CFD-Simulation gerührter strukturviskoser Medien

  • Supplier: EKATO Rühr-und Mischtechnik GmbH
  • Published: 10 September 2014
  • Copyright: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
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Bei der Auslegung von Rührwerken für Anwendungen mit nichtnewtonschen strukturviskosen Medien stellt sich grundsätzlich die Frage, wie sich die Scherraten und Viskositäten im Behälter verteilen und wie sichergestellt werden kann, dass im gesamten Flüssigkeitsvolumen eine ausreichende Umwälzung stattfindet. Zusammen mit Laborversuchen ist die numerische Strömungsberechnung ein hervorragendes Hilfsmittel, um die für eine Auslegung verwendeten Modelle überprüfen zu können und ermöglicht ferner einen wesentlich detaillierteren Einblick in die Strömungsvorgänge, als dies beim Experiment möglich ist. Die EKATO Rühr- und Mischtechnik GmbH bietet mit ihrem Anwendungstechnischen Zentrum das komplette Dienstleistungspaket, um auf der Basis von Experiment und Strömungssimulation sowie der Erfahrung im Scale-up solche komplexen Anforderungen in ein Betriebskonzept umsetzen zu können.

 


1 Einleitung

Bei der Verarbeitung strukturviskoser Medien liegt die Herausforderung häufig bereits in der Bestimmung der Fließkurven. Ohne genaue Kenntnis der Messmethode und ausreichender Erfahrung ist eine Bewertung der Fließeigenschaften nicht möglich. Liegt ein Prozess vor, in dessen Verlauf sich die Fließeigenschaft des Mediums ändert oder werden in ein und derselben Anlage Medien mit unterschiedlichem rheologischem Verhalten eingesetzt, so wird schnell klar, dass einfache Auslegungskriterien auf der Basis idealisierter Bedingungen, kleiner Labormaßstäbe und üblicher Betriebszustände nicht mehr ausreichen, um das angestrebte Prozessergebnis sicherstellen zu können.

 



2 Strukturviskoser Anwendungsfall im turbulenten Bereich

Beispiel einer vermeintlich einfachen Prozessauslegung stellt die Auslegung der Lager- und Speisetanks in der Erzverarbeitung dar. Die zu verarbeitenden Suspensionen zeichnen sich durch kleine Korngrößen und hohe Feststoffkonzentrationen aus und weisen ein nichtnewtonsches strukturviskoses Verhalten mit ausgeprägter Fließgrenze gemäß der Definition nach Herschel-Bulkley (τ = τ0 + Kγ˙m) auf. Ferner kann das rheologische Verhalten der zu verarbeitenden Suspension in Abhängigkeit vom Erzabbaugebiet deutlich schwanken. Abb. 1 veranschaulicht das unterschiedliche Fließverhalten von drei Nickellaterit-Suspensionen mit gleicher Feststoffkonzentration und Partikelgrößenverteilung.

Die Rühraufgabe liegt hier nicht im Suspendieren der Feststoffe, sondern im vollständigen Umwälzen des Behälterinhalts ohne Totzonen. Dies bedeutet, dass auch in rührerfernen Zonen die Fließgrenze überwunden werden muss.

 

 

 


3 Numerische Berechnung

Um die Auslegung solcher Lagertanks absichern zu können, wurden im Technikum der EKATO RMT zahlreiche Studien zum Vergleich unterschiedlicher Rühranordnungen, wie z. B. Stufenzahl, Rührorgandurchmesser, Stromstöreranzahl und -geometrie, durchgeführt. Einige der untersuchten geometrischen Ausführungen wurden dann für den Labormaßstab als 3D-CAD-Modell abgebildet und mit CFD berechnet. Zur Absicherung der für das Scale-up herangezogenen Annahme eines Momentengleichgewichts zwischen dem Wellendrehmoment und der Schubspannung der rotierenden Flüssigkeit auf Behälterwand und -boden und um deren Grenze der Anwendbarkeit aufzuzeigen, wurden weiterführend Berechnungen im realen Produktionsmaßstab durchgeführt. Alle Varianten wurden stationär mithilfe des MFR (multiple frame of reference) und einer fixen, ebenen Oberfläche berechnet. Abgesichert wurden diese vereinfachenden Annahmen über eine zusätzliche transiente Berechnung mit Sliding-mesh-Technik und freier Oberfläche (VOF), bei welcher für die hier untersuchte Anwendung keine wesentlichen Unterschiede zur stationären Lösung mit ebener Oberfläche festgestellt werden konnten. Auch Beobachtungen aus dem Technikum bei der Durchführung der Versuche bestätigten die getroffenen vereinfachenden Annahmen.

 

Um das Fließverhalten der betrachteten Suspension richtig abbilden zu können, muss für die numerische Berechnung die Fluidviskosität mithilfe des Herschel-Bulkley-Gesetzes abgebildet werden. Ferner ergeben sich durch den zur Umwälzung des Behälterinhalts erforderlichen hohen Leistungseintrag in Rührorgannähe voll turbulente Bereiche, so dass die in der verwendeten Software FLUENT standardmäßig verfügbare laminare Berechnung zu verfälschten Ergebnissen führen würde [1]. Für eine turbulente Berechnung kann das Herschel-Bulkley-Modell nicht über das graphical user interface (GUI) angewählt werden, sondern muss über das text user interface zugeschaltet werden.

 

Eine aussagekräftige Möglichkeit, anhand der CFD-Ergebnisse die Prozessanforderung überprüfen zu können, ist eine Darstellung der mit τ0 normierten Schubspannung. Erreicht diese normierte Größe Werte > 1, so kann die geforderte Rühraufgabe erfüllt werden, während die Fließgrenze in Bereichen < 1 nicht überwunden wird. Abb. 2 stellt im Modellmaßstab eine konventionelle 1-stufige Rühranordnung einer 2-stufigen Ausführung gegenüber. Sowohl anhand der Modellversuche (Neutralisationsversuch) als auch mithilfe der CFD-Resultate ist klar ersichtlich, dass die favorisierte 2-stufige Ausführung nahezu den gesamten Behälter umwälzt, während die 1-stufige lediglich im unteren Drittel die Fließgrenze überwinden kann.

 

Auf dieser Grundlage konnte für die Betriebsausführung eine geometrische Anordnung ermittelt werden, die das geforderte Prozessergebnis einer kompletten Umwälzung des Behälterinhaltes gewährleistet. Abb. 3 gibt das Ergebnis der Studie im Produktionsmaßstab wieder.

 


 

 

4 Schlussfolgerung

Das Anwendungstechnische Zentrum der EKATO Rühr- und Mischtechnik GmbH verfügt über Versuchsbehälter von einigen Litern bis zu 100 m3. Dank der Weiterentwicklung von Hard- und Software können numerische Berechnungen den realen Gegebenheiten immer mehr angeglichen werden (im aufgezeigten Beispiel die turbulente Berechnung eines strukturviskosen Fluids). Anhand dieser Möglichkeiten sowie der Kombinatorik von Laborversuch und CFD können heute Prozessergebnisse erzielt werden, die den Stand der Technik deutlich übertreffen. Ein besonderes Augenmerk bei der Anwendung der numerischen Berechnungsmöglichkeiten liegt jedoch weiterhin auf der Absicherung des Scale-ups sowie der Fülle an Informationen, die mithilfe einer CFD-Berechnung an beliebiger Stelle im Behälter bereitgestellt werden können. Dies ermöglicht ein tieferes Verständnis für die Strömung und die Auswirkung der Änderung einer geometrischen oder fluidbedingten Größe auf das Prozessergebnis.



Literatur

[1] W. Himmelsbach, R. Krebs, Chem. Ing. Tech. 2014, 86 (4), 423 – 437.

 

EKATO Rühr-und Mischtechnik GmbH
Hohe-Flum-Straße 37
79650 Schopfheim
Tel.: (07 622) 29 0
Fax: (07 622) 29 213
info@ekato.com
www.ekato.de

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