Mischvorgänge von Schüttgütern beim kontinuierlichen Feststoffmischen und deren Beeinflussung durch Maschinen- und Stoffparameter
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zur Beschreibung der dispersiven und konvektiven Massentransportvorgänge wurde eine analytische Lösung der ersten Fokker-Planck-Gleichung (basierend auf dem ersten Fickschen Gesetz) entwickelt. Eine Anpassung der analytischen Lösung an experimentell bestimmte Füllgradverläufe liefert die Koeffizienten der Fokker-Planck-Gleichung. Aus den experimentell bestimmten Füllgradverläufen wurden die Dispersions- und Transportkoeffizienten für unterschiedliche Anlagen- und Produktparameter quantifiziert. Die bestimmten Dispersions- und Transportkoeffizienten wurden zur numerischen Berechnung von theoretischen Füllgradverläufen verwendet. Eine numerische Berechnung mit der zweiten Fokker-Planck-Gleichung (basierend auf dem zweiten Fickschen Gesetz) ermöglicht die Berücksichtigung von realen Versuchsbedingungen, wie beispielsweise eine nicht ideale Zudosierung oder die Abweichungen vom idealen Transportverhalten aufgrund von realen konstruktiven Gegebenheiten des Mischwerkzeuges. Die numerischen Berechnungen, unter Berücksichtigung einer nicht idealen Dosierung und Abweichungen vom idealen Transportverhalten, zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen. Explizit kann festgestellt werden, dass die Produkteigenschaften der verwendeten Versuchsstoffe den Dispersionskoeffizienten der Fokker-Planck-Gleichung bestimmen. Eine Änderung der Drehzahl des Mischwerkzeuges resultiert in einer Änderung des Dispersionskoeffizienten und kommt somit einer Veränderung der Produkteigenschaften gleich. Ein Einsatz von Mischwerkzeugen mit aktiver Transportrichtung hat einen, zusätzlich zum dispersiven Massentransport, konvektiven Massentransport zur Folge. Die konvektiven Transportvorgänge werden durch die Mischwerkzeugkonfiguration und die Drehzahl bestimmt. Der Füllgrad am Wehr nimmt direkt Einfluss auf die Höhe des Füllgradverlaufes und damit den konvektiven Massentransport. Wird dem Mischer ein konstanter Gesamtmassenstrom zugeführt, so muss dieser im stationären Betriebszustand durch das Zusammenwirken von konvektivem und dispersivem Massenstrom an jeder axialen Position x des Mischers abtransportiert werden. Das Zusammenwirken der beschriebenen Parameter resultiert in einer für die Anlagen- und Produktparameter charakteristischen Pulvermasse im stationären Betriebszustand des Mischers. Dadurch ergibt sich eine charakteristische mittlere Verweilzeit, die das Hauptkriterium für die Reduktion von in den Mischer eintretenden Eingangsschwankungen ist. Durch die Wechselwirkung zwischen den einzelnen Parametern kann eine Überlagerung der Einflüsse, zu einer identischen stationären Mischermasse führen, was eine identische mittlere Verweilzeit für unterschiedlichste Anlagenparameter zur Folge hat. Die Tatsache, dass unterschiedlichste Produkt- und Anlagenparameter identische mittlere Verweilzeiten hervorrufen können, verdeutlicht die Komplexität des Systems. Im schlimmsten Fall kann die Änderung von Anlagenparametern oder eine Schwankung von Produkteigenschaften unbewusst zu einer Verschlechterung des Mischergebnisses von Produktionsprozessen führen. Es wurde eine neue kombinierte Messmethode zur Bestimmung der Mischgüte (Konzentrationsbestimmung) mittels einer NIR/VIS Messsonde aufgebaut und kalibriert. Die wichtigen Untersuchungen der Diffusionskonstanten in Abhängigkeit der Produkteigenschaften und die Korrektur der Modelle durch eine Verteilung des Massestroms auf einen gewissen Bereich des Mischereinlaufes und deren experimentellen Verwirklichung erforderte einen nicht vorgesehenen zeitlichen Aufwand. Die Implementierung der neuen Messmethode in Kombination mit der IR-Sonde konnte deshalb leider in diesem Vorhaben nicht zu Ende geführt werden und muss weiteren Forschungsvorhaben vorbehalten sein.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2008): Dispersive and convective transport processes in continuous dynamic powder mixers; RELPOWFLO Conference book
D. Dopfer, V. Zerbes and K. Sommer
- (2008): Konvektiver und dispersiver Massentransport im kontinuierlichen Feststoffmischer; Chemie Ingenieur Technik 80/9 S. 1355-1356
D. Dopfer; K. Sommer
- (2009): Einfluss von Produkt- und Maschinenparametern auf den stationären Betriebszustand eines kontinuierlichen Feststoffmischers In: Interne ProcessNet Fachausschusssitzung “Agglomerations- & Schüttguttechnik“
D. Dopfer; K. Sommer
- (2009): Einfluss von Produkt- und Maschinenparametern auf den stationären Betriebszustand eines kontinuierlichen Feststoffmischers In: Interne ProcessNet Fachausschusssitzung “Agglomerations- & Schüttguttechnik“
D. Dopfer; K. Sommer
- (2009): Gezielte Beeinflussung der Verweilzeit von Lebensmittelpulvern in kontinuierlichen Schüttgutprozessen durch Kontrolle der konvektiven und dispersiven Massentransportvorgänge In: Interne ProcessNet Fachausschusssitzung “Lebensmittelverfahrenstechnik“
D. Dopfer; S. Palzer, K. Sommer
- (2010): Konvektiver und dispersiver Massentransport in kontinuierlichen Feststoffprozessen In: Interne ProcessNet Fachausschusssitzung “Agglomerations- & Schüttguttechnik“
D. Dopfer; S. Palzer, K. Sommer
