Modificirano diskasto mešalo z asimetričnimi lopaticami za dispergiranje velikih količin plina v fermentorju v Andrei BOMBAC Izvleček: V delu so predstavljene osnovne karakteristike mešala za dispergiranje velikih količin zraka pri fermentacijskem procesu. Radialno diskasto mešalo z asimetrično zapognjenimi lopaticami (ABT) je bilo razvito in patentirano kot zadnje v sklopu raziskave modificiranih mešal v Laboratoriju za dinamiko fluidov in termodinamiko (LFDT) na Fakulteti za strojništvo v Ljubljani. Analiza osnovnih karakteristik mešala v modelni mešalni napravi standardne geometrijske konfiguracije zajema meritve (a) moči mešala pri mešanju kapljevi-ne in pri dispergiranju zraka v vodi vse do nastanka in (b) nastanek poplavnega stanja in (c) čase pomešanja. Disipacija energije ABT-mešala je pri mešanju kapljevine v režimih delovanja industrijskih naprav zelo majhna, izraženo s številom moči ~ 1,75. Pri dispergiranju zraka v vodo mešalo pri istih vrtljajih (Fr = 0,3) ob zelo majhnem zmanjšanju moči (<16 %) dispergira bistveno večjo (53 %) količino zraka kot standardno Rushtono-vo mešalo in pri tem dosega tudi krajše čase pomešanja. Za primerjavo učinkovitosti tega mešala z drugimi mešali so v delu povzeti tudi izsledki iz naših predhodnih raziskav. Ključne besede: mešanje, dispergiranje zraka, ABT diskasto mešalo z asimetričnimi lopaticami, moč mešanja, poplavno stanje, čas pomešanja ■ 1 Uvod V farmacevtski industriji je pri nekaterih izvedbah fermentacijskega procesa potrebno zagotoviti zelo velike količine zraka. Pri tem se za dispergiranje zraka najpogosteje uporabljajo vitki reaktorji z večstopenjskim mešalom[112131415]. Takšno večstopenjsko mešalo lahko tvorijo enaka mešala, kot npr. večstopenjsko Rushtonovo mešalo[1'41213], ali pa kombinacija aksialnih in radialnih mešal[1415], ki v zadnjem času prevladujejo. Izbira primernega mešala je za dano geometrijsko konfiguracijo mešalne posode ključnega pomena za optimalno izvedbo tehnološkega procesa fermentacije: v fermentorju mora biti zagotovljeno ustrezno to- Doc. dr. Andrej Bombač, univ. dipl. inž., Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo kovno polje, ki preskrbi organizme z zrakom po celotnem volumnu kapljevine. Vsaka zastojna (mrtva) cona lahko povzroči odmiranje kultur ali pa napačne produkte fermentacije. Večstopenjsko mešalo ustrezne konfiguracije tako zagotavlja ustrezno cirkulacijo snovi v fermentorju in s tem čim bolj enakomerno porazdelitev plinaste faze po volumnu kapljevine, kar predstavlja ustrezen hi-drodinamski režim. Za popis takšnih razmer moramo poznati osnovne karakteristike takšnega večstopenjskega mešala, kot so npr. moč mešanja, prirastek plinaste faze, čas pomešanja, stična površina itn.[3'5'6'7]. Pri večstopenjskem mešalu je spodnje mešalo zaradi prevelike količine vnesenega zraka lahko poplavljeno, pri tem postane porazdelitev plinaste faze izrazito nehomogena, spremenijo se tudi ostale osnovne karakteristike. Z vidika procesne operacije je poplavno stanje neučinkovita operacija. Pri večstopenjskem mešalu poplavno stanje nastopi celo pri nižjih pretokih zraka kot pri dispergiranju z enim mešalom[4]. Pri običajnih izvedbah vnosa zraka z razpršilnim obročem na dnu fer-mentorja je spodnje mešalo ključnega pomena za učinkovito disper-giranje. Pri tem je na voljo precej izvedb radialnih mešal, od klasičnega Rushtonovega mešala do različnih izvedb turbinskih in diskastih mešal z različnimi oblikami lopatic[5'9131516]. V nadaljevanju je obravnavano mešalo z asimetričnimi lopaticami (ABT), ki je bilo razvito in patenti-rano[2] v LfDT posebej za dispergiranje velikih količin zraka. Od doslej razvitih in postopno izpopolnjeva-nih mešal v LFDT (mešalo z zavitimi lopaticami - TBT, mešalo z zapognjenimi lopaticami z zarezo - SBT) [16] dosega ABT-mešalo pri disper- J- o Ch o o oooO ® vIp © "»s-.-:: a B " O ft v ö o, ■n I----ispj^gg I— ' i * o v o -EJ 10 1 frekvenčni regulator 2 elektromotor 3 merilnik vrtljajev 4 dinamometer 6 ojačevalnik 7 rotameter 8 tlačno zaznavalo 9 PC + National 12brtAD 10 modul za termocien National Q merjene veličine XP2 Slika 1. Merilna linija giranju zraka najmanjšo disipacijo mehanske energije v kapljevino, velik prirastek plinaste faze, majhno zmanjšanje moči pri dispergira-nju zraka ter poplavno stanje pri bistveno večjih količinah vnesenega zraka kot ostala mešala[2]. Za določitev osnovnih karakteristik mešala so bile izvedene številne meritve tako pri mešanju kapljevine kot pri dispergiranju zraka v vodi z enim mešalom pri standardni geometrijski konfiguraciji mešalne posode. Raziskava poplavnega stanja je potekala pri različnih vrtilnih frekvencah mešala in različnih pretokih zraka, vsakokrat pri konstantni vrtilni frekvenci mešala v smeri naraščajočega pretoka zraka vse do nastanka poplavnega stanja (angleško Loading-Flooding transition, L^F). Moč mešanja je prikazana v obliki števila moči, pretok zraka pa s pretočnim številom, značilnim za naprave industrijskih velikosti. Iz meritev moči je bilo ugotovljeno, da je moč mešanja ABT-mešala zelo majhna za radialno mešalo, na področju delovanja industrijskih naprav je število moči Ne < 2. Pri dovajanju plina v kapljevino pa mešalo ob majhnem zmanjšanju moči (< 16 %) dispergira bistveno večjo (53 %) količino zraka kot primerjano Rushtonovo mešalo in je zelo primerno za dovajanje velikih količin plina pri procesu. ■ 2 Merilna linija in preizkus Meritve moči mešanja so potekale na mešalni napravi, katere osnovo predstavljata pokončna cilindrična posoda iz akrilnega stekla (notranjega premera T = 450 mm in maksimalne višine H = 1350 mm) z zaobljenimi robovi in ravnim dnom ter pogonska mešalna gred, na katero so lahko nameščena različna mešala (kot enostopenjsko ali večstopenjsko mešalo), slika 1. Na steni posode so osnosimetrič-no nameščeni štirje motilniki toka, podroben opis vseh geometrijskih razmerij je v delu[4], višina namesti- tve mešala je na T/3. Merilna linija je prikazana na sliki 1, podrobnejši opis merilnih naprav in točnost izmerjenih vrednosti, ponovljivost meritev itn. so podani v delih[1'4'516]. Za delovno kapljevino sta bila uporabljena vodovodna voda in zrak iz razvoda stisnjenega zraka na FS, oboje pri sobni temperaturi. Časi pomešanja so bili izračunani po metodi motnja-odziv, kjer je bila za 'motnjo' uporabljena količina 1 dm3 vroče vode, odziv pa je predstavljal časovni potek temperature, podrobno predstavljeno v delu[1016]. Čas pomešanja t95 je definiran kot razlika med končnim časom (tk), ko je temperatura dosegla vrednost ±5 % končne vrednosti, in začetnim časom ob vnosu motnje (tz). Časi pomešanja so bili izračunani iz temperaturnih zapisov na treh lokacijah[17]: P1(r1, z1): (T/4,7 od osi mešala, T/4,5 od gladine), P2(r2, z2): (T/2,2 od osi mešala, T/3 od gladine) in P3(r3, z3): (T/8 od osi mešala, T/50 pod spodnjim robom mešala). Na sliki 2 je predstavljen časovni potek temperature na merilni lokaciji po vnosu vroče vode. Za tipalo je bil uporabljen ter-močlen Ni-CrNi (tip K) s premerom zaznavala 0,2 mm. Tipalo je bilo priključeno na ojačevalnik signala proizvajalca National Instruments. Slika 2. Temperaturni odzivi z merilne lokacije P^ Slika 3. Standardno RuT-mešalo (levo) in modificirano ABT-mešalo (desno) Odzivnost zaznavala je bila 750 °C/s, kar je zadoščalo za meritev časov pomešanja. Beleženje odziva je potekalo s frekvenco 10 Hz, čas posamezne meritve je trajal 360 s. Globalni delež plinaste faze (dpf) je bil pri dispergiranju zraka definiran k°t razmerje volumna zraka Vg z volumnom kapljevine V, kar lahko za cilindrično posodo izrazimo kot: ag = (Hg - H)/Hg (1) pri čemer pomenita: Hg - višina gladine pri dispergiranju zraka, H - višina gladine vode brez dovajanja zraka. dpf je bil izmerjen vsakokrat pri n = konst. in postopnem povečevanju pretoka dovajanega zraka z merjenjem višine gladine v mešalni posodi. Meritve višine so bile izmerjene za vsak posamezen hidrodinamski režim petkrat, za nadaljnjo analizo je vzeta njihova povprečna vrednost. Modificirano mešalo ABT premera T/3 je prikazano na sliki 3 (desno), za primerjavo je prikazano tudi Rushtonovo mešalo (levo). Lopatica ABT-mešala je v sredini po svoji dolžini (b) zapognjena v obliki črke V, pri tem pa je nagib zgornjega dela manjši od spodnjega, zgornji del pa daljši od spodnjega, kot je prikazano na sliki 3, prerez A-A. Obe mešali imata enak premer di- Vrtilna frekvenca mešala je naraščala od 50 min-1 do 650 min-1. Kot je razvidno s slike 4, se v območju Re > 110000 vrednost ABT-mešala ustali in znaša Ne~1,75, povprečna vrednost za standardno RuT-mešalo pri enakih režimih je ~5,13[5]. Pri tem pa se pri RuT-mešalu karakteristika moči z naraščanjem vrtljajev (Re > 150000) manjša zaradi površinske aeracije, to je vdora zraka s površine v kapljevino. Takšno stanje se obravnava kot dispergiranje zraka z manjšim dpf. Pri ostalih mešalih, kot npr. pri TBT, SBT in ABT, v primerljivem režimu ni bilo zaznati površinske aeracije. ska, enako dolžino (b) in višino {w) lopatic ter dimenzijo mešala (D), kot je prikazano na sliki 3. ■ 3 Rezultati in razprava 3.1 Moč mešanja v vodi Pri mešanju vode z ABT-mešalom so bile izmerjene moči mešala pri različnih vrtilnih frekvencah v razponu od 50 do 600 vrt/min. Moč mešanja je izražena s številom moči oz. Newtonovim številom, vrtilna frekvenca pa z Reynoldsovim številom. Za primerjavo so podane tudi vrednosti ostalih mešal (iz sklopa raziskav v LFDT)[5'7'81116], kot je prikazano na sliki 4. 3.2 Dis vo spergiranje do zraka v Moč mešala je pri dispergiranju zraka navadno manjša kot pri mešanju v kapljevini in se z naraščanjem pretoka zraka navadno manjša. Razlog je v slabenju črpalne zmogljivosti mešala, saj so podtlačna področja lopatic zapolnjena s plinom, kar predstavlja tako imenovane plinske votline. Z večanjem pretoka zraka postajajo plinske votline večje, čr-palna zmogljivost mešala pa vse manjša. Ko postanejo vzgonske sile vzpenjajoče se plinaste faze prevladujoče (ob izrazito slabi primarni cirkulaciji kapljevine izstopajočega toka iz mešala), nastopi poplavno stanje. Pri meritvi moči mešala se to stanje odraža kot porast moči (glede na predhoden režim), razmerje Slika 4. Odvisnost števila moči od Reynoldsovega števila pri mešanju v vodi različnih diskastih mešal 0.9 0,8 o 07 0,6 0,4 0,3 Ck ya—o-^ ^i-ABT —SBT TBT —1—RuT 1 0-- ^ r ! V f 1 0,(K 0,1 0.15 Fl 0,3 0,2S 0,3 Slika 5. Razmerje moči pri Fr = 0,3 Slika 6. dpf v odvisnosti od pretočnega števila Fl 07 0,6 0.5 i: 0.4 0.3 0.2 / i t t / t / L J / t ----RuT -------SBT ----T8T -ABT 1 f t i / \/f — 0.1 0.2 0,3 Fl 0.4 0.5 Slika 7. Meja poplavnega stanja mešal Ventil 21 /2015/ 3 P/P kot lokalni minimum predsta-vga zadnje, mejno stanje disper-giranja (angl. loading), ki mu sledi poplavno stanje (angl. flooding). Na sliki 5 so prikazane vrednosti P/P pri dispergiranju zraka z ABT-mešalom v odvisnosti od pretoka zraka ter za primerjavo vrednosti drugih diskastih mešal (pri istem režimu Fr = 0,3). Več kot očitno je, da RuT-mešalo najprej poplavlja pri Fl = 0,17, pri tem pa primarna cirkulacija izstopajočega toka iz mešala z naraščanjem pretoka slabi, moč se pri dispergiranju v zadnjem stanju pred poplavo zmanjša za kar 65 %! S primernejšo obliko lopatic[5] mešalo TBT poplavlja nekoliko kasneje pri Fl ~ 0,21 - pri dispergiranju pa je še vedno opazno zmanjšanje moči za 52 %. Mešalo SBT[16] ima sicer manjše zmanjšanje moči pri dispergiranju, poplavlja pa nekoliko prej kot TBT-mešalo. Iz obrazloženega izhaja, da ABT-mešalo kot zadnje od obravnavanih v skupini dosega poplavno stanje pri Fl = 0,24, pri tem pa pri dispergiranju dosega majhno zmanjšanje moči, zgolj 18 %. To praktično pomeni, da mešalo ohranja cirkulacijo dvofaznega sistema v posodi tudi pri višjih pretočnih številih oz. pretokih vnesenega zraka. Pri višjih številih (Fr=0,6) po tej metodi poplavnega stanja ABT mešala ni bilo možno zaznati. Poplavno stanje je pri dispergiranju z enim mešalom[5] možno zaznati tudi iz spremembe dpf, kot je prikazano na sliki 6. S povečevanjem vnosa zraka v kapljevino se viša gladina kapljevine vse do neke mejne vrednosti pri dispergiranju. Ob nadaljnjem minimalnem povečanju vnesenega zraka nastane poplavno stanje, kar se odraža kot znižanje vrednosti dpf. Ta stanja so še evidentna pri Fr = 0,3, 0,4 in 0,5, medtem ko pri Fr = 0,6 ni zaznati poplavnega stanja. Tako so na osnovi nizov meritev za ABT-mešalo podane vrednosti nastanka poplavnega stanja, kot je prikazano na »tokovni mapi« - slika 7. Za primerjavo so podane še meje poplavnega stanja drugih mešal SBT, TBT in RuT, povzeto po predhodnih Tabela 1. Parametri regresijske krivulje enačbe (1) Mešalo a b R ABT 32,64 -0,464 0,97 TBT 19,913 -0,3162 0,96 RuT 32,978 -0,378 0,9231 SBT 26,26 -0,2932 0,912 delih[5'7]. Kot je razvidno, zmore SBT-mešalo dispergirati celo nekoliko večjo količino zraka kot ABT-mešalo pred nastopom poplavnega stanja, vendar je bistvena razlika med njunim delovanjem v tem, da ABT-mešalo pri tem disipira za približno 20 % manj energije, slika 5. 3.3 Čas pomešanja pri mešanju v vodi Časi pomešanja ABT-mešala so bili na osnovi meritev aproksimirani po že predstavljenem kriteriju za modificirana diskasta mešala Rut, TBT in SBT[5,10] v odvisnosti od moči mešal: t95 = a-p b (2) opravljenih meritev časov pomešanja kot povzetih vrednosti (tg5) po drugih virih z različnimi mešali: (3) kjer so koeficienta a in b ter korela-cijski koeficient R prikazani v tabeli 1. S slike 8 je razvidno, da se z večanjem moči mešanja čas pomešanja pri vseh obravnavanih mešalih eksponentno krajša. Večja moč mešala za individualno mešalo v osnovi lahko predstavlja večjo črpalno zmogljivost mešala oziroma intenzivnejšo cirkulacijo ter s tem povezano krajši čas pomešanja. Razlike v času pomešanja med diskastimi mešali enakih gabaritov pa so pri isti moči mešanja lahko povezane le še z obliko lopatic posameznega mešala oziroma z izstopajočim dvofaznim tokom iz mešala. Tako je razvidno, da so npr. pri SBT-mešalu časi pomešanja zelo dolgi, tudi za 100 % in več daljši od časov pri ABT--mešalu, kar seveda močno vpliva na samo učinkovitost mešala, kot je obravnavano v nadaljevanju. Izmerjeni časi pomešanja so bili primerjani tudi z vrednostmi po virih iz literature, kriterij (Ruszkowski 1994, Grenville s sod. 1995) cit[5] izhaja iz Čas pomešanja po kriteriju (3) velja za poljubno obliko mešala znotraj robnih pogojev 1/3 < D/T < 1/2 in H = T. Primerjava izmerjenih vrednosti z izračunanimi po zgornjem kriteriju kaže relativno dobro ujemanje v medsebojni odvisnosti parametrov P - tm, pojavi pa se vprašanje smiselnosti same primerjave absolutnih vrednosti. Namreč, že sama vrednost Ne za RuT-mešalo je pri standardni konfiguraciji po virih iz literature[22] med 4,8 < Ne < 6,3, kar predstavlja odstopanje že v osnovi od izmerjenih med -7 do 23 %. Prav tako tudi različne eksperimentalne metode določanja časa pomešanja medsebojno odstopajo tako v fizikalni osnovi (temperaturni odziv, sprememba konduktivnosti, metoda razbarvanja, ...) kot tudi po kriteriju določitve doseženega stanja pomešanja. Tako je lahko pomešanje doseženo po krite- riju (i) = ±0,5 X A,A[1819] ali pa (ii) /A'h = ±1 %[20], kjer A predstavlja poljubno merjeno veličino, A' pa njeno fluktuacijo. Če izhajamo iz lokalnih meritev, potem je dodatno treba upoštevati še vpliv same lokacije (r, z, f), saj so medsebojna odstopanja od -6 % do 11 % od skupne srednje vrednosti[20]. Metoda motnja/odziv določa tudi neko minimalno količino vnesene snovi, ki predstavlja motnjo. V našem primeru izlitje enega litra vroče vode (kot motnje) traja ocenjeno med 0,75 in 1 s. Ta čas vlitja je neposredno vključen v čas pomešanja, medtem ko so časi vnosa motnje po metodi spremembe konduktivnosti, razbarvanja, pH (vnos 3 ml kisline, solne raztopine, ...) precej krajši. Čas pomešanja, izražen z lokalnimi spremembami poljubne veličine, predstavlja samo čas, pri katerem so nehomogenosti na izbrani lokaciji v posodi, kar pa ne pomeni, da dosegajo različna mešala enake rezultate procesa ob enaki moči mešanja, kot je razbrati iz različnih virov[1819'20]. Za kvaliteten produkt procesa je pomembno tudi odstopanje homogenosti po volumnu kapljevine v posodi, kar je prikazano v nadaljevanju, slika 12. Iz povedanega sledi, da je zgolj čas pomešanja dokaj groba ocena mešanja. Primernejša cenilka je učinkovitost mešanja, ki je postulirana z najmanjšo disipacijo energije mešal ob enakem doseženem času pomešanja. E = xP m (3) Slika 8. Časi pomešanja različnih diskastih mešal v odvisnosti od moči mešanja 40 3S ^25 20 15 10 6 K -i^SBT -JK- RuT ^-TBT -O-AßT 1 r 1 £00 400 g^jj 600 800 1000 Slika 9. Učinkovitost različnih diskastih mešal Slika 10. Turbulenčna kinetična energija v tokovnem polju pri mešanju z mešali RuT, TBT in ABT Tako je s slike 9 takoj razvidno, da ABT-mešalo (5 s), disipira TBT-me-so ob enaki disipirani energiji me- šalo približno 3-krat več, RuT-me-šal časi pomešanja zelo različni; za šalo pa 5,5-krat več energije! enak čas pomešanja, kot ga dosega Iz podrobnejše analize s pomočjo računalniške dinamike tekočin (CFD - angl.) pri mešanju v vodi z različno oblikovanimi lopaticami na diska-stem mešalu[11] (in ni predmet obravnave v tem delu) je šele razvidno, da se npr. tokovna polja kot tudi drugi parametri medsebojno dokaj razlikujejo pri uporabi omenjenih mešal. Tako je s slike 10 razvidno, da turbulenčna kinetična energija pri mešanju z RuT-mešalom v izstopajočem toku iz mešala predstavlja največ turbulence, kar je razvidno iz presečne vzdolžne in prečne ravnine v višini sredine mešala, desno zgoraj. Radialno usmerjen izstopajoč tok iz mešala se ob steni posode razdeli v zgornjo in spodnjo cirkulacijsko zanko, kot je razvidno iz tokovnega polja z vektorji hitrosti na sliki 10, zgoraj. Precej drugačne so razmere pri TBT-mešalu: dosega nekoliko nižje vrednosti turbulenčne kinetične energije, izstopajoč tok iz mešala je pri mešanju v vodi usmerjen aksialno navzdol (ki pa se popolnoma spremeni pri dispergiranju zraka in postane radialen) in ustvarja eno glavno cirkulacijsko zanko. Tokovno stanje je zelo podobno sicer aksialnim mešalom, katerih osnovni namen je predvsem zagotoviti intenzivno cirkulacijo s čim manj turbulence. Pri ABT-mešalu je turbulenčna kinetična energija precej manjša in se pojavlja v ožjem pasu. Izstopajoč tok iz mešala je radialen in se ob steni razdeli na zgornjo in spodnjo cirkulacijsko zanko, cirkulaciji sta intenzivnejši kot pri RuT-mešalu. Na sliki 12 je prikazano širjenje motnje v presečni ravnini r-z v že razvitem toku pri mešanju v vodi z RuT--mešalom. Rdeča barva predstavlja doseženo stanje pomešanja v odstopanju ±5 % od končne vrednosti. Iz časovnega razvoja mešanja je potrjena predhodna trditev, da čas pomešanja (izražen z lokalnimi spremembami poljubne veličine) predstavlja zgolj čas, v katerem so nehomogenosti na izbrani lokaciji v posodi. To se posebej lepo vidi pri zadnjem času 4,7 s (spodaj desno), ko je na lokaciji x (pri meritvah) že doseženo pomešanje kljub (še) pri- Slika 11. Tokovno polje z vektorji hitrosti za mešali RuT in ABT sotnim nehomogenostim v kaplje-vini v neposredni bližini. ■ 4 Zaključek V prispevku je predstavljena učinkovitost novo razvitega in patentiranega mešala z asimetrično zapognje-nimi lopaticami (ABT) pri mešanju in dispergiranju zraka v vodo z enim mešalom v STC-konfiguraciji mešalne posode. Za primerjavo učinkovitosti tega mešala so v delu povzeti tudi izsledki iz naših predhodnih raziskav drugih diskastih mešal (RuT, TBT SBT). Meritve moči mešanja so potekale pri mešanju kapljevine in dispergiranju zraka v posodi z enim mešalom standardne geometrijske konfiguracije vse do eventualnega nastanka poplavnega stanja. Število moči ABT-mešala dosega pri mešanju kapljevine zelo majhno vrednost, v območju delovanja industrijskih naprav je število moči skoraj konstantna vrednost in znaša ~1,75. Slika 12. Širjenje motnje v ustvarjenem tokovnem polju z RuT-mešalom po 0,1, 0,9,1,2, 2,1, 2,8, in 4,7s [23] Pri dispergiranju zraka v vodo mešalo ohranja svojo črpalno zmogljivost, kar izhaja iz majhnega zmanjšanja moči (Pg/P = 84 %) pri dispergiranju ob bistveno večji količini zraka (53 %) kot pri Rushtonovem mešalu ali pri preostalih dveh mešalih. Do nastanka poplavnega stanja zmore ABT-mešalo ob manjši moči mešanja kot RuT dispergirati ~40 % večjo količino vnesenega zraka kot primerjano mešalo. Časi pomešanja so od predstavljenih mešal (pri enaki moči mešal) najkrajši pri mešanju z ABT-mešalom. Še opaznejša pa je razlika v učinkovitosti mešal: tako ob enakem času pomešanja ABT-mešala (5s) disipi-ra TBT-mešalo približno 3- krat več, RuT-mešalo pa 5,5-krat več energije. Opravljene so bile tudi analize z računalniško dinamiko tekočin pri mešanju z omenjenimi mešali, ki omogočajo »vpogled« v tokovno polje izbranega mešala. Oznake: b - širina lopatice mešala (m) D - premer mešala (m) E- disipirana energija mešala (J) g - zemeljski pospešek (m/s2) H - višina vode v posodi (m) q - volumski pretok (m3/s) n - vrtilna frekvenca mešala (s-1) P, Pg - moč mešala pri mešanju kapljevine oz. dispergira-nju (W) t95 - čas pomešanja pri doseženem ±5-odstotnem odstopanju od končne vrednosti T - premer posode (m) w - višina lopatice mešala (m) v - kinematična viskoznost (m2/s) a - delež plinaste faze, tudi ' dpf(%) p - gostota (kg/m3) Brezdimenzijska števila Reynoldsovo število: Re = D^n/v Newtonovo število: Ne = P/(p n3D5) Froudovo število: Fr = n2D/g Pretočno število: Fl = q/( nD3) Okrajšave: L^F - prehod iz dispergirnega v poplavno stanje ABT - mešalo z asimetrično za- pognjenimi lopaticami TBT - mešalo z zavitimi lopaticami SBT - mešalo z zapognjenimi lopaticami z zarezo Reference [1] Bombač, A., Vpliv geometrijskih parametrov na Newtonovo število pri aeraciji v posodi z mešali (Effects of geometrical parameters on Newton number in an aerated stirred tank). Strojniški vestnik, 44, 3/4, 105-116, 1998 [2] Bombač, A., Diskasto mešalo z asimetrično zapognjenimi lopaticami : SI 24012 (A), 2013-09-30. Ljubljana: Ministrstvo za gospodarski razvoj in tehnologijo, Urad RS za intelektualno lastnino, 2013 [3] Avinash, R., Khopkar, Philippe, A. Tanguy, CFD simulation of gas-liquid flows in stirred vessel equipped with dual Rushton turbines: influence of parallel, merging and diverging flow configurations. Chemical Engineering Science, 63, 3810-3820, 2008 [4] Bombač, A., Žun, I., Individual impeller flooding in aerated vessel stirred by multiple-Rush-ton. Chemical Engineering Journal, 116, 2, 85-95, 2006 [5] Bombač, A., Žun, I., Dispergira-nje zraka v posodi z modificiranim diskastim mešalom z zavitimi lopaticami = Air dispersing in a vessel with modified twist blade disk impeller. V: Glavič, P. (ur.), Brodnjak-Vončina, D. (ur.). Slovenski kemijski dnevi 2005, Maribor, 22. in 23. september 2005. Maribor: FKKT, 1-8, 2005 [6] Wernersson, E. S., Christian Trägardh, C. (1999), Turbulence characteristics in turbine-agitated tanks of different sizes and geometries, Chemical Engineering Journal, 72, 97-107, 1999 [7] Bombač, A., Žun, I., Eksperimentalna raziskava učinkovitosti modificiranega turbinskega mešala = Experimental research of efficiency of modified disk type impellers. V: Kuhljevi dnevi 2005, Podčetrtek, 22.-23. september 2005. Korelc, J. (ur.), Zupan, D. (ur.). Zbornik del. Ljubljana: Slovensko društvo za mehaniko, 41-48, 2005 [8] Bombač, A., Beader, D, Žun, I., Mixing times in a stirred vessel with a modified turbine. Acta Chimica Slovenica, 59, 4, 707721, 2012 [9] Bombač, A. Meritve zaznave poplavnega stanja in deleža plinaste faze na industrijskem fer-mentorju F001-30m3. Ljubljana, Fakulteta za strojništvo, 2013 [10] Bombač, A., Žun, I., Flooding--Recognition Methods in a Turbine-Stirred Vessel. J. Mech. Engng., 2002, 48, 663-676.. [11] Matijevič, I., Numerične simulacije pomešanja vode v mešalni posodi z različnimi mešali. Diplomsko delo, FS, Ljubljana, 2013. [12] Zhang, Lifeng, Pan, Qinmin, Rem-pel, G. L., Liquid phase mixing and gas hold-up in a multistage-agitated contactor with co-current upflow of air/viscous fluids. Chemical Engineering Science, 61, 18, 6189-6198, 2006 [13] Vrabel P., van der Lans, R. G. J. M., van der Schot, F. N., Luyben, K. C. A. M., Bo Xu, Enfors, S. O., CMA: integration of fluid dynamics and microbial kinetics in modelling of large-scale fermentations. Chemical Engineering Journal, 84, 3, 463-474, 2001 [14] Vrabel, P; van der Lans, R. G. J. M., Luyben, K. C. A. M., Boon, L., Nienow, A. N., Mixing in large-scale vessels stirred with multiple radial or radial and axial up-pumping impellers: modelling and measurements. Chemical Engineering Science, 55, 23, 5881-5896, 2000 [15] Magelli, F., Montante, G., Pinel-li, D., Paglianti, A., Mixing time in high aspect ratio vessels stirred with multiple impellers. Chemical Engineering Science, 101, 712-720, 2013 [16] Bombač, A., Žun, I., Power consumption and mixing time in stirring with modified impellers. V: Magelli, F. (ur.), Baldi, G. (ur.), Brucato, A. (ur.). Proceedings of the 12th European Conference on Mixing, Bologna, Italy, 27-30 June, 2006. Milano, Italy: AIDIC Servizi S.r.l., 153-160, 2006 [17] Paul L. E., Atiemo-Obeng A. V., Kresta M. S., Handbook of Industrial Mixing - Science and Practice, John Wiley & Sons, Inc, Hoboken, New Jersey, 2004 [18] Vasconcelos, J. M. T., Orvalho, C. P., Rodrigues, A. M. A. F., Alves, S. S., Effect of Blade Shape on the Performance of Six Bladed Disk Turbine Impellers. Ind. Eng. Chem. Res., 39, 203-213, 2000 [19] Nienow, A. W., On impeller circulation and mixing effectiveness in the turbulent flow regime. Chemical Engineering Science, 52, 2557-2565, 1997 [20] Haucine, I., Plasari, E., David, R., Effects of the Stirred Tank's Design on Power Consumtion and Mixing time in Liquid Phase, Chem. Eng. Technol. (23), 7-15, 2001 [22] Roman, R. V., Tudoze, R. Z., Studies on Transfer processes in Mixing Vessels. Chemical Engineering Journal, 61, 83-93, 1996 [23] Bombač, A., Beader, D., Žun, I., Računalniška analiza porabe energije in časov pomešanja v posodi z modificiranim turbinskim mešalom = CFD analysis of the power consumption and mixing time in a stirred vessel with a modified turbine impeller. V: Kuhljevi dnevi, 24. september 2009, Cerklje na Gorenjskem. Boltežar, M. (ur.), Slavič, J. (ur.). Zbornik del. Ljubljana: Slovensko društvo za mehaniko, 25-32, 2009 Modified disk impeller with asy^mriKEitri^ Iblades for dispersing čit tiigihi eg as flow rate Abstract: The paper presents the basic characteristics of a modified impeller for air dispersing by high flow rates in the fermentation process. An asymmetrically curved blades turbine (ABT) was developed and patented as the last one in a series of research works on modified disk impellers in the Laboratory for Fluid Dynamics and Thermodynamics (LFDT) at the Faculty of Mechanical Engineering in Ljubljana. The analysis of the ABT impeller basic characteristics on ^ mocJel scale mixincg device includes tli^ ^ollov^in1^ n-ieeisur^ments: (a) the mixing power in lic|uid mixing and in ciir cJi^p^rsincg ufo 1:o flooding occui-rfsnchie, (b)) -thue loiadincg 1:o flooding transitions (L ^ F) and (c) the mixin(n ttir^^^. Tlie r^nercg;/ dii^sip)cition oe ar^ i^fil imrepellekr in thie ran(ne; of hydrodyn^miic: at: arr industrial scale ofperation is found to bi^ vjery small; the pciw/^r number ^ic|urls ~ 1.75i W/^hen ^ir i;^ Ib^ingr didJiir^rs^cJ into water, while experiencing a very small needuction in pciwwer (< IL^ %{.), at sam-^^ stirrer ^Fr 0.3), the ABT impeller is capcib)le of dispersing^ a subDstiantially higher rmo^unt of air 053 96) than thi^ Rush^ton turbiin^ and it also achieves shorter mixincg 1:inae;;. To ccom-ipar^ the^ effiicacyn okf this impeller with (^ttherr n-rodrlified impellers, some results of our p)reliminar;/ r^s^arch cire suirim^riL^e^i-^ Ke^0 words: lic| uii^ i^ixincg, ;;iii- dispp el's in^, /\.B1 impeller, mixing pow^r, flcoooding, mixing time strofnlsiuocom kfiJiSče stroj liikoi' FUMlhH TEHFJHtl.HntllLUnZUlJD n mWHUW .V študenti in dijaki SEMINARSKA NALOGA profesorji in mentorji RAZISKOVALNA NALOGA ON-LINE BIORZA RAZISKOVALNIH NALOG: wwv^^isttiLidentsformdustry.eu Podjetja, preobMIIilujitiEü svoje poslovne in razvojne izzive ije V raziskovalne naloge in projekte za študente in dijake! podjetja in organizacije PROJEKT ZAKUUČNA NALOGA Abc PREVAJANJE, LEKTORIRANJE PRAKSA Naložba v vašo prihodnost Operacijo delno financira Evropska unija Evropski sklad za regionalni razvoj 9 REPUBLIKA SLOVENIJA SLUŽBA VLADE REPUBLIKE SLOVENIJE ZA RAZVOJ IN EVROPSKO KOHEZIJSKO POLITIKO SI^^HR EVROPSKO TERITORIALNO SODELOVANJE