高せん断ミキサー バイヤーズ ガイド: ローター/ステーターの選択、負荷およびサイズ設定

安定したエマルジョンであるはずのバッチは、40 分間撹拌した後でもディップ スライド上に目に見える液滴を示しており、撹拌機の速度を上げることでそれを修正しようとすると、単に製品が温まるだけです。撹拌機はタンク全体を動かすという役割を果たしていますが、レシピで実際に必要な 1 つのこと、つまり非常に少量の液体に大量のエネルギーを投入することは行っていません。

それが高せん断ミキサーの目的です。詳細の前に簡単に説明します。目標がターゲットの液滴または粒子サイズである場合、ローターとステーターの剪断力が必要です。目的が混合、懸濁、または熱伝達である場合、従来のインペラを使用すると、より少ないコストとより少ない熱でそれを行うことができます。期待外れの高せん断設備のほとんどは、機械の構造が悪いわけではありません。これらは、間違った任務に適用された正しい機械です。

高せん断ミキサーの実際の機能

せん断は速度勾配、つまり 2 つの流体層間の速度の差をそれらの間の距離で割ったものです。ローター - ステーター ワークヘッドの内部では、ローターの先端がミリメートル単位のギャップを越えて固定ステーターの壁を通過します。 1 mm のギャップにわたる 20 m/s の先端速度は、20,000 逆秒程度の局所せん断速度に相当します。同じタンクの大部分において、インペラの排出ゾーンが数百を超えることはほとんどありません。これら 2 ～ 3 桁の大きさが、高せん断混合の全体像です。

シャフト速度ではなくエネルギー密度

モーターの出力だけではほとんどわかりません。せん断速度は先端速度にほぼ比例しますが、乱流の力は先端速度の 3 乗に近い値に比例します。速度が 2 倍になると、製品が受けるせん断力は 2 倍になりますが、必要な電力は約 8 倍になり、その余分なエネルギーのほぼすべてが製品内の熱になります。控えめなローター/ステーターヘッドは、エマルジョンを作る際にははるかに大きな撹拌機に勝てますが、ブレンド時には大きく負けます。サイジングは、キロワット定格ではなく、ユニットの動作から開始する必要があります。

バッチとインラインは 2 つの異なるマシンです

• バッチ式高せん断ミキサーは、通常はトップエントリーシャフト上でワークヘッドを容器内に運びます。バッチ全体がせん断ゾーンを何度も循環するため、レシピには明確なエンドポイントがあり、1 つの容器ですべてを実行できます。
• インライン高せん断ミキサーは、ローターとステーターを含むチャンバーに製品を送り込みます。これはシングルパスまたは再循環ループとして実行でき、せん断ゾーンには一度に少量の製品しか保持されないため、はるかに優れた温度制御が可能になります。

いずれにせよ、高せん断ゾーンは小さいため、容器の残りの部分では、製品を一貫してヘッドに供給し、コーナーのデッドゾーンを回避し、底に固形物が残らないようにする必要があります。これが、鉄鋼を切断する前にフロー モデリングが解決する質問です。そのため、このサイトの CFD 作業について説明しています。 流体力学サービスページ これは通常、困難な分散プロジェクトの最初のステップです。

高せん断と従来の撹拌: 決定表

仕様に関する引数のほとんどは、すべてのミキシングを 1 つの操作として扱うことから生まれます。実際には 3 つの作戦がたまたま戦車を共有しているのです。

これらによって従来の撹拌機が時代遅れになることはありません。適切なサイズのトップエントリー ユニットは、ブレンド、懸濁、熱伝達に適したマシンであり、分散ステップ用に別個の高せん断ヘッドと組み合わせた方が、1 台のマシンで両方の役割を強制的にカバーするよりも安価で柔軟性が高いことがよくあります。 TOPA001DR トップエントリーミキサーなどのユニットは、バルクフロー作業を中心に設計されており、ピークせん断ではなく連続使用に適したサイズのシールとベアリングの配置が採用されています。

TOPA001DR バルク混合および懸濁用トップエントリーミキサー ブレンディング、懸濁、熱伝達用のトップエントリー DR シリーズ ミキサー。垂直駆動、シンプルでコンパクトな構造、連続バルクフロー業務用のインペラ/シール オプションを備えています。 製品を見る→

粘度および固体に合わせたワークヘッドの調整

粘度は、新鮮な製品がせん断ゾーンに流入できるかどうかを制御するため、使用可能なミキサー ファミリを決定します。ローターとステーターのヘッドでは、ギャップは固定されており狭いです。製品がそこに排出されない場合、ヘッドは独自に作られたキャビティ内で回転するだけです。

• 約 5,000 cP 未満では、プロペラ、ピッチブレード タービン、インライン ローターステーターがすべて機能し、バルクフローに頼らずにポンプがせん断ゾーンに供給するため、インラインが通常最もエネルギー効率が高くなります。
• 5,000 ～ 50,000 cP では、分散ディスクと多段ヘッドが効果を発揮します。インライン ループを計画している場合は、製品がポンプで送られることを確認し、安定したバッチの起動中にモーター電流を監視します。
• 50,000 cP を超えると、フレーム、スクレーパー付きアンカー、リボン、および惑星の形状が優先されます。機械的せん断はもはや制限要因ではありません。ほぼ停滞したフィルムを介した熱伝達が制限要因であり、これにスクレーパーとリボンが対処します。

ソリッドは 2 番目の拘束を追加します。凝集性粉末は分散する前に湿らせる必要があり、分散ディスクが表面で意図的に渦を引くので、粉末は浮遊するのではなく液体中に引き込まれます。ローターステーターヘッドは凝集物が湿ると非常に効果的に分解しますが、浮遊する顔料のラフトを湿らせることはできません。その最初のステップとしては、FS1 シリーズなどの高速分散機を使用し、その後にローター/ステーター ヘッドを導入して微細な分散を行うのが一般的です。

TOPA005 粉体湿潤用高速分散機 FS1シリーズ FS1 シリーズのトップエントリー分散機は、微分散前に凝集粉末を湿らせるためのもので、高速インペラ、コンパクトなドライブ、混合作業用の複数のシール オプションを備えています。 製品を見る→

インラインまたはバッチ: 利便性ではなく熱で選択してください

高せん断ヘッドはそのエネルギーを小さな体積に集中させ、そのエネルギーは最終的に熱として発生します。バッチ構成では、バッチ全体が何度もホットゾーンを通過するため、温度に敏感なレシピは分散目標に到達するずっと前に損傷する可能性があります。

インライン ループはその演算を変更します。せん断ゾーンには常に少量しか存在しないため、ジャケット付き容器またはプレート交換器を通過する間に熱を除去することができ、製品を調理することなくレシピに必要な限りループを実行できます。インラインユニットはまた、その場での洗浄がより簡単で、連続生産のための機器の設置がより簡単です。

トレードオフは柔軟性です。バッチヘッドは数分以内に持ち上げて洗浄し、別のレシピに再利用できます。インラインスキッドは流量と製品群にこだわります。 ZJH シリーズ ホモジナイザーなどのインライン ローターステーター ユニットは、小さなせん断チャンバー、ポンプ、ループという再循環のアイデアに基づいて構築されているため、温度制御はミキサーではなくタンクで行われます。

TOPH61 シリーズ クリーム、軟膏、歯磨き粉用 ZJH ホモジナイザー 特許取得済みの ZJH 再循環ホモジナイザーは、内部/外部循環、真空乳化、コンパクトなサニタリー システムでの自動処理を使用した、高粘度のクリーム、軟膏、歯磨き粉用です。 製品を見る→

購入前に指定する内容

1. ターゲットの液滴または粒子のサイズと、受け入れられる測定方法。 「微細」および「よく混合」は仕様ではなく、レーザー回折結果は顕微鏡画像と同じ証拠ではありません。
2. 室温ではなく、プロセス温度での粘度。低温時に 200 cP を読み取る製品は、70 °C では大きく異なる動作をする可能性があり、ワークヘッドのギャップは両方に適合する必要があります。
3. バッチサイズの範囲とターンダウン。 1 台の機械が公称バッチの 20% を処理しなければならない場合、せん断ゾーンが水没したままにならず、モーターが大幅に大型化する可能性があります。
4. 先端速度範囲、駆動および始動動作。高せん断ヘッドでは可変周波数制御が正常であり、安定したバッチの開始時にトルク制限がシャフトを保護します。
5. 接液部の材質とシール戦略。研磨固形物、強力な CIP 化学物質、および真空デューティはすべてシャフト シールの決定を後押しします。また、圧力バランス タンクまたはサイフォン タンクのメカニカル シールは、単純なリップ シールとは非常に異なるサービス要件です。
6. 自社製品のパイロットトライアル。ヘッドの形状、ギャップ、ステーターのスロット パターンは、データシートだけからは予測するのが難しい方法でレオロジーと相互作用します。

ワークヘッドの形状やステーターの設計によって液滴サイズがどのように変化するかについてさらに詳しく知りたい場合は、サイト独自の概要を参照してください。 高せん断乳化剤の設計 実践的な詳細について説明します。

高せん断ミキサーに関するよくある質問

実際のプロジェクトで生き残るためのルールは簡単です。流動、分散、または乳化のどの単位操作を購入するかを決定し、その 1 つのことに優れた機械を購入することです。単一のワークヘッドが 3 つすべてにおいて優れていることが求められると、混合問題が解決され続けることはほとんどありません。