09 Rührkessel - Dkl - WIntersemester PDF

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Newton'sche und Nicht-Newton'sche Fluide (= anomal viskose Fluide) Die Fließkurve ist ein Diagramm, in dem der Zusammenhang zwischen der Viskosität (η) gegenüber dem Schergefälle (D) dargestellt wird. Das Schergefälle wird berechnet aus dem Verhältnis zwischen dem Geschwindigkeitsunterschied zweier benachbarter Flüssigkeitsschichten und deren Abstand. Die Fließkurve für eine ideale Flüssigkeit ist eine gerade Linie. Dies bedeutet, dass die Viskosität unabhängig vom Schergefälle ist. Alle Flüssigkeiten für die dieses zutrifft, sind "Newtonsche Flüssigkeiten". Beispiele dafür sind Wasser, Mineralöl, Sirup, Harz. "Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten". zeigen eine von der Scherrate abhängige Viskosität. Sie können dilatant (mit der Scherrate wachsende Viskosität) oder strukturviskos (sinkende Viskosität) sein. Flüssigkeiten, die ihre Viskosität in Abhängigkeit vom Schergefälle ändern, nennt man "Nicht Newtonsche Flüssigkeiten". Sie sind bei weitem häufiger als Newtonsche Flüssigkeiten und lassen sich wie folgt differenzieren. Strukturviskose Flüssigkeiten Die Viskosität nimmt mit zunehmendem Schergefälle ab, wobei die Initialkraft sehr groß ist. Technisch bedeutet dies, dass die erforderliche Energie nach der Initialkraft für eine Durchflußmenge reduziert werden kann. Beispiele sind u.a. Gels, Latex, Lotionen. Dilatante Flüssigkeiten Die Viskosität nimmt zu, mit zunehmendem Schergefälle. Beispiele: Brei,Zuckergemische Thixotrope Flüssigkeiten Die Viskosität nimmt bei starker Scherung ab (I) und steigt wieder bei Abnahme der Scherung (II). Die Aufwärtskurve ist jedoch nicht mit der Abwärtskurve identisch. Beispiele sind u.a. Seife, Ketchup, Leim, Margarine

Die Viskoelastizität ist durch ein teilweise elastisches, teilweise viskoses Verhalten geprägt. Das Material relaxiert nach Entfernen der externen Kraft nur unvollständig, die verbleibende Energie wird langsam in Form von Fließvorgängen ("Kriechen" Retardation) abgebaut. (Siehe auch „Kunststoffe“, im Kapitel Werkstoffkunde)

Mischzeit und Mischungsgüte Die Zusammenhänge sind zwar mathematisch fassbar, in der Praxis wählt man aber meist einen geeigneten Meßwert aus, der geeignet ist, die angestrebte Durchmischung anzuzeigen (zu überprüfen, zu messen) Hierzu geeignet sind z.B.photometr. Farberfassung, Leitfähigkeit, PH-Wert etc. Angestrebt wird meist einer Mischgüte von 95%, gleichbedeutend mit einer Standardabweichung von + 5% von einem Sollwert Die entsprechende Mischzeit ist der Θ95 –Wert Zur Berechnung der erforderlichen Rührleistung PR findet man

Mischzeit und Mischungsgüte – math.Modellbetrachtung (Feststoffe)

Aus der Anwendung der Dimensionsanalyse ergeben sich drei Kennzahlen K1 …K3 für Rührer Die erste aus der Dimensionsanalyse ermittelte Kennzahl ist die Newtonzahl:

Die zweite aus der Dimensionsanalyse ermittelte Kennzahl ist die Reynoldszahl

Das Produkt aus der Drehzahl n und dem, Rührerdurchmesser d ergibt die Geschwindigkeit c, mit nd =c erhält man die bekannte Definition für Re. Die dritte Kennzahl aus der Dimensionsanalyse ist die Froudezahl (Fr), die das Verhältnis der wirksamen Trägheitskräfte zur Schwerkraft darstellt.

Sind die Trägheitskräfte >> als die Schwerkräfte (große Fr-Zahlen), neigt die Flüssigkeit im Rührbehälter zum „Mitdrehen“ (Trombenbildung). Nachteile: verminderter Leistungseintrag, Einzug von Luft oder Gas in den Rührerbereich (Selbstbegasung) sowie extreme Schwingungsbelastung für die Rührwelle und deren Lager

In der Rührtechnik ist der funktionale Zusammenhang Ne=f(Re) unter dem Begriff „Leistungscharakteristik“ bekannt Im laminaren Bereich ist die Leistung P nur von η abhängig, Im (voll) turbulenten Bereich ist P nur noch von ρ abhängig Ohne Stromstörer (gestrichelt) dreht der Behälterinhalt mit

Begriffs-Definitionen Beim Mischen/Rühren unterscheidet man Diffusion Treibende Kraft ist die thermische Bewegung der einzelnen, mikroskopischenTeilchen (Brown'sche Molekularbewegung), die mit der Temperatur zunimmt Konvektion Treibende Kraft sind Dichteunterschiede (z.B.durch Temperaturunterschjede hervorgerufen), wobei ganze Stoffbereiche durch Turbulenzen ("Turbulenzballen") durch Wirbelbildung verschoben werden. Auch erzwungene Konvektion durch Rühren, Pumpen, Mischen, Strömungsstörer sind möglich Dispergierung Nur in inhomogenen Mischungen mit mehreren Phasen (Gasblasen, Feststoffteilchen in Flüssigkeiten) Suspendieren : Vermischen zweier nicht-mischbarer Flüssigkeiten Dispergieren : Aufwirbeln von Feststoffteilchen in einer Flüssigkeit

Rührkessel

Rührkessel Detail-Ansichten

Rührkessel – Rührantriebe : Detail - Ansichten

Im Rührkessel ….

Grundsätzlich unterscheidet man in axial und radial wirkende Rührer Faustregel: Je höher die Viskosität, desto größer der Rührer

Strömungsbilder im Rührkessel axial

radial

Trombenbildung

Auswahl eines Geeigneten Rührertyps

Berechnung des Leistungsbedarfs von Rührern Zur Berechnung des Leistungsbedarfes von Rührern wird zunächst die Reynoldszahl benötigt.

(A)

Für Re 100000 herrschen Turbulenzen im gesamten Inhalt Die Leistungsaufnahme des Rührwerks berechnet sich nach

( C)

Die Newtonzahl Ne entspricht der Leistungszahl des Rührwerkes Bei laminarer Strömung ist Ne proportional zu 1/ Re Bei turbulenter Strömung ist Ne eine Konstante Ne hängt vom Rührertyp und (weniger stark) auch von der Geometrie des verwendeten Rührehälters ab

Die Newtonzahl ( Leistungskennzahl )wird aus der Reynoldszahl in der Praxis für die einzelnen Rührertypen graphisch ermittelt (B)

Berechnung des Leistungsbedarfs von Rührern Insgesamt ermittelt man den Leistungsbedarf nach folgendem Schema 1.) Berechnen der Reynoldszahl nach Formel (A) 2.) Ablesen der Leistungskennzahl Ne aus dem entsprechenden Diagramm (B) 3.) Berechnen der Leistung nach Gleichung (C) Damit eine Vergleichbarkeit mit anderen Apparaten gegeben ist, macht es Sinn den Leistungsbedarf auf den Rührkesselinhalt zu beziehen Man erhält so P/V die (spezifische) Leistung pro Flüssigkeitsvolumen. Der Wert sollte bei 0,1…1kW/m3 liegen

Rühren bei Fermentationsprozessen

Lysin: Mit dem EKATO-Rührsystem PHASEJET / VISCOPROP werden Sauerstoffübertragungsraten bis zu 200 mol/m³h erreicht (Bild links). Xanthan: Für eine hohe Ausbeute ist die richtige Wahl des Rührorgans in Bezug auf Anzahl und Durchmesser entscheidend. Nur damit lässt sich eine homogene Viskositätsverteilung bei nichtNewtonschem Fließverhalten erreichen.

Begasen bei Fermentationsprozessen

aus: Müller, W. Mechanische Grundoperationen und ihre Gesetzmäßigkeiten, Oldenbourg Verlag, 2008

In der Praxis am häufigsten eingesetzte Mischapparate: Statischer Mischer Blasensäule, Airlift (Mammutpumpenprinzip) Strahldüsenapparat, Wirbelschicht Rührwerkskessel – Kneter, Vermenger, Mischer

Beispiele für statische Mischer, Fa. Kenics

Statische Mischer

Kontinuierlicher Kneter, Fa. Ika

Vertikalkneter, Fa. Ika

Kontinuierlich arbeitender Ringschichtmischer, hohe Durchsatzleistung, kurze Verweilzeit. Anwendungsgebiet: Granulierung von Proteinen, System DRAIS

Funktionsprinzip Intensivmischer, Fa. Eirich

Hosenrohrmischer Fa.Proell Verfahrenstechnik

Faß taumelmischer Fa.Proell Verfahrenstechnik...