Vermischung von Fluiden mit viskoelastischen Fließeigenschaften in Rührkesseln
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt sollte mit vornehmlich experimentellen aber auch numerischen Methoden das Mischverhalten viskoelastischer Fluide in einphasigen Rührprozessen quantitativ erfasst und beschrieben werden mit dem Ziel, ein vertieftes wissenschaftliches Verständnis des Einflusses viskoelastischer Fließeigenschaften zu erlangen. Abweichend vom ursprünglichen Forschungsvorhaben wurden auch mehrstufige Rührorgane mit größerem Rührer- zu Behälterdurchmesser d/D untersucht. Diese induzieren im Gegensatz zu Scheiben-, Schrägblatt- und Propellerrührern eine merkliche Strömung im gesamten Rührkessel und sind zudem näher an praktischen Anwendungen. Abgewichen von der ursprünglichen Planung wurde zudem bei der Methodik der Mischzeitbestimmung. Hier stellte sich die im Antrag vorgesehene Planar Laser Induced Fluorescence aufgrund niedriger Signal-Rausch-Verhältnisse als ungeeignet heraus. Stattdessen kamen Entfärbemethoden zum Einsatz. Es wurden scherverdünnende viskoelastische Modellsysteme auf Basis wässriger Polymerlösungen identifiziert, die durch ihre Transparenz den Einsatz optischer Methoden ermöglichen und gleichzeitig in ihren rheologischen Eigenschaften technisch relevanten Fluiden ähneln. Um den Einfluss der Viskoelastizität und der Strukturviskosität trennen zu können, wurden Bogerfluide eingesetzt. Mit den Modellsystemen konnten mehrere Dekaden von Viskositäten und Normalspannungsdifferenzen abgedeckt werden. Als problematisch stellten sich teilweise das Auftreten anderer nicht-Newtonscher Eigenschaften wie Thixotropie oder Fließgrenzen sowie eine anspruchsvolle Handhabung oder Alterungsprozesse unter Scherung dar. In einem neu entwickelten Versuchsstand konnten mithilfe von phasenaufgelöster Stereo Particle Image Velocimetry im unbewehrten Rührkessel vollständige dreidimensionale Geschwindigkeitsfelder erfasst werden. Neben periodischen Effekten konnte so erstmals das Auftreten trägheits- und elastisch dominierter Strömungsregime für Rührergeometrien wie den Kreuzbalkenrührer gezeigt werden. Entgegen den Erwartungen zeigten Bogerfluide bei höheren Drehzahlen eine elastisch dominierte und bei niedrigeren Drehzahlen eine trägheitsdominierte Strömung. Mischzeituntersuchungen mit der Entfärbemethode waren nur teilweise erfolgreich, da nicht bei allen Systemen ein klarer Farbumschlag zu erkennen war und die Rheologie der Fluide durch die Entfärbelösung stark beeinflusst wurde. Quantitativ wurden Mischzeiten um Größenordnungen über der Newtonschen Referenz erfasst. Eine Korrelation ist mit der beschränkten Datenlage nicht sinnvoll möglich. Bei den Untersuchungen des Leistungseintrages konnten die Fluide in zwei Gruppen unterteilt werden. Während sich der Leistungseintrag der einen Gruppe hinlänglich genau mit dem Ansatz nach Metzner und Otto beschreiben lässt, wurden bei der anderen Gruppe deutlich erhöhte Leistungseinträge gemessen. Letzteren Fluiden ist gemein, dass ihre Normalspannungsdifferenzen etwa proportional bis quadratisch mit Scherrate steigen und sie eine ausgeprägte Dehnviskosität aufweisen. Zur Anwendung in der numerischen Strömungssimulation (CFD) konnten die eingesetzten Modellfluide erfolgreich in differentiellen Zustandsgleichungen parametrisiert werden. Bei Rührorganen mit großem Rührer- zu Behälterdurchmesser d/D konnte aufgrund numerischer Instabilitäten (High Weissenberg Number Problem) jedoch nur für kleine Drehfrequenzen eine Konvergenz der Berechnungen erreicht werden. Die Maßstabsübertragung wurde punktuell über die Ausbildung von elastisch eingedämmten Strömungskompartimenten und Leistungseintragsmessungen untersucht. Bei den betrachteten Systemen erwies sich die Elastizitätszahl nicht als geeignetes Maßstabsübertragungskriterium, es konnte jedoch basierend auf der erarbeiteten Datenlage keine Alternative identifiziert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Investigating flow and power input of viscoelastic fluids in a stirred tank. Präsentation. 9th European Young Engineers Conference. 19.-21. April 2021. Online
A. Maywurm, M. Kolano & M. Kraume
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Scaling of compartment sizes in stirred viscoelastic fluids. Poster. The 10th International Symposium on Mixing in Industrial Processes (ISMIP10), 29. November-2. Dezember 2021. Online
A. Maywurm, M. Kolano & M. Kraume
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Strömungsfeld und Leistungseintrag von viskoelastischen Fluiden im Rührkessel. Präsentation. Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppen Lebensmittelverfahrenstechnik, Mischvorgänge, Grenzflächenbestimmte Systeme und Prozesse. 11.-12. März 2021. Online
A. Maywurm, M. Kolano & M. Kraume
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Experimental Investigation on the Power Input of Viscoelastic Fluids in an Unbaffled Tank. Präsentation. 2022 AIChE Annual Meeting. 13.-18. November 2022. Phoenix, AZ, USA
A. Maywurm, L. Böhm & M. Kraume
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Flow field, power input and mixing times of viscoelastic fluids in an unbaffled tank with a threestage cross-beam stirrer. Präsentation. Mixing XXVII. 20.-23. Juni 2022. Online
A. Maywurm, L. Böhm & M. Kraume
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Viskoelastische Fluide gerührt mit einem dreistufigen Kreuzbalkenrührer. Präsentation. Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppen Computational Fluid Dynamics + Mischvorgänge + Agglomerations- und Schüttguttechnik, 16.-18. März 2022. Leipzig, Deutschland
A. Maywurm & M. Kraume
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Experimentelle Untersuchung des Strömungs- und Scherfeldes viskoelastischer Fluide an Rührorganen unterschiedlicher Geometrien. Präsentation. Jahrestreffen der DECHEMA-Fachgruppen Extraktion und Mischvorgänge. 22.-23. Februar 2023. Frankfurt (Main), Deutschland
A. Maywurm, L. Böhm & M. Kraume
