Misch- und Rührtechnik - Siemens Global...

Misch- und Rührtechnik

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

siemens.de/ec © Siemens AG 2016

© Siemens AG 2016

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

© Siemens AG 2016

Der “ideale” Lehrbuch-Rührkessel

© Siemens AG 2016

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


Viskosität Dichte

© Siemens AG 2016

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

© Siemens AG 2016

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

© Siemens AG 2016

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


Ɵ = Mischzeitkennzahl

© Siemens AG 2016

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

© Siemens AG 2016

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!


© Siemens AG 2016

Skalierung von Rührkesseln (turbulente Strömung, Penney-Diagramm)

12.05.2017 Dr. Ansgar Kursawe / Engineering and Consulting Seite 10

© Siemens AG 2016

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)

© Siemens AG 2016

Beispiel Emulgieren und “ein Alltagsbeispiel”

12.05.2017 Dr. Ansgar Kursawe / Engineering & Consulting Seite 12

© Siemens AG 2016

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

© Siemens AG 2016

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

© Siemens AG 2016

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

© Siemens AG 2016

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

Dr. Ansgar Kursawe / Engineering & Consulting

© Siemens AG 2016

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: [email protected]

siemens.de/ec

Misch- und Rührtechnik - Siemens Global...

Documents

Transcript of Misch- und Rührtechnik - Siemens Global...