Misch- und Rührtechnik. 12. Mai 2017, Lunch & Learn, Frankfurt am Main (B598)

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1 Misch- und Rührtechnik 12. Mai 2017, Lunch & Learn, Frankfurt am Main (B598) siemens.de/ec

2 Welche Bedeutung hat die Mischtechnik auf die Funktionalität des Reaktors? Ausgleich von Konzentrations- und Temperaturunterschieden Intensivieren des Wärmeübergangs Vermeidung von Stoffübergangslimitierung Tropfen- / Partikelgröße Verweilzeitverteilung Seite Dr. Ansgar Kursawe / Engineering and Consulting

3 Der ideale Lehrbuch-Rührkessel

4 Ne-Wert Grundlagen der Strömungstechnik (Rührkessel) Rührleistung (gemessen) Viskosität Dichte P 2 n Rühr M d Reynolds-Zahl (berechnet) 2 n d L Re L 100 laminare Strömung Propellerrührer mit Stromstörer turbulente Strömung Ne (RUDI) Ne (Messung) Ne (Anpassung) Rührleistung 10 P Rühr Ne 3 5 Re n d L Newton-Zahl PRühr Ne n 3 d 5 Seite L 1 Re-Zahl Quelle Siemens 0,1 1,E+00 1,E+01 1,E+02 1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06 Dr. Ansgar Kursawe / Engineering and Consulting

5 Grundlagen der Strömungstechnik Alltagsbeispiel (Rühr)Leistung in turbulenter Strömung P Rühr Ne 3 5 Re n d L n entspricht Bahngeschwindigkeit 1 Fw cw 2 bzw. mit P P 1 c 2 w Av Av 3 2 F v Seite 5 Dr. Ansgar Kursawe / Engineering and Consulting

Abschätzung der Mischzeit (experimentell und numerisch) Statistische Theorie der Turbulenz nach Kolmogorov Berechnung der kleinsten Wirbelgröße Unterhalb dieser existiert nur (diffusive)

6 Abschätzung der Mischzeit (experimentell und numerisch) Statistische Theorie der Turbulenz nach Kolmogorov Berechnung der kleinsten Wirbelgröße Unterhalb dieser existiert nur (diffusive) Mikromischung Mischzeit (s) D Diffusionskoeffizient in m kinematische Viskosität m²/s e massebezogene Rührleistung (W/kg³) (m²/s, typ z.b. Neutralisation bis 10-6 wie Glycerin@RT) Seite 6 2 D 3 v e 1/ Dr. Ansgar Kursawe / Engineering and Consulting

7 Mischzeitcharakteristik (tabellarisch) Ɵ = Mischzeitkennzahl Beispiel Propellerrührer n = 300 min -1 = 5 s -1 d 2 = 300 mm, D = 1000 mm ρ = 1000 kg/m 3 Ƞ = 1 mpas Re = = 4,5 E5 Diagramm: n Ɵ = 60 Mischzeit : Ɵ = 60 / 5 s s Seite Quelle EKATO Dr. Ansgar Kursawe / Engineering and Consulting

Leistungseintrag, Newton-Zahl (Ne), Newton-Kurve Beispiel Propellerrührer: n = 300 min -1 = 5 s -1 d 2 = 300 mm ρ = 1000 kg/m 3 Ƞ = 1 mpas Re = 450.

8 Leistungseintrag, Newton-Zahl (Ne), Newton-Kurve Beispiel Propellerrührer: n = 300 min -1 = 5 s -1 d 2 = 300 mm ρ = 1000 kg/m 3 Ƞ = 1 mpas Re = = 4,5 E5 Diagramm: Ne = 0,33 Seite Quelle EKATO Leistung / spezifische Leistung: P = 100 Watt D = 1000 mm, H/D = 1 Volumen = 0,732 m 3 P/V = 0,137 W/L = 137 W/m 3 ε = 0,137 W/kg

9 Typische Werte für den spezifischen Leistungseintrag P/V beim Rühren P/V = 0,01 kw/m 3 leichte Suspendierung, Lagerbehälter P/V = 0,10 kw/m 3 Homogenisieren, Wärmeübertragung leichtes Emulgieren P/V = 1,0 kw/m 3 P/V = 10 kw/m 3 schnelle Vermischung und Wärmeabfuhr (z.b. bei Reaktionen) gutes Emulgieren und Suspendieren leichte Begasung Homogenisieren hohe Viskosität gute Begasung (gas/flüssig-reaktionen) sehr gutes Emulgieren gutes Homogenisieren hohe Viskosität VORSICHT Wärmeeintrag! Seite Dr. Ansgar Kursawe / Engineering and Consulting

10 Skalierung von Rührkesseln (turbulente Strömung, Penney-Diagramm) Seite Dr. Ansgar Kursawe / Engineering and Consulting

11 Leistungseintrag Einfluss der Stromstörer Rührleistung: P = Ne n 3 d 5 ρ Newton-Zahl: Ne = f (Re) f (Rührer) Quelle Siemens Spezifische Rührleistung: P/V 0,1 bis 10 kw/m 3 Seite Dr. Ansgar Kursawe / Engineering & Consulting

12 Beispiel Emulgieren und ein Alltagsbeispiel Seite Dr. Ansgar Kursawe / Engineering & Consulting

13 Lokaler Leistungseintrag Emulgieren / Begasen / Fällen möglichst hoher lokaler Leistungseintrag Kristallisation häufig schonendes Rühren Kerosin-Tropfen in Wasser Nadelkristalle Scheibenrührer: ε max = 30 ε mittel Propellerrührer ε max = 3 ε mittel 6-Blatt Scheibenrührer (Ne = 4,8) Quelle EKATO Propellerrührer (Ne = 0,33) Seite Dr. Ansgar Kursawe / Engineering & Consulting

Statische Mischer - bewusst gutes Mischen L,G Volumenstrom 1,8 m 3 /h 18 m 3 /h Leerrohr- Geschwindigkeit w 0 = 1 m/s w 0 = 10 m/s Druckabfall Δp 0,13 bar 13 bar Δp Leistung 6,5 W 6.

14 Statische Mischer - bewusst gutes Mischen L,G Volumenstrom 1,8 m 3 /h 18 m 3 /h Leerrohr- Geschwindigkeit w 0 = 1 m/s w 0 = 10 m/s Druckabfall Δp 0,13 bar 13 bar Δp Leistung 6,5 W W Volumen 0,063 L 0,063 L L G Spez. Leistung P/V 103 W/L W/L Pumpenleistung: P p V Mischzeit 0,130 s 0,013 s Seite Dr. Ansgar Kursawe / Engineering & Consulting

15 Klassierende Kristallisatoren - bewusst schlechtes Mischen SOx eines Rauchgases endet als Sulfat im basischen Solvent. Capture-Rates SOx effektiv 100%, Löslichkeit Sulfat: ca. 0.2 g/kg 10 m³ Kristallisator Suspension > 10g/kg Seite Klassierende Funktion bedingt imperfektes Mischen

16 Die Grenzen der experimentellen Möglichkeiten 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 Seite Dr. Ansgar Kursawe / Engineering & Consulting

Industriepark Höchst B598 65926 Frankfurt Mobil: +49

17 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dr. Ansgar Kursawe Siemens EC, Process Research & Design Industriepark Höchst B Frankfurt Mobil: +49 (173) siemens.de/ec

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