Bekijk
Type: Whitepaper
In de moderne procesindustrie speelt het verkleinen van deeltjes, emulgeren van vloeistoffen en homogeniseren van mengsels een centrale rol. In-lijn high-shear mixers zijn hierbij onmisbare apparaten. De effectiviteit van een dergelijke mixer wordt in belangrijke mate bepaald door het aantal zogenaamde ‘snijmomenten’ — de momenten waarop de openingen van de rotor en stator langs elkaar bewegen en daarmee intense afschuifkrachten genereren.
Deze whitepaper presenteert een kwantitatieve analyse van de shear-efficiëntie van diverse rotor-stator kop configuraties, verdeeld over twee categorieën:
Door het aantal snijmomenten per omwenteling, per minuut en per uur te berekenen, biedt deze analyse een objectieve basis voor de selectie van de juiste kop configuratie voor een specifieke procestoepassing.
Een snijmoment ontstaat op het moment dat een opening (tand, sleuf of gat) van de rotor langs een opening van de stationaire stator passeert. Op dat moment wordt de vloeistof gedwongen door een zeer nauw kanaal met hoge snelheidsverschillen aan weerszijden — dit genereert intense turbulentie, cavitatie en afschuifkrachten.
Het totaal aantal snijmomenten per omwenteling wordt als volgt berekend:
Snijmomenten / omwenteling = Σ (rotor openingen × stator openingen) per ringpaar
Voor mixers met meerdere ringparen (concentrische ringen of meerdere rotor/stator sets) worden de snijmomenten van elk ringpaar opgeteld. Bij een waaier worden ook de bladen meegeteld als zij langs statoropeningen passeren.
Het totaal per tijdseenheid volgt dan direct uit het toerental:
De standaard in-lijn high-shear mixer is uitgerust met één rotor/stator set. De rotor bestaat uit een 4-bladige waaier die voor de pompwerking zorgt en tegelijkertijd snijmomenten genereert aan de binnenste statorring. Afhankelijk van de gewenste procesuitkomst zijn vijf kop configuraties beschikbaar.
| Kop type | Rotor elementen | Stator openingen | / omwenteling | / uur @ 3.000 RPM |
| Grote gaten (GP) | 4 bladen | 12 gaten | 48 | 8,6 mln |
| Sleuven (GP) | 4 bladen | 36 sleuven | 144 | 25,9 mln |
| Enkel/Dubbel stator (GP) | 4 bladen + 24 tanden | 24 + 36 openingen | 1.536 | 276 mln |
| Kleine gaten (GP) | 4 bladen | ~480 gaten | 1.920 | 346 mln |
| Dubbel rotor/Triple stator (GP) | 4 bladen + 24 + 32 tanden | 24 + 32 + 40 openingen | 3.744 | 674 mln |
Tabel 1: Overzicht GP kop configuraties bij 3.000 RPM
Grote gaten stator: De meest open configuratie, met slechts 12 grote ronde gaten. Ideaal voor grove dispersies, producten met deeltjes of vezels, en toepassingen waarbij doorstroomcapaciteit prioriteit heeft boven fijnheid. Met 48 snijmomenten per omwenteling is dit de minst intensieve optie.
Sleuvenstator: Met 36 sleuven en dezelfde 4-bladige rotor genereert deze configuratie 144 snijmomenten per omwenteling — 3× meer dan de grote gaten variant. Geschikt voor grovere ingredienten in emulsies en dispersies met een goede doorstroming.
Enkel rotor / dubbele stator: Een hybride ontwerp waarbij de rotor zowel 4 waaierbladen als een tandring bezit, die samenwerken met een tweezijdige stator. Met 1.536 snijmomenten per omwenteling — een sprong van meer dan 10× ten opzichte van de sleuvenvariant — levert dit ontwerp al aanzienlijk hogere shear-intensiteit.
Kleine gaten stator: De dichte perforatie van de statorring (~480 kleine gaten) in combinatie met de 4-bladige rotor resulteert in 1.920 snijmomenten per omwenteling. Bijzonder effectief voor fijne emulsies. Opvallend is dat deze configuratie bij slechts 3.000 RPM een vergelijkbare shear-frequentie bereikt als een UHS Fijn kop bij hogere toerental.
Dubbele rotor / triple stator: De meest geavanceerde GP-configuratie. Met twee tandringen op de rotor en drie statorringen worden 3.744 snijmomenten per omwenteling bereikt — de hoogste waarde in de GP-klasse. Deze configuratie nadert de prestaties van de UHS-klasse bij hogere toerentallen.
De Ultra High-shear mixer onderscheidt zich op twee fundamentele punten van de standaard mixer:
De drie sets werken in serie: de vloeistof passeert elke set volledig voordat zij naar de volgende stroomt. Hierdoor worden de snijmomenten van alle drie sets gecumuleerd in één doorgang door de mixer. De hier gepresenteerde berekeningen zijn gebaseerd op één rotor/stator set per mixer; de totale shear-intensiteit bij meervoudige sets is dienovereenkomstig hoger.
De koppen zijn beschikbaar in vier uitvoeringen die zich onderscheiden door het aantal tanden per ring en het aantal ringen:
| Kop type | Rotor ringen | Stator ringen | / omwenteling | / uur @ 8.000 RPM |
| Grove | 2 ringen (8+6) | 2 ringen (12+8) | 144 | 69 mln |
| Medium | 3 ringen (14+10+8) | 4 ringen (18+14+10+8) | 472 | 227 mln |
| Fijn | 3 ringen (18+14+10) | 4 ringen (24+20+16+12) | 872 | 419 mln |
| Superfijn | 3 ringen (24+20+16) | 4 ringen (36+28+22+16) | 1.776 | 852 mln |
Tabel 2: Overzicht UHS kop configuraties bij 8.000 RPM
Grove: Met 2 ringen en relatief weinig tanden (8+6 op de rotor, 12+8 op de stator) genereert de grove kop 144 snijmomenten per omwenteling. Het hogere toerental resulteert in 69 miljoen snijmomenten per uur — dit is geschikt voor grovere dispersies waarbij snelheid van doorstroming belangrijk is.
Medium: De toevoeging van een derde rotorring en extra statorring brengt het aantal snijmomenten op 472 per omwenteling en 227 miljoen per uur. Universeel inzetbaar voor de meeste emulsie- en dispersievraagstukken in de middelste fijnheids-range.
Fijn: Met drie rotorringen en vier statorringen stijgt het aantal snijmomenten naar 872 per omwenteling en 419 miljoen per uur. Geschikt voor fijne emulsies, nano-dispersies en toepassingen waarbij een nauwkeurige deeltjesgrootteverdeling vereist is.
Superfijn: De meest intensieve configuratie in de UHS-reeks. Met de hoogste tandendichtheid (24+20+16 op de rotor, 36+28+22+16 op de stator) worden 1.776 snijmomenten per omwenteling bereikt. Bij 8.000 RPM resulteert dit in 852 miljoen snijmomenten per uur — de absolute top binnen dit productportfolio.
| Kop type | GP Groot | GP Sleuven | GP Enkel/Dubbel | GP Klein | UHS Grove | UHS Medium | UHS Fijn | UHS Superfijn |
| Max. toerental (RPM) | 3.000 | 3.000 | 3.000 | 3.000 | 8.000 | 8.000 | 8.000 | 8.000 |
| Snijmomenten / omwenteling | 48 | 144 | 1.536 | 1.920 | 144 | 472 | 872 | 1.776 |
| Snijmomenten / minuut | 144.000 | 432.000 | 4.608.000 | 5.760.000 | 1.152.000 | 3.776.000 | 6.976.000 | 14.208.000 |
| Snijmomenten / uur | 8,6 mln | 25,9 mln | 276 mln | 346 mln | 69 mln | 227 mln | 419 mln | 852 mln |
Tabel 3: Volledig vergelijkend overzicht alle kop configuraties
Spreiding binnen de GP-klasse: Het bereik binnen de GP-klasse is enorm. De grote gaten variant (8,6 mln/uur) en de dubbele rotor/triple stator (674 mln/uur) verschillen een factor 78×. De keuze van het mixer heeft daarmee een grotere invloed op de shear-intensiteit dan het verschil tussen machine-klassen.
GP vs. UHS bij vergelijkbare snijmomenten: De GP kleine gaten kop (346 mln/uur @ 3.000 RPM) presteert vergelijkbaar met de UHS Medium kop (227 mln/uur @ 8.000 RPM). Dit illustreert dat geometrie en statorontwerp soms een groter effect hebben dan toerental.
Toerental als multiplier: Het hogere toerental van de UHS (8.000 vs. 3.000 RPM) geeft een factor 2,67× meer snijmomenten per omwenteling, bij gelijke geometrie. In combinatie met de fijnere tandstructuur levert de UHS Superfijn echter een factor 12× meer snijmomenten dan de UHS Grove.
Drie sets in serie (UHS): Bij de UHS mixer werken drie sets achtereenvolgens. Dit betekent dat elke deeltje de shear-zone drie maal passeert, wat de effectieve shear-blootstelling aanzienlijk vergroot ten opzichte van de enkelvoudige getallen in bovenstaande tabel.
| Toepassing | Aanbevolen kop | Snijmomenten/uur |
| Grove dispersies, vezels, deeltjes | GP Grote gaten | 8,6 mln |
| Middel-grove emulsies, goede doorstroming | GP Sleuven | 25,9 mln |
| Fijne emulsies, standaard homogenisatie | GP Enkel/Dubbel of Klein gaten | 276–346 mln |
| Hoge capaciteit, veelzijdig | UHS Medium | 227 mln |
| Fijne emulsies, nano-dispersies | UHS Fijn | 419 mln |
| Ultrafijne emulsies, cel-ruptuur, API-dispersies | UHS Superfijn | 852 mln |
Tabel 4: Selectiegids mixer op basis van procestoepassing
De shear-efficiëntie van in-lijn mixers wordt bepaald door drie samenhangende factoren: het ontwerp van het mixer (aantal en geometrie van rotor- en statoropeningen), het toerental en het aantal rotor/stator sets in serie.
Deze analyse toont aan dat de keuze van het mixer binnen een machine-klasse een minstens even grote — en soms grotere — impact heeft op de shear-intensiteit als de keuze voor een hogere machine-klasse. De GP dubbele rotor/triple stator kop bereikt bij 3.000 RPM een vergelijkbare shear-frequentie als de UHS Fijn kop bij 8.000 RPM.
Voor toepassingen waarbij de hoogste shear-intensiteit vereist is — zoals nano-emulsies, API-dispersies of cel-ruptuur — biedt de UHS Super-Fijn kop bij 8.000 RPM met 852 miljoen snijmomenten per uur de maximale prestatie. De drie in serie geplaatste rotor/stator sets van de UHS-mixer versterken dit effect verder door elke vloeistofportie meerdere malen door de shear-zone te leiden.
De in deze whitepaper gepresenteerde methode — het kwantificeren van snijmomenten als maat voor shear-efficiëntie — biedt een objectieve, reproduceerbare basis voor de selectie en vergelijking van mixerkoppen, onafhankelijk van subjectieve procesbeoordelingen.
Het aantal snijmomenten is een krachtige en objectieve maatstaf voor de shear-efficiëntie van een rotor-stator combinatie, maar vormt slechts één onderdeel van het totale shearproces. In de praktijk wordt de uiteindelijke procesuitkomst mede bepaald door een aantal aanvullende factoren die hieronder worden toegelicht.
Naast de mechanische snijwerking genereert de rotor-stator combinatie intense turbulentie in de vloeistof. Deze turbulentie veroorzaakt energie-dissipatie in de vorm van wervelstructuren (eddies) op microscopische schaal, die verantwoordelijk zijn voor het breken van druppels en deeltjes. De intensiteit van de turbulentie is afhankelijk van de perifere snelheid van de rotor (omtreksnelheid in m/s), de geometrie van de openingen en de viscositeit van het product. Bij hogere viscositeit neemt de turbulentie af en verschuift de dominante shear-werking meer naar laminaire afschuiving in de nauwe spleet tussen rotor en stator. Het ontwerp van de kop geometrie — met name de breedte en diepte van de openingen — bepaalt mede hoeveel turbulente energie per volume-eenheid vloeistof wordt ingebracht.
De doorloopsnelheid — het debiet waarmee het product door de mixer stroomt — heeft direct invloed op de verblijftijd van het product in de shearzone. Bij een hogere doorloopsnelheid passeert elke volumeeenheid vloeistof de rotor-stator set in kortere tijd, waardoor het aantal snijmomenten dat het product daadwerkelijk ervaart afneemt. Bij in-lijn mixers wordt de effectieve shearblootstelling daarom uitgedrukt als het aantal snijmomenten per volume-eenheid product, wat afhankelijk is van zowel de snijfrequentie als het debiet. Voor intensieve processen zoals nanoemulsificatie of celruptuur kan meervoudig recirculeren of het verlagen van het debiet noodzakelijk zijn om de gewenste procesuitkomst te bereiken.
De radiale spleetbreedte tussen de buitenkant van de rotor en de binnenkant van de stator is een kritische parameter. In deze nauwe spleet — typisch in de orde van 0,1 tot 0,5 mm — worden de hoogste afschuifsnelheden bereikt. Een kleinere tolerantie resulteert in hogere shear rates, maar stelt ook hogere eisen aan de maatnauwkeurigheid van de componenten, de lagerkwaliteit en de thermische stabiliteit van de machine. Slijtage aan rotor en stator vergroot de spleet over tijd, wat leidt tot een meetbare afname van de shear prestatie. Regelmatige inspectie en tijdige vervanging van de rotor-stator set zijn daarom essentieel voor het behoud van consistente proceспrestaties. Bij de UHS mixer, die op hogere toerentallen draait, is de beheersing van de toleranties nog kritischer vanwege de hogere centrifugale krachten en thermische belasting.
De druk in en rondom de shearzone heeft een tweeledig effect op de shear prestatie. Ten eerste bepaalt de systeemdruk of cavitatie optreedt: het lokaal imploderen van dampbellen in zones met lage druk. Cavitatie kan een significant aanvullend shear-effect genereren — de implosie van een cavitatiebel produceert lokale drukgolven en temperatuurpieken die bijdragen aan deeltjesbreuk en emulgering. Bij te lage inlaatdruk kan ongecontroleerde cavitatie echter leiden tot erosie van de rotor en stator en een onregelmatig procesverloop. Ten tweede beïnvloedt de tegendruk aan de uitlaatzijde het debiet en daarmee de verblijftijd. Een goed ontworpen procesinstallatie houdt rekening met de optimale drukverhouding over de mixer om zowel de shear prestatie te maximaliseren als de levensduur van de componenten te waarborgen.
Samengevat geldt dat het aantal snijmomenten een betrouwbare en vergelijkbare maatstaf is voor de intrinsieke shear capaciteit van een kop configuratie, maar dat turbulentie, doorloopsnelheid, toleranties en drukbeheer de randvoorwaarden vormen waarbinnen die capaciteit volledig tot zijn recht komt. Een optimale shear prestatie vereist een integrale benadering waarbij al deze factoren in samenhang worden beschouwd en afgestemd op de specifieke proceseisen.
Note: Dit document is opgesteld op basis van visuele analyse van productfoto’s en berekeningen van snijmomenten. Exacte waarden dienen te worden geverifieerd aan de hand van fabrikantspecificaties.
In de moderne procesindustrie speelt het verkleinen van deeltjes, emulgeren van vloeistoffen en homogeniseren van mengsels een centrale rol. In-lijn high-shear mixers zijn hierbij onmisbare apparaten. De effectiviteit van een dergelijke mixer wordt in belangrijke mate bepaald door het aantal zogenaamde ‘snijmomenten’ — de momenten waarop de openingen van de rotor en stator langs elkaar bewegen en daarmee intense afschuifkrachten genereren.
Deze whitepaper presenteert een kwantitatieve analyse van de shear-efficiëntie van diverse rotor-stator kop configuraties, verdeeld over twee categorieën:
Door het aantal snijmomenten per omwenteling, per minuut en per uur te berekenen, biedt deze analyse een objectieve basis voor de selectie van de juiste kop configuratie voor een specifieke procestoepassing.
Een snijmoment ontstaat op het moment dat een opening (tand, sleuf of gat) van de rotor langs een opening van de stationaire stator passeert. Op dat moment wordt de vloeistof gedwongen door een zeer nauw kanaal met hoge snelheidsverschillen aan weerszijden — dit genereert intense turbulentie, cavitatie en afschuifkrachten.
Het totaal aantal snijmomenten per omwenteling wordt als volgt berekend:
Snijmomenten / omwenteling = Σ (rotor openingen × stator openingen) per ringpaar
Voor mixers met meerdere ringparen (concentrische ringen of meerdere rotor/stator sets) worden de snijmomenten van elk ringpaar opgeteld. Bij een waaier worden ook de bladen meegeteld als zij langs statoropeningen passeren.
Het totaal per tijdseenheid volgt dan direct uit het toerental:
De standaard in-lijn high-shear mixer is uitgerust met één rotor/stator set. De rotor bestaat uit een 4-bladige waaier die voor de pompwerking zorgt en tegelijkertijd snijmomenten genereert aan de binnenste statorring. Afhankelijk van de gewenste procesuitkomst zijn vijf kop configuraties beschikbaar.
| Kop type | Rotor elementen | Stator openingen | / omwenteling | / uur @ 3.000 RPM |
| Grote gaten (GP) | 4 bladen | 12 gaten | 48 | 8,6 mln |
| Sleuven (GP) | 4 bladen | 36 sleuven | 144 | 25,9 mln |
| Enkel/Dubbel stator (GP) | 4 bladen + 24 tanden | 24 + 36 openingen | 1.536 | 276 mln |
| Kleine gaten (GP) | 4 bladen | ~480 gaten | 1.920 | 346 mln |
| Dubbel rotor/Triple stator (GP) | 4 bladen + 24 + 32 tanden | 24 + 32 + 40 openingen | 3.744 | 674 mln |
Tabel 1: Overzicht GP kop configuraties bij 3.000 RPM
Grote gaten stator: De meest open configuratie, met slechts 12 grote ronde gaten. Ideaal voor grove dispersies, producten met deeltjes of vezels, en toepassingen waarbij doorstroomcapaciteit prioriteit heeft boven fijnheid. Met 48 snijmomenten per omwenteling is dit de minst intensieve optie.
Sleuvenstator: Met 36 sleuven en dezelfde 4-bladige rotor genereert deze configuratie 144 snijmomenten per omwenteling — 3× meer dan de grote gaten variant. Geschikt voor grovere ingredienten in emulsies en dispersies met een goede doorstroming.
Enkel rotor / dubbele stator: Een hybride ontwerp waarbij de rotor zowel 4 waaierbladen als een tandring bezit, die samenwerken met een tweezijdige stator. Met 1.536 snijmomenten per omwenteling — een sprong van meer dan 10× ten opzichte van de sleuvenvariant — levert dit ontwerp al aanzienlijk hogere shear-intensiteit.
Kleine gaten stator: De dichte perforatie van de statorring (~480 kleine gaten) in combinatie met de 4-bladige rotor resulteert in 1.920 snijmomenten per omwenteling. Bijzonder effectief voor fijne emulsies. Opvallend is dat deze configuratie bij slechts 3.000 RPM een vergelijkbare shear-frequentie bereikt als een UHS Fijn kop bij hogere toerental.
Dubbele rotor / triple stator: De meest geavanceerde GP-configuratie. Met twee tandringen op de rotor en drie statorringen worden 3.744 snijmomenten per omwenteling bereikt — de hoogste waarde in de GP-klasse. Deze configuratie nadert de prestaties van de UHS-klasse bij hogere toerentallen.
De Ultra High-shear mixer onderscheidt zich op twee fundamentele punten van de standaard mixer:
De drie sets werken in serie: de vloeistof passeert elke set volledig voordat zij naar de volgende stroomt. Hierdoor worden de snijmomenten van alle drie sets gecumuleerd in één doorgang door de mixer. De hier gepresenteerde berekeningen zijn gebaseerd op één rotor/stator set per mixer; de totale shear-intensiteit bij meervoudige sets is dienovereenkomstig hoger.
De koppen zijn beschikbaar in vier uitvoeringen die zich onderscheiden door het aantal tanden per ring en het aantal ringen:
| Kop type | Rotor ringen | Stator ringen | / omwenteling | / uur @ 8.000 RPM |
| Grove | 2 ringen (8+6) | 2 ringen (12+8) | 144 | 69 mln |
| Medium | 3 ringen (14+10+8) | 4 ringen (18+14+10+8) | 472 | 227 mln |
| Fijn | 3 ringen (18+14+10) | 4 ringen (24+20+16+12) | 872 | 419 mln |
| Superfijn | 3 ringen (24+20+16) | 4 ringen (36+28+22+16) | 1.776 | 852 mln |
Tabel 2: Overzicht UHS kop configuraties bij 8.000 RPM
Grove: Met 2 ringen en relatief weinig tanden (8+6 op de rotor, 12+8 op de stator) genereert de grove kop 144 snijmomenten per omwenteling. Het hogere toerental resulteert in 69 miljoen snijmomenten per uur — dit is geschikt voor grovere dispersies waarbij snelheid van doorstroming belangrijk is.
Medium: De toevoeging van een derde rotorring en extra statorring brengt het aantal snijmomenten op 472 per omwenteling en 227 miljoen per uur. Universeel inzetbaar voor de meeste emulsie- en dispersievraagstukken in de middelste fijnheids-range.
Fijn: Met drie rotorringen en vier statorringen stijgt het aantal snijmomenten naar 872 per omwenteling en 419 miljoen per uur. Geschikt voor fijne emulsies, nano-dispersies en toepassingen waarbij een nauwkeurige deeltjesgrootteverdeling vereist is.
Superfijn: De meest intensieve configuratie in de UHS-reeks. Met de hoogste tandendichtheid (24+20+16 op de rotor, 36+28+22+16 op de stator) worden 1.776 snijmomenten per omwenteling bereikt. Bij 8.000 RPM resulteert dit in 852 miljoen snijmomenten per uur — de absolute top binnen dit productportfolio.
| Kop type | GP Groot | GP Sleuven | GP Enkel/Dubbel | GP Klein | UHS Grove | UHS Medium | UHS Fijn | UHS Superfijn |
| Max. toerental (RPM) | 3.000 | 3.000 | 3.000 | 3.000 | 8.000 | 8.000 | 8.000 | 8.000 |
| Snijmomenten / omwenteling | 48 | 144 | 1.536 | 1.920 | 144 | 472 | 872 | 1.776 |
| Snijmomenten / minuut | 144.000 | 432.000 | 4.608.000 | 5.760.000 | 1.152.000 | 3.776.000 | 6.976.000 | 14.208.000 |
| Snijmomenten / uur | 8,6 mln | 25,9 mln | 276 mln | 346 mln | 69 mln | 227 mln | 419 mln | 852 mln |
Tabel 3: Volledig vergelijkend overzicht alle kop configuraties
Spreiding binnen de GP-klasse: Het bereik binnen de GP-klasse is enorm. De grote gaten variant (8,6 mln/uur) en de dubbele rotor/triple stator (674 mln/uur) verschillen een factor 78×. De keuze van het mixer heeft daarmee een grotere invloed op de shear-intensiteit dan het verschil tussen machine-klassen.
GP vs. UHS bij vergelijkbare snijmomenten: De GP kleine gaten kop (346 mln/uur @ 3.000 RPM) presteert vergelijkbaar met de UHS Medium kop (227 mln/uur @ 8.000 RPM). Dit illustreert dat geometrie en statorontwerp soms een groter effect hebben dan toerental.
Toerental als multiplier: Het hogere toerental van de UHS (8.000 vs. 3.000 RPM) geeft een factor 2,67× meer snijmomenten per omwenteling, bij gelijke geometrie. In combinatie met de fijnere tandstructuur levert de UHS Superfijn echter een factor 12× meer snijmomenten dan de UHS Grove.
Drie sets in serie (UHS): Bij de UHS mixer werken drie sets achtereenvolgens. Dit betekent dat elke deeltje de shear-zone drie maal passeert, wat de effectieve shear-blootstelling aanzienlijk vergroot ten opzichte van de enkelvoudige getallen in bovenstaande tabel.
| Toepassing | Aanbevolen kop | Snijmomenten/uur |
| Grove dispersies, vezels, deeltjes | GP Grote gaten | 8,6 mln |
| Middel-grove emulsies, goede doorstroming | GP Sleuven | 25,9 mln |
| Fijne emulsies, standaard homogenisatie | GP Enkel/Dubbel of Klein gaten | 276–346 mln |
| Hoge capaciteit, veelzijdig | UHS Medium | 227 mln |
| Fijne emulsies, nano-dispersies | UHS Fijn | 419 mln |
| Ultrafijne emulsies, cel-ruptuur, API-dispersies | UHS Superfijn | 852 mln |
Tabel 4: Selectiegids mixer op basis van procestoepassing
De shear-efficiëntie van in-lijn mixers wordt bepaald door drie samenhangende factoren: het ontwerp van het mixer (aantal en geometrie van rotor- en statoropeningen), het toerental en het aantal rotor/stator sets in serie.
Deze analyse toont aan dat de keuze van het mixer binnen een machine-klasse een minstens even grote — en soms grotere — impact heeft op de shear-intensiteit als de keuze voor een hogere machine-klasse. De GP dubbele rotor/triple stator kop bereikt bij 3.000 RPM een vergelijkbare shear-frequentie als de UHS Fijn kop bij 8.000 RPM.
Voor toepassingen waarbij de hoogste shear-intensiteit vereist is — zoals nano-emulsies, API-dispersies of cel-ruptuur — biedt de UHS Super-Fijn kop bij 8.000 RPM met 852 miljoen snijmomenten per uur de maximale prestatie. De drie in serie geplaatste rotor/stator sets van de UHS-mixer versterken dit effect verder door elke vloeistofportie meerdere malen door de shear-zone te leiden.
De in deze whitepaper gepresenteerde methode — het kwantificeren van snijmomenten als maat voor shear-efficiëntie — biedt een objectieve, reproduceerbare basis voor de selectie en vergelijking van mixerkoppen, onafhankelijk van subjectieve procesbeoordelingen.
Het aantal snijmomenten is een krachtige en objectieve maatstaf voor de shear-efficiëntie van een rotor-stator combinatie, maar vormt slechts één onderdeel van het totale shearproces. In de praktijk wordt de uiteindelijke procesuitkomst mede bepaald door een aantal aanvullende factoren die hieronder worden toegelicht.
Naast de mechanische snijwerking genereert de rotor-stator combinatie intense turbulentie in de vloeistof. Deze turbulentie veroorzaakt energie-dissipatie in de vorm van wervelstructuren (eddies) op microscopische schaal, die verantwoordelijk zijn voor het breken van druppels en deeltjes. De intensiteit van de turbulentie is afhankelijk van de perifere snelheid van de rotor (omtreksnelheid in m/s), de geometrie van de openingen en de viscositeit van het product. Bij hogere viscositeit neemt de turbulentie af en verschuift de dominante shear-werking meer naar laminaire afschuiving in de nauwe spleet tussen rotor en stator. Het ontwerp van de kop geometrie — met name de breedte en diepte van de openingen — bepaalt mede hoeveel turbulente energie per volume-eenheid vloeistof wordt ingebracht.
De doorloopsnelheid — het debiet waarmee het product door de mixer stroomt — heeft direct invloed op de verblijftijd van het product in de shearzone. Bij een hogere doorloopsnelheid passeert elke volumeeenheid vloeistof de rotor-stator set in kortere tijd, waardoor het aantal snijmomenten dat het product daadwerkelijk ervaart afneemt. Bij in-lijn mixers wordt de effectieve shearblootstelling daarom uitgedrukt als het aantal snijmomenten per volume-eenheid product, wat afhankelijk is van zowel de snijfrequentie als het debiet. Voor intensieve processen zoals nanoemulsificatie of celruptuur kan meervoudig recirculeren of het verlagen van het debiet noodzakelijk zijn om de gewenste procesuitkomst te bereiken.
De radiale spleetbreedte tussen de buitenkant van de rotor en de binnenkant van de stator is een kritische parameter. In deze nauwe spleet — typisch in de orde van 0,1 tot 0,5 mm — worden de hoogste afschuifsnelheden bereikt. Een kleinere tolerantie resulteert in hogere shear rates, maar stelt ook hogere eisen aan de maatnauwkeurigheid van de componenten, de lagerkwaliteit en de thermische stabiliteit van de machine. Slijtage aan rotor en stator vergroot de spleet over tijd, wat leidt tot een meetbare afname van de shear prestatie. Regelmatige inspectie en tijdige vervanging van de rotor-stator set zijn daarom essentieel voor het behoud van consistente proceспrestaties. Bij de UHS mixer, die op hogere toerentallen draait, is de beheersing van de toleranties nog kritischer vanwege de hogere centrifugale krachten en thermische belasting.
De druk in en rondom de shearzone heeft een tweeledig effect op de shear prestatie. Ten eerste bepaalt de systeemdruk of cavitatie optreedt: het lokaal imploderen van dampbellen in zones met lage druk. Cavitatie kan een significant aanvullend shear-effect genereren — de implosie van een cavitatiebel produceert lokale drukgolven en temperatuurpieken die bijdragen aan deeltjesbreuk en emulgering. Bij te lage inlaatdruk kan ongecontroleerde cavitatie echter leiden tot erosie van de rotor en stator en een onregelmatig procesverloop. Ten tweede beïnvloedt de tegendruk aan de uitlaatzijde het debiet en daarmee de verblijftijd. Een goed ontworpen procesinstallatie houdt rekening met de optimale drukverhouding over de mixer om zowel de shear prestatie te maximaliseren als de levensduur van de componenten te waarborgen.
Samengevat geldt dat het aantal snijmomenten een betrouwbare en vergelijkbare maatstaf is voor de intrinsieke shear capaciteit van een kop configuratie, maar dat turbulentie, doorloopsnelheid, toleranties en drukbeheer de randvoorwaarden vormen waarbinnen die capaciteit volledig tot zijn recht komt. Een optimale shear prestatie vereist een integrale benadering waarbij al deze factoren in samenhang worden beschouwd en afgestemd op de specifieke proceseisen.
Note: Dit document is opgesteld op basis van visuele analyse van productfoto’s en berekeningen van snijmomenten. Exacte waarden dienen te worden geverifieerd aan de hand van fabrikantspecificaties.
Whitepaper: Shear-efficiëntie van Rotor-Stator Koppen
