Numerische Berechnung des Dispergierens von Partikeln und Blasen in einem Fluidphasenresonanzmischer
Strömungsmechanik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Mit Hilfe numerischer Berechnungen unter Verwendung des Euler/Lagrange Verfahrens konnte eine optimale Geometrie für den FPR-Mischer (Dreifuß am Boden oder angehoben) gefunden werden. Dies wurde durch Ermittlung von Mischgüte und Mischzeit bestätigt. Mit einem derartigen Mischer, ohne rotierende Elemente, kann ein scherarmes und effizientes Mischen realisiert werden, z.B. für die Biotechnologie. Allerdings erlaubt der FPR Mischer keine großen Variationen der Betriebsbedingungen, z.B. der Antriebs-Frequenz. Die Mischeigenschaften können aber durch Variation der Einbauhöhe des Zentralrohres beeinflusst werden. Validiert wurden die numerischen Berechnungen durch PIV Messungen an einem vorhandenen FPR Mischer. Diese waren allerdings nur für kleinere und leichtere Partikel erfolgreich. Ein sehr wichtiges Resultat des Forschungsvorhabens ist die große Bedeutung von Transversalen Auftriebskräften und der Basset-Kraft. Liegen partikelbeladene Strömungen in Behältern (durch Wandungen begrenzt) vor, wird durch Wandkollisionen eine erhebliche Rotation der Partikel induziert, die besonders bei trägen Partikeln zur großen Bedeutung der „Magnus“ Kraft (Partikelrotation) führt. Trotz des großen Anteils der Basset-Kraft an der Gesamtkraft bei kleinen Stokes-Zahlen wird die Mischqualität in diesem Bereich nicht wesentlich beeinflusst, da die Partikel der Strömung leicht folgen. Bei größeren Partikeln hingegen ist der Anteil der Basset-Kraft deutlich geringer, aber die Mischgüte wird aufgrund ihrer Trägheit deutlich stärker verändert. Bedingt durch den hohen numerischen Aufwand zur Berechnung der Basset-Kraft wird diese meist vernachlässigt. Dies ist aber bei Flüssig-Feststoff-Strömungen nicht gerechtfertigt, da Auslegungsparameter für derartige Prozesse falsch berechnet würden. Eine genaue industrielle Auslegung ist also nur unter Berücksichtigung dieser Kräfte gewährleistet. Durch Verwendung der turbulenten Stokes-Zahl sind diese Erkenntnisse durchaus übertragbar auf andere Flüssig-Feststoff-Prozesses, obwohl sicherlich gewisse Geometrieeinflüsse bestehen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Einfluss verschiedener Kräfte auf Partikel in instationären Strömungen in Fluidphasenrenresonanzmischern. Jahrestreffen der ProcessNet- Fachgruppen Agglomerations- und Schüttguttechnik, Computational Fluid Dynamics und Mehrphasenströmungen. Rheintal Kongresszentrum, Bingen, 29. Februar – 02. März 2016
Schmalfuß, S. Sommerfeld, M. und Säuberlich, R.
- Importance of the different fluid forces on particle dispersion in fluid-phase resonance mixers. 12th International Conference on CFD in Oil & Gas, Metallurgical and Process Industries, SINTEF, Trondheim, Norway, May 30th – June 1st (2017)
Schmalfuß, S. and Sommerfeld, M.
- Mischzeit, Mischgüte und Leistungseintrag von Fluidphasenresonanzmischern. Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppen Mehrphasen-strömungen, Partikelmesstechnik, Zerkleinern und Klassieren, Computational Fluid Dynamics, Mischvorgänge und dem TAK Aerosoltechnologie, The Westin Bellevue, Dresden, 14. – 17. März 2017
Schmalfuß, S. und Sommerfeld, M.
- Numerical and experimental analysis of Fluid Phase Resonance mixers. Chemical Engineering Science, 173, 570-577 (2017)
Schmalfuß, S., and Sommerfeld, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ces.2017.08.012) - Particle dispersion in fluid phase resonance mixers. 3rd International Symposium on Multiscale Multiphase Process Engineering (MMPE), Toyama, Japan, 8. –11. May, L-32, pp. 196 – 203 (2017)
Schmalfuß, S. and Sommerfeld M.:
- The importance of fluid forces acting on particles and bubbles for the performance of multiphase processes. International Symposium Power and Chemical Engineering, 29. June – 02. July, 2018, Sofia, Bulgaria
Sommerfeld, M., Muniz, M. and Schmalfuß, S.
