KIES VOOR EEN ROERWERK OP MAAT VAN DE OPDRACHT!

EQUIPMENT
COMPLEXE MENGSELS ROEREN
KIES VOOR EEN ROERWERK OP MAAT
VAN DE OPDRACHT!
Door Els Jonckheere, Pumps Magazine en Eddy Van de Putte, Mervers Benelux
Mengen wordt vaak nog met
oudere roerwerken van eigen
makelij - of ontworpen door één
of andere machinefabrikant
- uitgevoerd. Het resultaat is
dat de gebruiker al te vaak
opgezadeld zit met verkeerde of
niet correct gedimensioneerde
systemen. Toch maken ook
de roerwerken deel uit van de
procesflow en ook deze processen
ontsnappen niet aan het streven
naar optimalisering. We bekijken
hier mogelijke oplossingen voor
de voedingsindustrie, maar de
principes zijn uiteraard ook valabel
voor andere industrietakken.
H
et mengen van vloeistoffen,
dispergeren/emulgeren van
(niet-mengbare) vloeistoffen, suspenderen van vaste deeltjes in
vloeistoffen, dispergeren van gassen
in vloeistoffen, bereiden van oplossingen, bevorderen van warmteoverdracht
(koelen en verwarmen), bewerkstelli-
Cowles dispergeerschijf, een radiaal
roerelement, voor het dispergeren van
poeders in vloeistoffen en het maken
van emulsies.
Axiaal pompende hydrofoil impeller in gepolijste uitvoering.
gen van chemische reacties,…: het zijn
allemaal processen die een roerwerk
moet uitvoeren. Maar om een optimaal resultaat te halen, kan niet eender
welk systeem worden gebruikt. Alles
is afhankelijk van diverse parameters,
zoals producteigenschappen (densiteit,
viscositeit, structuur, samenstelling,…),
procesparameters (temperatuur, druk,
vullinggraad, formulering,…) en roeropdracht (mengen, begassen, oplossen,
homogeniseren, …). Vandaar dat er voor
dit soort processen geen universeel toepasbare oplossing bestaat. In feite moet
er quasi voor elk type meng- of roeropdracht een ander roerwerk worden
gebouwd. We spreken hierbij dan vooral
over de dimensionering en specifieke
samenstelling van het systeem, want
qua soorten is de keuze vrij beperkt.
Roerwerken kunnen eigenlijk in twee
grote categorieën worden opgedeeld:
de snel- en de traagdraaiende uitvoeringen. Let wel: in dit artikel gaat het
over de roerwerken voor vloeistoffen.
Er bestaan ook dergelijke systemen voor
het mengen en roeren van poeders, maar
dat is een totaal ander verhaal!
Vooral marinepropellers
In bijvoorbeeld de voedingsindustrie
worden vooral sneldraaiende roerwer-
ken gebruikt. Deze draaien aan 400
à 3.000 toeren per minuut en worden
vooral voor het roeren en mengen van
vloeistoffen met een lage tot middelmatige viscositeit (melk, water, bier, oliën,
etc.) toegepast. Deze groep kan verder
worden onderverdeeld in twee categorieën. Enerzijds zijn er de roerwerken
die een axiale stroming veroorzaken:
ze bewegen de vloeistof in de richting
van de roerwerkas. Het meest verspreide
voorbeeld van dit type is de marinepropeller (zelfde vorm als de schroef van
een boot). Deze biedt een goede werking
bij alle types van gemakkelijk mengbare
vloeistoffen én kan tevens voor het
warmen of koelen van dunne vloeistoffen (thermische overdracht) worden
gebruikt. De marinepropeller brengt
echter te weinig shear (afschuiving) in
de vloeistof, waardoor ze bijvoorbeeld
niet voor het dispergeren van vaste stoffen of gassen in vloeistoffen kan worden
gebruikt. Het belangrijkste nadeel van
dit type is dat ze altijd lucht in de vloeistof brengt, waardoor haar toepassingsgebied is gelimiteerd (mag bijvoorbeeld
niet voor gevoelige melkproducten
worden gebruikt). Het grootste pluspunt
van dit soort roerwerk is haar goedkope
kostprijs én het feit dat ze relatief weinig
vermogen opneemt. In de voedingsin-
PUMPS MAGAZINE ISSUE 52 december 2006
25
EQUIPMENT
Traagdraaiende side entry roerwerk met dubbele mechanische afdichting en
thermosifon, gemonteerd op een opslagtank.
dustrie wordt de marinepropeller vooral
gebruikt voor het homogeen houden van
de temperatuur in melkopslagtanks,
het verdunnen van suikerstroop voor
frisdranken, het homogeen houden
van filterhulpstof in brouwerijen, het
mengen van verschillende oliën én
het toevoegen van kleur/smaakstoffen
aan dunvloeibare levensmiddelen. Een
tweede voorbeeld van een axiaal werkend roerwerk is de schevebladroerder
(Pitched Blade Turbine of PBT). Deze
veroorzaakt een groter debiet in de
vloeistof en heeft ook een zekere radiale
component. Het grootste nadeel van dit
systeem is dat ze relatief veel vermogen
opneemt. Vandaar dat deze uitvoering
vooral wordt gebruikt in toepassingen
waar er zwaar moet worden gepompt
en een hoge roerintensiteit is vereist
(weinig in de voedingsindustrie). Een
derde type is de hydrofoil: een roerwerk
met gebogen schoepen, dat functioneert
volgens het principe van de vleugels
van een vliegtuig. Deze soort maakt
de laatste jaren grote furore omdat ze
voor een welbepaalde roerintensiteit
maar weinig vermogen opneemt én
honderd procent axiaal werkt. De
hydrofoil brengt maar weinig shear in
de vloeistof, waardoor ze niet voor het
dispergeren van poeders of het breken
van klonters is geschikt. Maar ze is dan
wel weer ideaal voor fragiele vloeistoffen, zoals dunne voedingsmiddelen of
26
weinig shear in het product. In tegenstelling tot de sneldraaiers behandelen
ze de levensmiddelen dus op een heel
zachte manier. Vandaar dat ze ook voor
het mengen en roeren van dunnere vloeistoffen met een zeer gevoelige structuur
kunnen worden toegepast. Typische
voorbeelden van voedingsproducten
waarvoor traagdraaiers ideaal zijn, zijn
(drink)yoghurt, limonades met pulp,
gistoplossingen in brouwerijen, gekristalliseerde ‘masse cuite’ en karamelreactoren in de suikerindustrie, sausen met
stukjes champignons of bolognaisesaus
in de commodity foodsector, etc. Binnen
deze groep van roerwerken kan er een
opdeling tussen radiale, axiale en tangentiële types worden gemaakt. Ook de
hydrofoils zijn binnen de traagdraaiers
aan een opmars bezig. Ze zijn immers
erg geschikt voor het axiale pompen van
vloeistoffen bij lage snelheid. Daarnaast
worden in de voedingsindustrie ook de
emulsies met een kwetsbare structuur
(bijvoorbeeld drinkyoghurt, soepen
met stukjes groenten, etc.).
Ook radiale sneldraaiers…
Een tweede grote groep in de sneldraaiende roerwerken zijn deze die
een radiale stroming veroorzaken: de
vloeistof beweegt zich in een richting
loodrecht op de roerwerkas. Deze types
worden gebruikt in toepassingen waarbij een zeer groot mechanisch effect op
de vloeistof moet worden uitgeoefend
(nood aan een hoge shear), zoals bij het
dispergeren van poeders (bijvoorbeeld
melkrecombinatie). In dergelijke gevallen is over het algemeen een Cowles
roerelement (het zogenaamde zaagblad) ideaal. Een andere toepassing is
het injecteren van gas in een vloeistof
(vooral in de chemische nijverheid):
daarvoor wordt meestal een Rushton
roerelement gebruikt. Voor opdrachten
met extreem hoge shear worden dikwijls
rotor-stator roerwerken toegepast, maar
dit is meer in het domein van de chemie
en de productie van farmaceutische producten (zalven en crèmes).
Traagdraaiend ankerroerwerk met
extra PBT-schoepen voor axiale
pompwerking.
Soms ook traagdraaiers nodig
Voor producten met een hoge viscositeit
(5.000 mPa.s. of meer) is het meestal
raadzaam om een langzaam draaiend
roerwerk (5 tot 200 tpm) te gebruiken.
Dergelijke systemen brengen zeer
PUMPS MAGAZINE ISSUE 52 december 2006
Top-entry roerwerken op betonnen
tanks in de waterzuivering.
EQUIPMENT
De juiste mixerkeuze
voor vloeibare chemische reactieprocessen
Roerwerken en statische mixers worden veel gebruikt in
processen met een chemische reactie. Ze hebben verschillende
karakteristieken en de juiste keuze bepaalt een efficiënt
geoptimaliseerde proces met een zo laag mogelijk energieverbruik.
Procesdoel
Soort mixer
Beste technologie
Op één na beste technologie
Mengen t.b.v. een directe
reactie
Statische mixer
Roerwerk
Reactie, reactietijd van
1 ~ 2 sec tot 2 ~ 3 min
Statische mixer
Roerwerk
Reactie, reactietijd >3 min Roerwerk
Statische mixer
De mixerkeuze in 3 stappen
Een reeks opeenvolgende
reacties
Statische mixer
Roerwerk
Niet opeenvolgende
reacties.
Gas – vloeistof reacties.
Beide technologieën kunnen hiervoor worden toegepast, soms in combinatie met elkaar voor een nog beter
resultaat.
>STAP 1:
Selecteer de juiste technologie voor het
procesdoel.
Vloeistof – vaste stof
reacties
Roerwerk
Statische mixer
Stap 1: Bepaal eerst de chemie en de beoogde procesresultaten en beslis
daarna wat de best beschikbare technologie is.
In tegenstelling tot de gemiddelde
machinebouwer van ‘om de hoek’,
maken gespecialiseerde constructeurs
gebruik van geavanceerde tools. Dat
kan, voor de selectie van het roerwerk,
bijvoorbeeld een softwarepakket zijn,
of speciale simulatiesoftware, “Computational Fluid Dynamics” (CFD), om
het stroomgedrag van de vloeistoffen
in de mengtank te bepalen. Dit maakt
het mogelijk om hoog efficiënte impellers te ontwerpen die een veel lager
Stromingsverschijnsel
energieverbruik hebben en de batchtijd
verminderen.
>>STAP 2:
Laat uw leverancier het juiste type statische mixer kiezen dat geschikt is voor
het proces. Niet alle statische mixers
zijn gelijk.
>>>STAP 3:
Laat uw leverancier het juiste type
impeller kiezen en daarbij de diameter
en toerental voor een zo kort mogelijke
mengtijd bij het laagste energieverbruik.
Het opleggen van roerwerkspecificaties
zonder advies van uw roerwerkexpert is
niet verstandig. <<
Met dank aan: Mervers Benelux
Reactiesystemen met statische mixers
kunnen als alternatief voor roerwerken
worden toegepast in vele traditionele
batchprocessen. Een statische mixer
als reactor biedt voordelen zowel in
aanschafkosten,
fabrieksgrootte als
Stromingsreactieselectiviteit.
verschijnsel
Mixer type
Laminair
(Reynoldsgetal < 100)
KMX (honingraat) of
KM (schroefvormig)
Overgangsgebied
(Reynoldsgetal
100 -5.000)
KM (schroefvormig)
Turbulent
(Reynoldsgetal >5.000)
HEV Vortex creërend) of KM
(schroefvormig)
Stap 2: Kies het juiste type statische mixer afhankelijk
van het stromingsverschijnsel, Reynoldsgetal. De juiste
selectie van de statische mixer maakt het mogelijk de
energieconsumptie 3 ~ 4 keer te verlagen voor dezelfde
kwaliteit menging uitgedrukt in CoV (Coëfficiënt of
Variation).
Impeller type
Laminair
Helix, anker
Overgangsgebied
HE-3, hoogefficiënt
MW-4, hoogefficiënt met
extra brede bladen
P-4, 45° schuineblad
roerder
Turbulent
HE-3
SC-3 hoogefficiënt, laag
in gewicht voor lange vrij
hangende roerassen
MW-4
Stap 3: Kies de juiste impeller voor een roerwerk
afhankelijk van het stromingsverschijnsel, Reynoldsgetal. Door de juiste impeller te kiezen en
daarna de impellerdiameter en het toerental te optimaliseren, kan het energieverbruik afnemen tot een
factor 10 bij een gelijke mengtijd.
PUMPS MAGAZINE ISSUE 52 december 2006
27
EQUIPMENT
axiale helixroerders (lintroerwerk)
gebruikt: de enige oplossing voor het
mengen en roeren van producten met
een extreem hoge viscositeit (tot 250.000
mPa.s), zoals zeer dikke suikerstropen,
chocopasta, boter, etc. Tevens vinden we
in de levensmiddelensector frequent het
tangentiële ankerroerwerk terug (vloeistof draait rond de as). Meestal gaat het
om toepassingen waarbij er een warmteoverdracht van de wand naar viskeuze
vloeistoffen dient te gebeuren, zoals het
koelen of opwarmen van dikke emulsies
(bijvoorbeeld margarine of ijsroom).
Deze roerwerken worden soms met
teflon schrapers uitgerust: in dit geval
worden ze gebruikt om product van de
tankwand af te schrapen en zodoende
aankoek- of aanbakverschijnselen te
voorkomen of ervoor te zorgen dat een
tank helemaal wordt leeggemaakt. Een
typisch voorbeeld zijn de zogenaamde
‘schraapwarmtewisselaars’. Dikwijls
Roerwerkaandrijvingen met dubbele mechanische asafdichting en thermosifon
in de workshop van Mervers Benelux.
in de bakkerij behoren eveneens tot
de klasse van de traagdraaiende roerwerken.
Top-entry
Centraal gemonteerd top-entry
roerwerk.
wordt dit soort roerwerk met andere
(snel- of traagdraaiende) types gecombineerd, bijvoorbeeld in bereidingstanks
voor gerecombineerde melkproducten.
Want in dergelijke toepassingen dienen
verschillende roerwerken te worden
gebruikt omdat er uiteenlopende roeropdrachten tijdens de formulatie zijn. Een
voorbeeld van radiale traagdraaiende
roerwerken zijn de impellerroerwerken. Deze worden echter uitsluitend in
reactoren binnen de chemische industrie
(polymerisatiereactoren) gebruikt. De
kneders (met planetaire roerwerken)
28
De meeste roerwerken zijn ‘top-entry’
types. Ze worden door middel van een
roerwerkbrug of klem bovenop een open
vat, of via een montageflens bovenop
een gesloten tank geplaatst. Voor deze
laatste toepassing zijn er verschillende
asafdichtingen beschikbaar, zoals
pakkingen, lipseal of enkele/dubbele
mechanische asafdichtingen (vooral in
trek wegens hun goede reinigbaarheid).
‘Top-entry’ roerwerken kunnen op twee
manieren worden gemonteerd. Centrale
installatie is de klassieke methode en kan
enkel worden toegepast indien de tank
binnenin van stromingsbrekers (baffles)
is voorzien. Deze moeten vermijden dat
de vloeistof zich als een blok gedraagt,
met het roerwerk meedraait en er dus
niet goed meer wordt gemengd/geroerd.
Maar omdat deze stromingsbrekers geen
efficiënte C.I.P.-reiniging toelaten, moet
er in de voedingsindustrie meestal voor
een excentrische montage worden
gekozen. Dit is een duurdere methode
omdat het roerwerk (wegens de invloed
van grotere zijdelingse krachten) veel
zwaarder moet zijn. Het voordeel van
een ‘top-entry’ installatie is dat de
asafdichting zich niet in de vloeistof
bevindt, gezien het roerwerk op de top
PUMPS MAGAZINE ISSUE 52 december 2006
van de tank staat. Bovendien laat deze
methode toe om relatief grote vermogens te installeren. Maar een serieus
minpunt is dat er lange assen nodig zijn
(vooral bij grotere tanks), waardoor het
roerwerk aanzienlijk duur kan uitvallen. Daarnaast is de asafdichting in een
brandbare atmosfeer (ATEX!), bijvoorbeeld door stof (melkpoeder, bloemsuiker), een mogelijke ontstekingsbron. In
dergelijke gevallen dienen roerwerken
te worden gebruikt die voor ATEX zone
20 zijn geschikt, wat de toestellen beduidend duurder maakt.
Bottom/side-entry
Indien er geen of te weinig plaats
bovenop de tank is en wanneer lange
roerwerkassen moeten worden vermeden, is het beter om voor de zogenaamde
‘bottom-entry’ of ‘side-entry’ roerwerken te kiezen. De eerste installatiemethode wordt typisch in de farmaceutische
industrie gebruikt omdat ze voornamelijk met magneetgekoppelde roerwerken het beste resultaat geeft. Maar dit
zijn zeer dure systemen die bovendien
enkel nut hebben in toepassingen met
zeer giftige of gevaarlijke producten
(omdat ze geen asafdichting hebben).
Vandaar dat de voedingsindustrie
eerder haar toevlucht tot ‘side-entry’
installatie zal nemen (bijvoorbeeld op
zeer grote melkkoeltanks). In dit geval
worden de roerwerken zijdelings op de
EQUIPMENT
tank gemonteerd. Dit gebeurt meestal
onder een welbepaalde hoek (om hun
effect te vergroten) en met een mechanische asafdichting. Het grote nadeel is
dat deze laatste onder het vloeistofniveau zit, waardoor er een reëel risico
bestaat dat bij een lek de tank volledig
leegloopt (ze moet dus regelmatig op
mankementen worden gecontroleerd!).
Bovendien zijn ‘side-entry’ installaties
niet geschikt voor opdrachten die een
grote roerintensiteit vereisen én laten ze
niet toe om op verschillende niveaus te
mengen. Vandaar dat ‘side-entry’ roerwerken meestal niet voor de echte productie of menging van levensmiddelen
zijn geschikt en eerder bij opslagtanks
worden gebruikt. Het belangrijkste
pluspunt van deze systemen is dat ze
relatief korte assen hebben, waardoor ze
heel wat eenvoudiger en goedkoper zijn.
Daarnaast is het onderhoud minder complex gezien de roerwerken gemakkelijk
bereikbaar en minder zwaar zijn.
Doe beroep op een specialist!
Tot pakweg vijfentwintig jaar geleden
bestond er weinig wetenschappelijke
informatie over roerwerken en waren
producenten die zich in deze materie
specialiseerden, een rariteit. Meestal
werden roerwerken door de levensmiddelenbedrijven zelf ontworpen en
samengesteld of werd deze klus in
handen van één of andere machineleverancier gegeven. Het resultaat was
dat de roerwerken vaak niet volledig
in functie van hun toepassing waren
gekozen én over het algemeen op vlak
van dimensionering te wensen overlieten. Gezien roerwerken een lange
levensduur kennen, worden deze oude
types nog steeds frequent gebruikt (of
door hetzelfde type vervangen). Er kan
dus worden gesteld dat menig roerproces verre van optimaal verloopt, met
overmatige kosten (energieverbruik!)
en te lange productietijden als gevolg.
Vandaar dat het zeker geen slecht idee
is om uw roerwerksystemen eventjes
onder de loep te nemen en ze indien
nodig te vervangen. Vandaag zijn er
in Europa een twintigtal bedrijven dat
zich specifiek op het ontwerp, de productie, assemblage en installatie van
roerwerken toelegt. Deze specialisten
zullen niet alleen naar het correcte
roersysteem in functie van uw bedrijfsparameters zoeken, maar zullen tevens
het maatwerk (want dat is het altijd!)
indien nodig uittesten. Want er is één
constructie vrij van groeven, spleten
en holtes te zijn. Per definitie zijn ze
(gezien hun toepassing in de levensmiddelenindustrie) volledig uit RVS
vervaardigd. Qua opbouw is het beter
om de roerelementen aan de roeras te
lassen in plaats van met bouten, moeren,
spieën, etc., te monteren. De lasnaden
moeten worden nageslepen/gepolijst/
gepassiveerd én vrij van groeven en
holtes zijn. Het roerwerk heeft bij voorkeur een oppervlakteruwheid (Ra) van
maximaal 0,8 µ. Om te vermijden dat
olie vanuit de reductiekast via de roeras
in de tank terechtkomt, is de plaatsing
van een druppelplaat aangewezen. Dit
is in feite een omgekeerde schotel die
op de as buiten de tank, boven de asafdichting, wordt geplaatst en ervoor zorgt
dat de olie van de as wordt weggeleid.
Het gebruik van spoorlagers en vrije
schroefdraad zijn te vermijden en alle
niet-gelaste metaal-metaalverbindingen
moeten spleetvrij zijn afgedicht. Koop
ook enkel roerwerken die specifiek voor
Traagdraaiend ankerroerwerk,
de voedingsindustrie zijn geconcipieerd,
gecombineerd met sneldraaiend
hydrofoil roerwerk met stabilisatiering. geassembleerd en geconstrueerd. Want
hoewel de systemen slechts op één vlak
constante in het roerwerkenwereldje: het met deze van andere sectoren verschilis nooit zeker of een ontwerp volledig len (namelijk de hygiëne), is precies dat
optimaal zal werken! Toch willen we u een essentiële factor waarmee rekening
nog enkele tips geven over waarop u moet worden gehouden! <<
nu bij de aankoop en de installatie van
roerwerksystemen voor voedingstoepasU kan dit artikel downloaden
singen specifiek moet letten. Wel, eerst
op www.mainpress.com
en vooral moeten de installaties qua
Oppervlaktebeluchter voor waterbehandeling bij SRM Knottingley.
PUMPS MAGAZINE ISSUE 52 december 2006
29