Extraktion in Pump-Mischern bei Anwesenheit von Feststoffen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hans-Jörg Bart; Professor Dr.-Ing. Romuald Skoda
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Strömungs- und Kolbenmaschinen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 395373747

Pump-Mischer generieren durch ihre Ansaugwirkung lokal hohe Turbulenz, erzeugen kleine Tropfen und damit große Stoffaustauschflächen und intensivieren den Extraktionsprozess bei gleichzeitig geringen Kosten (keine weiteren Pumpen notwendig). Das Ziel des Antrags ist es die Hydrodynamik und das Feststoffverhalten in Flüssig-Flüssig-Fest-Strömungen zu charakterisieren und vorherzusagen, da Feststoffe oft unerwünschte Begleiter bei Extraktionsprozessen sind.Die Hydrodynamik innerhalb der komplexen Pump-Mischer Geometrie soll mit Hilfe von CFD Methoden detailliert untersucht werden. Ein schrittweises Vorgehen von ein- bis zur dreiphasigen Modellierung mit statistischen und hybriden Turbulenzmodellen ist vorgesehen, da diese sich bei einphasigen und kavitationsbehafteten Strömungen schon bewährt haben. Eine Validierung erfolgt in standardisierten Messzellen und einer Durchflussapparatur, wo dann auch essentielle hydrodynamische Kenngrößen, z.B. der mittlere Sauter-Durchmesser (als Funktion von Durchsatz, Phasenverhältnis, Dichten, Korngröße, etc.) in Abhängigkeit von Apparatedetails (Drehzahl, Rührergeometrie, etc.) als Basis dazu dienen existierende Modelle/Korrelationen zu erweitern. Für ein- oder zweiphasige Flüssig-Flüssig- oder Flüssig-Fest-Strömungen in gerührten Systemen (Kolonnen oder Rührkesseln) gibt es entsprechende Literatur und Vorarbeiten, aber dreiphasige Systeme sind bis heute kaum behandelt.Bei Feststoff-beladenen Strömungen findet man als zusätzlichen Effekt Erosionserscheinungen, bei hoher und Ablagerungen/Verstopfungen bei geringer Turbulenz, auch schon bei niedrigem Feststoffanteil. Eine systematische Untersuchung dazu ist nicht zu finden, was auch die einschlägige Industrie beklagt. Durch die Kombination der Expertise der beteiligten Lehrstühle werden Modelle für zweiphasige Flüssig-Fest-Strömung entsprechend erweitert und adaptiert. Hier gehen neben den hydrodynamischen Kenngrößen Partikelgröße und -form, Konzentration und Art des Apparatewerkstoffes in die entsprechenden Materialgesetzte und Erosionsmodelle ein. Durch die CFD gestützte Analyse kann eine optimale feststoffresistente Geometrie für den jeweiligen Problemfall (Ablagerung oder Erosion) gefunden werden. Die Ergebnisse sind generisch und nicht auf eine spezielle Apparategeometrie fixiert. Ein Spin-off von der hier untersuchten (Saug-) Rührerproblematik in das Anwendungsfeld klassische Förderpumpen (z.B. Kreiselpumpe als billiges Mischorgan) bis zu Gas-Flüssig-Fest Mehrphasenströmungen ist direkt denkbar.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen