Verfahrenstechnik

Vermischung von Fluiden mit viskoelastischen Fließeigenschaften in Rührkesseln

Obwohl das Gebiet der klassischen Rührtechnik vergleichsweise tief durchdrungen ist, bestehen beim Einsatz viskoelastischer Flüssigkeiten weitreichende Wissenslücken. So werden Auswirkungen elastischer Fließeigenschaften auf Rührprozesse aus Mangel an grundlegendem Verständnis physikalischer Zusammenhänge, an experimentellen Daten sowie aufgrund mathematisch komplexer Stoffmodelle auch heute noch in Wissenschaft und Industrie meist vernachlässigt.

Das DFG-Projekt zielt darauf ab, dies durch Schaffung einer experimentellen Datenbasis sowie durch die Entwicklung bislang fehlender numerischer Werkzeuge (CFD) zu ändern.Die experimentellen Untersuchungen dazu werden in Rührkesseln durchgeführt, wobei sechsblättrige Scheiben- bzw. Schrägblattrührer als Standardvertreter radial- bzw. axialfördernder Rührorgane mit variierenden Durchmesserverhältnissen zum Einsatz kommen. Damit werden Abhängigkeiten zwischen Strömungsfeldern, Leistungseinträgen, Mischzeiten und rheologischen Stoff- sowie geometrischen Parametern ermittelt. Ermöglicht wird dies durch Einsatz von Modellfluiden, deren (viskoelastische) Rheologie gezielt eingestellt und mit Rotations- und Dehnviskosimetern vermessen wird.Der Einsatz von laser-optischen Messmethoden (Particle-Image-Velocimetry sowie planare laser-induzierte Fluoreszenz) erlaubt die für die oben genannten Rührorgane erstmalige Ermittlung örtlich und zeitlich aufgelöster Strömungsfeld- und Mischinformationen beim Rühren viskoelastischer Fluide. Mit diesen Methoden werden charakteristische Strömungsphänomene wie Strömungsumkehrungen, die Ausbildung von elastischen Strömungskompartimenten bzw. deren Einfluss auf Leistungscharakteristika quantifiziert.

Die experimentellen Ergebnisse dienen zudem als Validierungsbasis für die numerischen Arbeiten. Aufbauend auf bereits in Vorarbeiten entwickelten Finite-Volumen-Lösern wird erstmals die Eignung von differentiellen, viskoelastischen Stoffmodellen zur Berechnung von Strömungsfeldern, Mischzeiten sowie Leistungseinträgen in Rührkesseln untersucht. Erste Ergebnisse aus Voruntersuchungen zeigen, dass durch Einsatz von Multimoden-Modellen (Giesekus, Phan-Thien-Tanner) oben genannte Strömungsphänomene qualitativ dargestellt werden können. Obwohl zudem besonders im Bereich der Strömungsumkehr sehr gute quantitative Übereinstimmungen erhalten werden, müssen jedoch für eine exakte Reproduktion von elastischen Strömungskompartimenten noch Dehnviskositäten berücksichtigt werden. Ein Vergleich der Modelle ermöglicht abschließend die Ableitung von Regeln, welches Modell sich in Abhängigkeit von viskoelastischen Fließeigenschaften und Betriebsbedingungen grundsätzlich sowie bezüglich Genauigkeit und Rechenaufwand am besten zur Simulation von Rührkesseln eignet.Durch Korrelation der aus diesen Untersuchungen gewonnenen Mischkenngrößen mit geometrischen und Betriebsparametern werden Scale-Up-Kriterien überprüft bzw. entwickelt, die punktuell experimentell verifiziert werden.