Misch- und Rührtechnik

12. Mai 2017, Lunch & Learn, Frankfurt am Main (B598)

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Welche Bedeutung hat die Mischtechnik auf

die Funktionalität des Reaktors?

Ausgleich von Konzentrations- und

Temperaturunterschieden

Intensivieren des Wärmeübergangs

Tropfen- / Partikelgröße

Vermeidung von Stoffübergangslimitierung

Verweilzeitverteilung

Dr. Ansgar Kursawe / Engineering and Consulting Seite 2 23.06.2016

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Der “ideale” Lehrbuch-Rührkessel

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0,1

1

10

100

1,E+00 1,E+01 1,E+02 1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06

Ne-W

ert

Re-Zahl

Ne (RUDI)

Ne (Messung)

Ne (Anpassung)

Propellerrührer mit

Stromstörer

laminare

Strömung

turbulente

Strömung

Grundlagen der Strömungstechnik (Rührkessel)

53Re dnNePLRühr

L

Ldn

2

Re

dRühr MnP 2

53 dn

PNe

L

Rühr

Rührleistung

Reynolds-Zahl (berechnet)

Rührleistung (gemessen)

Newton-Zahl

Quelle Siemens

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Viskosität Dichte

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Grundlagen der Strömungstechnik – Alltagsbeispiel

Dr. Ansgar Kursawe / Engineering and Consulting Seite 5

53Re dnNePLRühr

(Rühr)Leistung in

„turbulenter Strömung“

“n” entspricht

Bahngeschwindigkeit

3

2

2

1

2

1

AvcP

vFPbzw. mit

AvcFw

w

w

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Abschätzung der Mischzeit (experimentell und numerisch)

12.05.2017 Dr. Ansgar Kursawe / Engineering and Consulting Seite 6

Statistische Theorie der Turbulenz nach Kolmogorov

Berechnung der “kleinsten Wirbelgröße”

Unterhalb dieser existiert nur (diffusive) Mikromischung

“Mischzeit” (s)

D Diffusionskoeffizient (m²/s, typ. 10-9 z.B. Neutralisation

bis 10-6 wie Glycerin@RT)

in m

kinematische Viskosität m²/s

e massebezogene Rührleistung (W/kg³)

4/13

e

v

D

2

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Mischzeitcharakteristik (tabellarisch)

Quelle

EKATO

Beispiel Propellerrührer

n = 300 min-1= 5 s-1

d2 = 300 mm, D = 1000 mm

ρ = 1000 kg/m3

Ƞ = 1 mPas

Re = 450.000 = 4,5 E5

Diagramm: n Ɵ = 60

Mischzeit :

Ɵ = 60 / 5 s-1 12 s

Dr. Ansgar Kursawe / Engineering and Consulting Seite 7 12.05.2017

Ɵ = Mischzeitkennzahl

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Leistungseintrag, Newton-Zahl (Ne), Newton-Kurve

Quelle EKATO

Beispiel Propellerrührer:

n = 300 min-1= 5 s-1

d2 = 300 mm

ρ = 1000 kg/m3

Ƞ = 1 mPas

Re = 450.000 = 4,5 E5

Diagramm: Ne = 0,33

Leistung / spezifische Leistung:

P = 100 Watt

D = 1000 mm, H/D = 1

Volumen = 0,732 m3

P/V = 0,137 W/L = 137 W/m3

ε = 0,137 W/kg

Seite 8 12.05.2017

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Typische Werte für den spezifischen Leistungseintrag P/V beim Rühren

P/V = 0,01 kW/m3 leichte Suspendierung, Lagerbehälter

P/V = 0,10 kW/m3 Homogenisieren, Wärmeübertragung

leichtes Emulgieren

P/V = 1,0 kW/m3 schnelle Vermischung und Wärmeabfuhr

(z.B. bei Reaktionen)

gutes Emulgieren und Suspendieren

leichte Begasung

Homogenisieren hohe Viskosität

P/V = 10 kW/m3 gute Begasung (gas/flüssig-Reaktionen)

sehr gutes Emulgieren

gutes Homogenisieren hohe Viskosität

VORSICHT Wärmeeintrag!

Dr. Ansgar Kursawe / Engineering and Consulting Seite 9 12.05.2017

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Skalierung von Rührkesseln (turbulente Strömung, Penney-Diagramm)

12.05.2017 Dr. Ansgar Kursawe / Engineering and Consulting Seite 10

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Quelle Siemens

Leistungseintrag – Einfluss der Stromstörer

12.05.2017 Dr. Ansgar Kursawe / Engineering & Consulting Seite 11

Rührleistung: P = Ne n3 d5 ρ

Newton-Zahl: Ne = f (Re)

Spezifische Rührleistung: P/V ≈ 0,1 bis 10 kW/m3

f (Rührer)

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Beispiel Emulgieren und “ein Alltagsbeispiel”

12.05.2017 Dr. Ansgar Kursawe / Engineering & Consulting Seite 12

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Lokaler Leistungseintrag

Kerosin-Tropfen

in Wasser

6-Blatt Scheibenrührer

(Ne = 4,8)

Emulgieren / Begasen / Fällen

möglichst hoher lokaler

Leistungseintrag

Propellerrührer

(Ne = 0,33)

Nadelkristalle

Kristallisation

häufig schonendes Rühren

Scheibenrührer:

εmax = 30 εmittel

Propellerrührer

εmax = 3 εmittel

Dr. Ansgar Kursawe / Engineering & Consulting Seite 13 12.05.2017

Quelle EKATO

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Statische Mischer - „bewusst gutes“ Mischen

VpP Pumpenleistung:

G L

L,G

Δp

Volumenstrom

1,8 m3/h

18 m3/h

Leerrohr-

Geschwindigkeit

w0 = 1 m/s w0 = 10 m/s

Druckabfall Δp 0,13 bar 13 bar

Leistung 6,5 W 6.500 W

Volumen 0,063 L 0,063 L

Spez. Leistung

P/V

103 W/L 103.000 W/L

Mischzeit 0,130 s 0,013 s

Seite 14 12.05.2017 Dr. Ansgar Kursawe / Engineering & Consulting

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Klassierende Kristallisatoren - bewusst “schlechtes” Mischen

12.05.2017 Seite 15

SOx eines Rauchgases endet als Sulfat im basischen Solvent.

Capture-Rates SOx effektiv „100%“, Löslichkeit Sulfat: ca. 0.2 g/kg

Klassierende Funktion bedingt „imperfektes Mischen“

Suspension

> 10g/kg

10 m³

Kristallisator

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Die Grenzen der experimentellen Möglichkeiten

12.05.2017 Seite 16

Wer möchte die effektive

Stoffaustauschfläche als f(Re) bestimmen?

Mit realen Stoffen?

Viskosität, Oberflächenspannung

Auf Reaktionstemperatur?

Stoffdaten sind f(T)

Ggf. undurchsichtig (Murphys Law)

oder gar viskos?

CFD wird der pragmatischere Ansatz sein

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Dr. Ansgar Kursawe

Siemens EC, Process Research & Design

Industriepark Höchst B598

65926 Frankfurt

Mobil: +49 (173) 256-2883

E-Mail: Ansgar.Kursawe@Siemens.com

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