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
Dr. Ansgar Kursawe / Engineering and Consulting Seite 4 23.06.2016
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
Dr. Ansgar Kursawe / Engineering & Consulting
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Dr. Ansgar Kursawe
Siemens EC, Process Research & Design
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65926 Frankfurt
Mobil: +49 (173) 256-2883
E-Mail: [email protected]
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