Karıştırmalı tanklarda karışma süresinin elektrokimyasal sınırlayıcı difüzyon akım tekniği ile belirlenmesi
Determination of mixing time in mechanically stirred tank using electrochemical limiting current diffusion technique
Yazar: ÖZKAN AYDIN
Danışman: PROF. DR. SİNAN YAPICI
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Temel İşlemler ve Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Karışma prosesleri oldukça önemlidir ve kimya, petrokimya, biyokimya, ilaç ve gıda gibi birçok endüstri dalında yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Birbiri ile karışabilen sıvıların karışması, doğal konveksiyon ve moleküler difüzyonla çok yavaş yürüdüğünden, daha hızlı bir şekilde homojenlik sağlanmak üzere zorlanmış akış uygulanır. Tek faz içeren karıştırmalı tankların karışma performansının belirlenmesinde, yaygın olarak kullanılan ana parametrelerin en önemlilerinden birisi karışma süresidir. Karışma süresi, yalnızca kantitatif olarak sıvı homojenizasyonunu karakterize eden bir parametre olmakla kalmayıp, aynı zamanda karıştırmalı tank tasarımında, karıştırıcı tipi ve geometrisi seçiminde ve boyutlandırılmasında da önemli bir parametredir. Karışma süresini ölçmek için akış hidrodinamiğini bozmayan, karmaşık ölçüm sistemleri gerektirmeyen, uygulanması kolay, reaktör muhtevası ile etkileşime girmeyen ve radyoaktif olmayan bir ölçüm tekniğinin geliştirilmesi önemlidir. Ölçüm teknikleri dikkate alındığında, özellikle kütle transferi ölçümlerinde oldukça hassas ve güvenilir sonuçlar vermekte olan elektrokimyasal sınırlayıcı difüzyon akımı tekniği (Electrochemical Limiting Diffusion Current Technique, ELDCT) uygulanmaktadır. Bu teknik, bir katı yüzey ile elektrolit arasındaki kütle transfer hızını ölçmek için kullanılmaktadır. Bu teknikte ölçülen büyüklük, elektrot yüzeyinde reaksiyon veren belirli iyonların transferi ile geçen akımdır. 
Bu çalışmada, ferri-ferro siyanür çözeltisi elektrolit, potasyum karbonat çözeltisi ise destek elektrolit çözeltisi olarak kullanıldı. Karıştırmalı tank sisteminde, geçiş bölgesi akış rejiminde elektrokimyasal sınırlayıcı difüzyon akımı tekniğinin uygulanabilirliği, daha önce karışma süresi belirlemede kullanılan iletkenlik ölçüm tekniği ile eş zamanlı deneyler yapılarak test edildi. İletkenlik ölçüm probu ile yapılan ölçümler lokal olduğu için elektrokimyasal sınırlayıcı difüzyon akımı tekniğinde de lokal katot kullanılarak karışma süreleri ölçüldü. Her iki yöntemin deney sonuçlarının %95 oranında benzerlik gösterdiği belirlendi. Elektrokimyasal sınırlayıcı difüzyon akımı tekniğinin kullanıldığı karışma sisteminde akış saptırıcı dört nikel panelden biri katot (1B), diğer üçü anot (3B) olarak kullanıldı. '1B+3B' elektrot sisteminde bulunan karışma süresi değerinin, tankın beş farklı bölgesi için belirlenen ortalama karışma süresi ile aynı olduğu gözlendi. İlaveten, farklı viskoziteli çözeltilerde, Re sayısı ile Rushton Türbini kanat sayısı ve kanat açısının karışma süresini nasıl etkilediği test edildi. Karışma süresinin bu parametrelere bağlılığını gösteren korelasyon t_M=7363750 〖Re〗^(-1,3)*θ^(-0,42)*n^(-0,59) şeklinde bulundu. Son olarak, farklı viskozite değerlerinde ve farklı hacimlerde çözeltiler karıştırılarak karışma süresi hesaplandı.

Abstract:
Mixing processes have vital importance and are commonly used in a lot of industrial fields such as, chemical, petrochemical, biochemical, pharmacuitical, and food. Since the mixing of miscible liquids by diffusion or natural convection takes a long time, forced flow is employed for rapid mixing to reach a desired homogenization degree faster. In the determination of mixing performance of single phase mixing processes, one of the most important parameters, which are used commonly, is mixing time. Mixing time is not only to characterize quantitavely liquid homogenization, but also it is very important parameter in tank design, in the selection of stirrer type and geometry, in scaling up. 
It is important to develop a technique for mixing time measurement, which does not disturb the real hydrodynamic in the vessel, does not need complex and expensive measurement system, is practicle, does not react chemically with original reactor content, and does not contain radiactive material. 
When taking into consideration of measurement techniques, electrochemical limiting diffusion current technique (ELDCT) provides a quite sensitive and reliable measurement especialy in mass transfer operation. This technique is employed to measure mass transfer rate between a solid surface and electrolyte. The mesured quantity is the current by tranferring some ions reacted on the electrode surface. 
In this study, ferri-ferro cyanide solution was used as electrolyte, while potassium carbonate solution was used as a supported electrolyte. In a stirred tank system and in transition region, the applicability of electrochemical limiting diffusion current technique was tested by conducting simultaneous experiments with the conductivity measurement technique previously used to determine mixing time. Since the measurements made with the conductivity measurement probe were local, the mixing times were measured by using the local cathode for electrochemical limiting diffusion current technique. The findings of two methods were found to be in 95% similarity. In the mixing system with electrochemical limiting diffusion current technique, four nickel panels were used as a flow deflector (buffle). One of these panels (1B) was cathode, while the other three ones (3B) were anodes. The value of mixing time for measurement of "1B+3B" electrode system was observed to be the same with the avarage mixing time for five different zones in the tank. Additionaly, it has been determined how the number of Re in solutions with different viscosities, the number of Rushton Turbine wings and wing angle influence the mixing time. Correlation showing the dependency of these parameters on mixing time was found as  t_M=7363750 〖Re〗^(-1,3)*θ^(-0,42)*n^(-0,59). Finally, mixing time was calculated for solutions with different volumes and viscosities.