, że przy niektórzy substancjach występują efekty specjalne, np. efekt Barusa (pęcznienie płynu po wypływie z dyszy lub szczeliny) albo efekt Weissenberga (efekt odwrotny do tworzenia się leja). Zagadnienia dotyczące plastycznej deformacji oraz płynięcia materiałów są tak obszerne, że stanowią oddzielny obszar nauki zwany reologią.

LEPKOŚĆ DYNAMICZNA

Kluczem do poprawnego zaprojektowania mieszalnika przeznaczonego do mieszania substancji o dużych lepkościach jest dokładny pomiar ich parametrów materiałowych. Należy także poznać specyficzne cechy i właściwości takich substancji, a także zidentyfikować wszystkie ograniczenia procesowe i technologiczne występujące w procesie ich mieszania. Dysponując odpowiednią wiedzą, możemy zapobiec problemom, które często występują przy mieszaniu cieczy o różnej lepkości. W tym celu ważne jest przede wszystkim zastosowanie odpowiedniego systemu mieszadeł. Przykładowo, dla substancji takich jak żelatyna bardzo dobrze sprawdza się użycie podwójnego systemu mieszadeł, złożonego z:

mieszadła ramowego ze skrobakami – zapobiega ono rozwarstwianiu się produktu. Skrobaki dodatkowo chronią przed przypalaniem/przyczepianiem się produktu do ścian zbiornika i zapewniają dobry transfer ciepła podczas podgrzewania lub chłodzenia, gdyż wymuszają przeniesienie najbliższych warstw produktu z płaszcza grzewczego do wnętrza mieszalnika;
mieszadła łopatkowego – odpowiada ono za główny proces mieszania i może być stosowane w pełnym zakresie lepkości i gęstości. W zależności od prędkości obrotowej mieszadło to zapewnia nielaminarny ruch produktu, natomiast w zależności od konstrukcji zapewnia możliwość mieszania małych objętości nawet w dużych objętościach produktu.

LIFE SOLUTIONS

ENERGY SOLUTIONS

Instalacje „pod klucz"

rozwiązania cyfrowe

Inżynieria i projektowanie

Prefabrykacja

PRODUKCJA

budowa

Serwis

Doskonałość operacyjna

Nasza obecność w Polsce i na świecie

Kim jesteśmy?

Lepkość i gęstość substancji – jak wpływa na proces mieszania?

GĘSTOŚĆ CIECZY I ICH MIESZANIN

LEPKOŚĆ DYNAMICZNA

LEPKOŚĆ DYNAMICZNA

WYBRANE projekty

Więcej informacji

Planują Państwo projekt?

Nasi Klienci

Zaufali nam