高粘度ミキサーの選び方: インペラの種類、トルク、設計

リチウム電池の負極スラリーが入った 5,000 リットルの反応器の前に立つと、問題が明らかになります。羽根車は回転し、表面はほとんど動かず、よく混合されているように見えるのはシャフトの周りの小さな領域だけです。これが洞窟効果であり、通常の低粘度撹拌機が製品が数千センチポアズを超えるとすぐに機能しなくなる理由です。実際的な結論は、その背後にある流体力学よりも単純です。 高粘度ミキサーは、モーターのサイズだけではなく、インペラの形状、ギアによるトルク、および壁付近のクリアランスによって選択されます。 .

高粘度混合の違い

層流がルールを変える

水の粘度は約 1 cP です。蜂蜜は10,000 cP近くにあります。展延性コーティングは 100,000 cP 以上に達することがあります。製品が約 5,000 cP を超えると、乱流は本質的に消滅します。流体は滑らかな平行な層で移動し、混合は渦ではなくせん断とバルク循環によって起こります。これが、高粘度ミキサーを単純に水撹拌機の大型版にすることができない理由です。 最初から層流条件向けに設計する必要があります .

洞窟効果とデッドゾーン

濃厚な液体のタンク内では、回転するインペラが周囲に比較的よく混合された「空洞」を形成しますが、残りの製品はゆっくりと回転するか、ほぼ静止したままになります。その結果、タンクの壁、インペラの下、および水面近くにデッドゾーンが生じます。標準的な対策は、タンク直径に対してインペラ直径 (D/T 比) を大きくし、容器壁を継続的にこすって製品を混合ゾーンに戻す拭き取り要素を追加することです。

濃厚な流体に適したインペラの選択

「最良の」高粘度ミキサーインペラは単一ではありません。正しい選択は、製品の厚さ、熱伝導が必要かどうか、製品が壁に張り付くかどうか、バッチを交換する頻度によって異なります。以下の表は、業界で使用される最も一般的な設計をまとめたものです。

アンカーおよびフレームアジテーター

アンカーインペラは容器の内部輪郭に沿っているため、製品が壁に沿って移動し続け、ジャケットを介した熱伝達が促進されます。製品がベタベタしている場合や壁に焼き付きやすい場合は、 高粘度製品用のスクレーパーブレード付きフレームアジテーター スクレーパーが継続的に材料を表面から剥がすため、より信頼性の高いオプションです。これらの設計は、10,000 ～ 100,000 cP の範囲の反応器、貯蔵タンク、コーティング釜に適しています。

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ヘリカルリボンインペラ

バッチが約 50,000 cP より厚くなると、単一のアンカーまたはフレームでは十分な上から下へのターンオーバーを生成できないことがよくあります。螺旋状のリボンは全体の質量をシャフトに沿って上向きに、壁に沿って下向きに押し上げ、アンカー設計にはない循環を与えます。これにより、 高粘度撹拌機用スパイラルリボン複合撹拌パドル ポリマー溶液、シーラント、電池スラリー、および最大 1,000,000 cP までの重いペーストに一般的な選択肢です。

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プラネタリーミキサー: バッチがさらに進むとき

数十万センチポアズを超える場合、または製品に大量の乾燥粉末が含まれる場合には、プラネタリーミキサーが実用的になります。インペラはタンクを周回しながら独自の軸を中心に回転し、デッドゾーンなしで容器全体を掃引します。トレードオフは機械の複雑さとコストです。そのため、より単純な形状では不十分であることが判明した場合にのみ選択する必要があります。

形状、取り付け、アプリケーションの適合性

トップエントリー vs ボトムエントリー vs サイドエントリー

多くの場合、取り付け構成はタンク自体によって決まります。トップエントリーミキサーは、シャフトがマンホールまたは専用ノズルをまっすぐに通過するため、反応器や圧力容器で最も一般的です。製品の粘度が非常に高い場合、 高粘度フレームトップエントリーミキサー ドライブを液体の上に保ち、インペラの直径を容器の壁に近いサイズにすることができます。ボトムエントリーミキサーとサイドエントリーミキサーはよりコンパクトですが、特に研磨剤スラリーや沈降する製品の場合、シールとメンテナンスの問題が生じます。

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インペラの直径とタンクの直径の比は、低粘度設備と高粘度設備の間で最も目に見える設計の違いになります。標準的なタービン インペラはタンク直径の約 3 分の 1 しか使用しません。高粘度インペラはその 9/10 以上をカバーする必要があります。

実際のプロセスの例

化学産業では、フレームミキサーとリボンミキサーが樹脂ケトル、接着剤、ペーストを処理しており、製品の品質は均一な温度とデッドゾーンの有無に左右されます。の 化学産業プロジェクトのリファレンス このサイトでは、同じフレーム形状がさまざまな反応器サイズとシール要件にどのように適応するかを示します。リチウム電池の製造では、アノードとカソードのスラリーは通常非ニュートン性であり、せん断速度によって粘度が変化します。の リチウム電池産業プロジェクトの参考資料 CFD 分析と材料の選択が単純な cP 評価よりも重要である理由を説明します。コーティングでは、バッチに空気を含ませることなく顔料を樹脂に分散できる高粘度ミキサーが一般的に求められています。

パワー、トルク、および一般的な仕様の間違い

トルクを第一に考える

最も一般的な間違いは、モーター出力のみで高粘度ミキサーを指定することです。粘性混合ではトルクが仕事をします。高速シャフトに接続された 30 kW モーターが伝達するトルクは非常にわずかです。ギアボックスの後ろにある同じモーターで 30 RPM を発生し、大きなアンカーを簡単に回転させることができます。 モーターの銘板ではなく、出力軸の定格トルクを必ず確認してください。 。このため、ギア減速ドライブトレインは交渉の余地がなく、減速比は予想される最大粘度に合わせる必要があります。

費用のかかる 5 つの仕様ミス

1. インペラのサイズが小さすぎる 既存のマンホールに通します。その後、ミキサーは外側の材料を動かさずに数時間稼働します。
2. 壁付近のクリアランスを無視する 。スクレーパーまたはアンカーで覆われていないと、ジャケット近くの製品が過熱したり、表面が形成されたりします。
3. 粘度のみをcPで指定する ただし、降伏応力とずり減粘挙動は無視します。ペーストは静止状態では 20,000 cP のように見えますが、スクレーパー負荷下では 200,000 cP のように動作します。
4. メカニカルシールを忘れる 。粘性製品はラジアル荷重を発生させ、シャフトを横方向に押します。標準のカートリッジシールだけでは必ずしも十分とは限りません。
5. テストの準備はありません 。 CFD とパイロット試験は、必要な均一性を達成できない本格的なミキサーに対する最も安価な保険です。

非ニュートン挙動による計算の変化

ほとんどの工業用高粘度製品 (コーティング、接着剤、ペースト、電池スラリー) は非ニュートン性です。インペラの速度が変化すると、見かけの粘度が低下または上昇します。これが、粘度とせん断速度の曲線が単一の cP 値よりも価値がある理由です。メーカーが製品サンプルを要求してレオロジーテストを実行する場合、それは不必要な遅延ではなく、専門的な実践の兆候であると考えてください。

購入前に指定する内容

短い仕様リスト

見積もりを依頼する前に、流体の組成、動作温度での粘度範囲、密度、必要なバッチサイズ、タンクの寸法、利用可能なノズルのサイズ、動作圧力と温度、容器がジャケット付きかどうか、製品が研磨性、腐食性、または食品グレードかどうかについて明確な声明を作成してください。また、ミキサーを連続的に実行する必要があるか、断続的に実行する必要があるか、および CIP (定置洗浄) が必要かどうかも記載します。

署名する前に CFD を使用する

数値流体力学解析は、高粘度ミキサー設計の標準的な部分になっています。 CFD モデルは、デッド ゾーンを明らかにし、さまざまな速度での消費電力を推定し、どちらかを構築することなく 2 つのインペラの形状を比較できます。このサイトの背後にあるエンジニアを含む多くの機器サプライヤーが、 CFD流体力学解析技術 デザインサービスの一環として。サプライヤーが特定の製品の流れパターンやトルク予測を示せない場合は、それを警告サインとして扱います。

メンテナンスアクセスの計画

高粘度ミキサーは重く、低粘度ミキサーに比べてシールの摩耗が多くなります。ドライブ トレイン全体を持ち上げずにメカニカル シールを保守できること、スクレーパー ブレードが交換可能であること、およびギアボックスが継続的な使用に適した十分なオイル冷却を備えていることを確認してください。これらの詳細により、定期的なシール交換に 4 時間かかるか 2 日かかるかが決まります。

高粘度ミキサーに関するよくある質問