bestimmung der stationären sinkgeschwindigkeit einer sphärischen partikel in einer zylindrischen...

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Chemie lngenieur Technik (71) 1+2 I99 5 76-81 D WILEY-VCH Verlag GmbH, 0-69469 Weinheim. 1999 0009-286X/99/0102-0076 $17 50+ 5010 c U Formelzeichen t-I Widerstandsbeiwert [-I "/mI Tropfendurchmesser Abmessung der Wirbelschichtpartikel Tropfengeschwindigkeit Leerrohrgeschwindigkeit Sinkgeschwindigkeit der groben Parti- kel im mhenden Gas Gas-Weber-Zahl kritische Weber-Zahl modifizierte Gas-Weber-Zahl Laufkoordinate vom Eintrittspunkt in die Wirbelschicht Porositat der Wirbelschicht Oberflachenspannung der Tropfen- flussigkeit Gasdichte Dichte der Wirbelschichtpartikel Abscheidegrad Viskositat der Tropfenflussigkeit Literatur Spray Drying, 2. Aufl., John Wiley 81 Sons, New York 1976. Chem.-1ng.-Tech. 62 (1990) S. 822/834. Chem.-1ng.-Tech. 59 (1987) S. 112/117. [4] RHEINHARDT, A. Dissertation, ETH Zurich, Nr. 3412, 1964. [5] FAETH, G. M.; HSIANG, L. P.; WU. P. K. Int. J. Multiph. Flow 21. (1996) S. 99/127. [6] LOFFLER, F. Staubabscheiden,Georg Thieme, Stuttgart, New York 1988. Scrubber Performance for Particle Collection, AI- ChE Symp. Ser. No. 137, 70, S. 357/364. VDI Fortschrittsber. Nr. 120, Dusseldorf 1987. Dissertation, Universitat Karlsruhe 1972. Vortrag auf der Fachausschunsitzung ,,Agglomera- tions- und Schuttguttechnik, 30. Marz 1998 in Magdeburg. Fluid-Feststoffstromungen, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York 1982. [I] MASTERS, K. [2] UHLEMANN, H. [3] HERBENER, R. [7] CALVERT, S. et al. [8] WIEGAND, H. [9] SCHUBERT, H. [lo] MORL, L. [11] MOLERUS, 0. Bestimmung der stationaren Sink- geschwindigkeit einer spharischen Partikel in einer zylindrischen Kolonne RALF KEHLENBECK UND RENZO DI FELICE* 1 Problemstellung Die Sedimentation von festen Partikeln spielt bei vielen technischen Prozessen eine wichtige Rolle, wie z. B. beim Eindicken von Suspensionen oder beim Klassifizieren ein- zelner Partikel. Auch der Warme- und Stoffaustausch zwi- schen einem Fluid und festen Partikeln ist abhangig von ih- rer Relativgeschwindigkeit zueinander. Die Kenntnis der Sinkgeschwindigkeit einer einzelnen Partikel ist bei diesen Prozessen von fundamentaler Bedeutung. Es ist bekannt, daR die stationare Sinkgeschwin- digkeit einer einzelnen Partikel mit geringer werdender Querschnittsflache des SedimentationsgefaRes abnimmt. Fur die Sedimentation einer Partikel mit dem Durchmesser d in einer zylindrischen Kolonne bedeutet dies, daR mit einem groRer werdenden Verhaltnis vom Partikeldurchmes- ser d zum Kolonnendurchmesser D die stationare Sinkge- schwindigkeit abnimmtl). In welchem Ma8 eine Sinkge- schwindigkeitsverringerung eintritt, ist nicht nur bei indu- striellen Anwendungen von groRem Interesse, sondern vor allem auch bei vielen experimentellen Untersuchungen im LabormaRstab. Der WandeinfluB des SedimentationsgefaRes auf die stationare Sinkgeschwindigkeitspharischer Partikel wird schon seit Jahrhunderten untersucht. Im Jahre 1687entwik- kelte NEWTON [l] fur den turbulenten Stromungsbereich eine theoretische Beziehung fur die Widerstandskraft, die auf einen SedimentierendenKorperineinemGefaJ3 mit endlicher Abmessung wirkt. Fur den laminaren Stromungsbereich war LAD E N B U R G [2] 1907 der erste, der wiederum theoretisch einen funktionellen Zusammenhang zwischen dem Kolonnen- durchmesser und der, gegenuber der Sinkgeschwindigkeit einer Partikel in einem unendlich ausgedehnten Behalter, verminderten Absetzgeschwindigkeit entwickelte. Der EinfluR der Behaltenvande auf die Sedimen- tationsgeschwindigkeit einer Partikel wird im allgemeinen durch das Verhaltnis der stationaren Sinkgeschwindigkeit ut in einem GefalS mit endlichen Abmessungen zu der Sink- geschwindigkeit utx im unendlich ausgedehnten Behalter ausgedriickt. Dieses Geschwindigkeitsverhaltnis nennt man auch Wandfaktor. Man kann sich vorstellen, daJ3 ut einer sphari- schen Partikel in einer zylindrischen Kolonne von der Stro- mungsart abhangig ist, die durch die Reynolds-Zahl Retx beschrieben wird, sowie vom Verhaltnis i. von Partikel- * R. KEHLENBECK, Prof. Ing. R. DI FELICE, IStitUtO di Ingegneria Chimica e di Process0 ,,G.B. Boni- no", Universita degli Studi, via Opera Pia, 15, 16145 Genova, Italien. befindet sich am SchluR des Beitrags. 1) Eine Zusammenstellung der Formelzeichen

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Chemie lngenieur Technik (71) 1+2 I 9 9 5 76-81 D WILEY-VCH Verlag GmbH, 0-69469 Weinheim. 1999

0009-286X/99/0102-0076 $17 50+ 5010

c

U

Formelzeichen t-I Widerstandsbeiwert

[-I "/mI

Tropfendurchmesser Abmessung der Wirbelschichtpartikel Tropfengeschwindigkeit Leerrohrgeschwindigkeit Sinkgeschwindigkeit der groben Parti- kel im mhenden Gas Gas- Weber- Zahl kritische Weber-Zahl modifizierte Gas-Weber-Zahl Laufkoordinate vom Eintrittspunkt in die Wirbelschicht Porositat der Wirbelschicht Oberflachenspannung der Tropfen- flussigkeit Gasdichte Dichte der Wirbelschichtpartikel Abscheidegrad Viskositat der Tropfenflussigkeit

Literatur

Spray Drying, 2. Aufl., John Wiley 81 Sons, New York 1976.

Chem.-1ng.-Tech. 62 (1990) S. 822/834.

Chem.-1ng.-Tech. 59 (1987) S. 112/117. [4] R H E I N H A R D T , A .

Dissertation, ETH Zurich, Nr. 3412, 1964. [5] F A E T H , G. M.; H S I A N G , L . P.; W U . P. K .

Int. J. Multiph. Flow 21. (1996) S. 99/127. [6] LOFFLER, F.

Staubabscheiden, Georg Thieme, Stuttgart, New York 1988.

Scrubber Performance for Particle Collection, AI- ChE Symp. Ser. No. 137, 70, S. 357/364.

VDI Fortschrittsber. Nr. 120, Dusseldorf 1987.

Dissertation, Universitat Karlsruhe 1972.

Vortrag auf der Fachausschunsitzung ,,Agglomera- tions- und Schuttguttechnik, 30. Marz 1998 in Magdeburg.

Fluid-Feststoffstromungen, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York 1982.

[I] M A S T E R S , K .

[2] U H L E M A N N , H .

[3] H E R B E N E R , R.

[7] CALVERT, S. et al.

[8] W I E G A N D , H .

[9] SCHUBERT, H .

[lo] M O R L , L.

[11] M O L E R U S , 0.

Bestimmung der stationaren Sink- geschwindigkeit einer spharischen Partikel in einer zylindrischen Kolonne

R A L F K E H L E N B E C K U N D R E N Z O D I F E L I C E *

1 Problemstellung Die Sedimentation von festen Partikeln spielt bei vielen technischen Prozessen eine wichtige Rolle, wie z. B. beim Eindicken von Suspensionen oder beim Klassifizieren ein- zelner Partikel. Auch der Warme- und Stoffaustausch zwi- schen einem Fluid und festen Partikeln ist abhangig von ih- rer Relativgeschwindigkeit zueinander. Die Kenntnis der Sinkgeschwindigkeit einer einzelnen Partikel ist bei diesen Prozessen von fundamentaler Bedeutung.

Es ist bekannt, daR die stationare Sinkgeschwin- digkeit einer einzelnen Partikel mit geringer werdender Querschnittsflache des SedimentationsgefaRes abnimmt. Fur die Sedimentation einer Partikel mit dem Durchmesser d in einer zylindrischen Kolonne bedeutet dies, daR mit einem groRer werdenden Verhaltnis vom Partikeldurchmes- ser d zum Kolonnendurchmesser D die stationare Sinkge- schwindigkeit abnimmtl). In welchem Ma8 eine Sinkge- schwindigkeitsverringerung eintritt, ist nicht nur bei indu- striellen Anwendungen von groRem Interesse, sondern vor allem auch bei vielen experimentellen Untersuchungen im LabormaRstab.

Der WandeinfluB des SedimentationsgefaRes auf die stationare Sinkgeschwindigkeit spharischer Partikel wird schon seit Jahrhunderten untersucht. Im Jahre 1687 entwik- kelte N E W T O N [l] fur den turbulenten Stromungsbereich eine theoretische Beziehung fur die Widerstandskraft, die auf einen SedimentierendenKorperin einemGefaJ3 mit endlicher Abmessung wirkt. Fur den laminaren Stromungsbereich war L A D E N B U R G [2] 1907 der erste, der wiederum theoretisch einen funktionellen Zusammenhang zwischen dem Kolonnen- durchmesser und der, gegenuber der Sinkgeschwindigkeit einer Partikel in einem unendlich ausgedehnten Behalter, verminderten Absetzgeschwindigkeit entwickelte.

Der EinfluR der Behaltenvande auf die Sedimen- tationsgeschwindigkeit einer Partikel wird im allgemeinen durch das Verhaltnis der stationaren Sinkgeschwindigkeit ut in einem GefalS mit endlichen Abmessungen zu der Sink- geschwindigkeit utx im unendlich ausgedehnten Behalter ausgedriickt. Dieses Geschwindigkeitsverhaltnis nennt man auch Wandfaktor.

Man kann sich vorstellen, daJ3 ut einer sphari- schen Partikel in einer zylindrischen Kolonne von der Stro- mungsart abhangig ist, die durch die Reynolds-Zahl Retx beschrieben wird, sowie vom Verhaltnis i. von Partikel-

* R . K E H L E N B E C K , Prof. Ing. R . DI F E L I C E , IStitUtO di Ingegneria Chimica e di Process0 ,,G.B. Boni- no", Universita degli Studi, via Opera Pia, 15, 16145 Genova, Italien.

befindet sich am SchluR des Beitrags. 1) Eine Zusammenstellung der Formelzeichen

Chemie lngenieur Technik (71) 1+2 I 9 9 I P a r t i k e l I 77

zum Behalterdurchmesser, welches hier abgekurzt wird mit i, = d / D . Damit ergibt sich fur den Wandfaktor

5 = f(Re,,.ii Ut x

mit

Fur den Wandfaktor muR als Randbedingung gel- ten, daR bei i = 0 die Sinkgeschwindigkeit U, gleich der sta- tionaren Sinkgeschwindigkeit utx im unendlich ausgedehn- ten GefaB ist. Hingegen mu8 U, fur i, = 1 einen Wert von Null annehmen.

Aus den in der Literatur zu findenden experimen- tellen Untersuchungsergebnissen 1aRt sich folgern, daR der WandeinfluB auf die Absetzgeschwindigkeit einer Partikel mit steigender Reynolds-Zahl abnimmt. Weiterhin hat es den Anschein, daR der Wandfaktor sowohl im laminaren als auch im turbulenten Stromungsbereich unabhangig von der Reynolds-Zahl Retx ist.

Fur den laminaren Stromungsbereich werden bisher die in der Literatur zu findenden experimentellen Werte fur den Wandfaktor von der von F R A N C I S [3] im Jahre 1933 vorgeschlagenen Gleichung

(3)

am besten angepaRt. Fur den turbulenten Stromungsbereich 1st die von N E W T O N [l] vorgeschlagene Gleichung

die bisher wohl am haufigsten angewandte. Die veroffentlichten experimentellen Daten fur

den WandeinfluB auf die Sinkgeschwindigkeit einer Partikel im mittleren Reynolds-Zahlenbereich sind sehr sparlich und vorwiegend auf die experimentellen Untersuchungen von F I D L E R IS und W H I T M 0 RE [4] zuruckzufuhren. Diese unter- suchten den WandeinfluB in einem Bereich von 0.05 5 ;. 5 0,6 fur Reynolds-Zahlen Retx von 0,Ol bis 10 000. Allerdings haben F I D L E R I S und W H I T M 0 RE ihre experi- mentellen Werte fur den Wandfaktor nur graphisch wieder- gegeben und keinen Vorschlag zum Berechnen von ut /u tX im mittleren Reynolds-Zahlenbereich angegeben.

Ein Versuch, den WandeinfluR auf die stationare Sinkgeschwindigkeit einer Partikel fur den ganzen Stro- mungsbereich zu berechnen, wurde von DI F E L I C E [5] ange- geben. Ausgehend von semi-theoretischen Uberlegungen enhvickelte er die Beziehung

U t x 1 - 0,33 ;. (5)

Der Exponent a in G1. (5) ist eine Funktion der Rey- nolds-Zahl Re,, einer Partikel, die in einem unendlich aus- gedehnten Behalter sedimentiert und bestimmt wird durch

0,33 - 2 z - 0,85 -- - 0,l Re,,

In Abb. 1 sind die berechneten Werte fur den Wandfaktor nach GI. (3) von F R A N C I S , GI. (4) von N E W T O N

und G1. (5) von D I F E L I C E vergleichend dargestellt. Es wird deutlich, daR fur den laminaren Stromungsbereich die vor- geschlagene Beziehung von D I F E L I C E und die von F R A N C I S

fast identische Werte liefern. Auch die berechneten Werte nach den vorgeschlagenen Beziehungen von D I F E LI c E und N E W T O N ergeben ahnliche Resultate. Aufgrund der wenigen veroffentlichten Daten fur den Wandfaktor im mittleren Reynolds-Zahlenbereich konnte hier nur eine partielle An- passung der Beziehung von D I F E L I C E stattfinden. Deshalb wurde in dieser Arbeit speziell die stationare Sinkgeschwin- digkeit ut einer spharischen Partikel im mittleren Reynolds- Zahlenbereich untersucht.

2 Experimente Fur die experimentellen Untersuchungen standen insge- samt sieben verschiedene zylindrische Kolonnen zur Verfu- gung, deren geometrische Abmessungen in Tab. 1 zusam- mengefal3t sind.

Des weiteren wurden insgesamt zwolf verschie- dene Arten spharischer Partikel verwendet, deren Durch- messer und Dichte in Tab. 2 zusammengestellt sind. Die To- leranzen der Partikeldurchmesser d lagen bei k0,05 mm.

Als Sedimentationsflussigkeit wurden Zuckerlo- sungen mit einer Massenkonzentration von 41 bzw. 50 % ver- wendet, deren Stoffdaten in [6] zu finden und in Tab. 3 fur eine Temperatur von t = 20 C zusammengestellt sind. Der untersuchte Reynolds-Zahlenbereich lag damit bei 2 5 Re,, 5 185 und das Durchmesserverhaltnis der Partikel d zum Kolonnendurchmesser D konnte in einem Bereich von 0,l 5 ;. 5 0,9 variiert werden.

Die Sinkgeschwindigkeit ut der Partikel ergab sich aus dem Sedimentationsweg h, und der dafur benotigten Se- dimentationszeit r zu

(7 )

Abbildung 1. Vergleich vorgeschlagener Beziehungen zur Berechnung des Wandfa ktors.

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0

h [-I

Chemie lngenieur Technik (71) 1 + 2 I 9 9

Tabelle 1. Geornetrische Abrnessungen der verwendeten Kolonnen.

Durchmesser D 300 40 24 15.5 8 6.3 4.4 2.2 [mml

H o h e h [ m m ] 400 500 500 180 200 300 400 150

Tabelle 2. Eigenschaften der verwendeten Partikel.

Material Durchmesser d [mm] Dichte 11 [g/cm3]

Acetat 3.0; 4.95 1.28 Glas 1.7; 3.0; 6.0 2.50 Zirkoniumoxid 0.7; 1.2; 2.15 3.80

Bronze 0.57 8.70 Derlin 5.0 1.40

Teflon 2.0; 4.7 2,lO

Tabelle 3. Eigenschaften der Zuckerlosungen bei t = 20 "C.

Zucker-Konzentration c Dichte p Viskositat q [%I [kg/m31 [mPa. s]

41 50

1181.66 6.67 1229.65 15.40

Der Sedimentationsweg h, lie8 sich von einer auf der Kolonne angebrachten Zentimeterskala ablesen und die Sedimentationszeit 5 wurde mit einer Stoppuhr gemessen.

Zum Messen der Sinkgeschwindigkeit wurde eine Partikel rnit einer Pinzette zentrisch in der Kolonne plaziert. Die Zeitnahme erfolgte, nachdem die Partikel um eine Di- stanz von ehva 5 bis 10 cm sedimentierte, so daR man davon ausgehen konnte, daR stationare Bedingungen erreicht wur- den. Die Sinkgeschwindigkeit utx der einzelnen Partikel wurde in der Kolonne mit einem Durchmesser von 300 mm gemessen, da bei dieser der WandeinfluR auf die se- dimentierende Partikel zu vernachlassigen war. Jede Mes- sung wurde funf- bis zehnmal wiederholt, und die Reprodu- zierbarkeit der MeBergebnisse lag bei 1 5 % vom Mittelwert.

3 Experimentelle Ergebnisse In Abb. 2 sind typische Versuchsergebnisse des experimen- tell bestimmten Wandfaktors ut/ut, als Funktion des Durch- messerverhaltnisses i fur eine konstante Reynolds-Zahlvon Retx = 20 dargestellt. Diese bestimmten Wandfaktoren wer- den zudem rnit den vorgeschlagenen Berechnungsfunktio- nen von F R A N C I S (3) (laminarer Stromungsbereich), N E W T O N

(4) (turbulenter Stromungsbereich) und D I F E t I C E (5) vergli- chen. Es ergibt sich, daB fur kleine Werte von i die experi- mentellen Resultate am besten mit der von NEWTON vorge- schlagenen Gleichung approximiert werden. Fur groRe Wer- te von i nahern sich die MeBergebnisse immer mehr den be- rechneten Werten nach FRANC IS an. Nach den von D I F E t I C E

vorgeschlagenen Berechnungsgleichungen ergeben sich fur kleine Werte von i zu kleine und fur groRe Werte von 1 zu groBe Wandfaktoren.

Abbildung 2. Vergleich experirnenteller Ergebnisse rnit vorgeschlagenen Berechnungsrnethoden fur Re,, = 20.

1 .o

0.8

0.6

3 a

a 0.4 \ -

0.2

0.0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0

1 1-1

Es wird deutlich, daR keine der bestehenden Be- rechungsmethoden die MeRergebnisse von ut/utx uber den gesamten Reynolds-Zahlenbereich und fur den gesamten Bereich von i zufriedenstellend wiedergibt. Aus diesem Grund wurde nach einer neuen empirischen Beziehung ge- sucht, rnit der die experimentellen Daten approximiert wer- den konnen.

4 Aufstellen einer neuen Berech- nungsmethode

Aufgrund der durchgefuhrten Versuche hat es sich heraus- gestellt, daR fur konstante Reynolds-Zahlen die Wandfakto- ren ut/ut, iiber den Bereich von 0 < i, < 1 einer Kurve mit einem S-Profil folgen. Ein solcher Kurvenverlauf kann grundsatzlich mit einer Funktion der Form

angeglichen werden. Mit den Randbedingungen fur i = 0 und i = 1 ergibt sich aus G1. (8)

(9)

Somit ist der Wandfaktor nur von den beiden Pa- rametern ;,, und p abhangig.

Mit einem Optimierungsverfahren wurde G1. (9) an die experimentellen Versuchsergebnisse angepagt. Da- bei wurden die eigenen MeRwerte durch Ergebnisse von F I D L E R I s und w H I TM 0 R E [4] erganzt. Des weiteren erfolgte eine Anpassung von G1. (9) an den laminaren Stromungsbe- reich mit MeRwertenvon FRANCIS [3], F l D t E R l S et al. [4] und M C N 0 w N [7] sowie fur den extrem turbulenten Stromungsbe- reich mit den Daten von F l D t E R l S et al. [4], UHLHERR et al. [8] und BARR [9].

Chemie lngenieur Technik (71) l c 2 I 9 9 P a r t i k e l 79

4.1 Anpassen der Parameter

Es hat sich herausgestellt, daR beide Parameter i., und p in G1. (9) abhangig sind von der Reynolds-Zahl Re,, . In einem Anpassungsverfahren wurden beide Parameter i,, und p rnit empirischen Funktionen angeglichen. Die beste Approxi- mation der experimentellen Werte ergab sich fur

2.0 - 0,283 = 0,041 1,2 - i,, 1,

Die aus dem Optimiemngsverfahren erhaltenen Werte fur i,, sind in Abb.3 mit den berechneten Werten nach G1. (10) dargestellt.

Fur den Exponenten p konnte keine einfache em- pirische Funktion gefunden werden, die die MeBergebnisse uber den gesamten Bereich von i beschreibt. Aus diesem Grund wurde fur p eine Approximation fur zwei Bereiche vorgenommen:

- Re,, i 35 :

In dem Reynolds-Zahlen Bereich Re,, 5 35 ergab sich die beste Anpassung fur

p = 1,44 + 0,5466 (11)

- Re,, > 35 :

Fur den Bereich Retx > 35 konnten die MeBer- gebnisse am besten approximiert werden mit

p = 2,3 A 37,3 (12)

Die aus dem Optimierungsverfahren erhaltenen und gem813 G1. (11) bzw (12) berechneten Werte fur p sind in Abb. 4 zusammenfassend abgebildet.

Weil fur den Exponenten p keine stetige Funktion gefunden werden konnte, wurde in einem zweiten Anpas- sungsverfahren angenommen, daR der EinfluB von p auf den Verlauf der nach G1. (9) berechneten Kurve gering ist und damit als konstant angenommen werden kann. Da die bestehenden Gleichungen zur Berechnung des Wandfaktors fur sehr kleine und sehr groBe Reynolds-Zahlen bereits ex-

Abbildung 3. Parameter 1, als Funktion der Reynolds-Zahl Re,,.

0.8 T Y

0

n: 0.6 1 94 I 0.4 .t- fJ.' 0.2 ai

1E-3 1E-2 1E-1 IE+O 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4

Re,, (-1

Abbildung 4. Parameter p als Funktion der Reynolds-Zahl Re,,.

5.0

4.0

T

P - 3.0

2.0

1 .o TTlllllll I 1 1 ~ 1 1 1 1 1 1 ( I11111111 I IlnylnT

perimentell bestatigt sind, wurde ein Wert von p angenom- men, der zwischen den erhaltenen Werten aus dem Optimie- rungsverfahren im laminaren bzw turbulenten Stromungs- bereich lag mit

p = 2.2 = const. (13)

Mit diesem Wert fur p 1st dann eine erneute Opti- mierungsprozedur fur den Parameter i,, durchgefuhrt wor- den. Prinzipiell ergab sich der gleiche Verlauf von i., als Funktion von Retx. Er sol1 aus diesem Grund nicht nochmals hier wiedergegeben werden. Die erhaltenen Werte konnen mit der Funktion

i.0 - 0 27 A = 0,05 1.2 - i.,

angeglichen werden. Wie zu erkennen ist, unterscheidet sich G1. (14) von der zuvor angegebenen Berechnungsglei- chung (10) fur ;., nur geringfugig.

Einige ausgesuchte experimentelle Ergebnisse, die durch Daten von F I D L E R I S und W H I T M 0 R E [4] erganzt wur- den, sind in Abb. 5 fur eine konstante Reynolds-Zahl von Re,, = 10 bm. in Abb.6 fur Retx = 90 im Vergleich rnit den neuen vorgeschlagenen Berechnungsgleichungen dar- gestellt. Es ist zu erkennen, daB fur beide Berechnungsme- thoden eine exzellente Ubereinstimmung zwischen Berech- nung und Messung erreicht wird.

In Abb. 7 sind einige experimentelle Werte fur den Wandfaktor als Funktion des Durchmesserverhaltnisses fur Retx = 0.01 mit den Daten von M C N O W N [7] , F l D L E R l S und W H I T M O R E [4] und FRANCIS [ S ] und fur Retx 2 10000 mit

[8] und BARR [9] verglichen. Es wird deutlich, daJ3 auch fur diese extremen Reynolds-Zahlenbereiche fur den gesamten Bereich von i. sehr gute Ubereinstimmungen zwischen Mes- sung und Rechnung erzielt werden.

In Abb. 8 sind alle in dieser Arbeit experimentell bestimmten Wandfaktoren den nach GI. (9) bis (12) berech- neten Werten von ut/utx gegenubergestellt. Dabei sind

den Daten VOn F lDLERlS und W H I T M O R E [4], UHLHERR et al.

80 Chernie lngenieur Technik (71) 1 + 2 I 9 9

Abbildung 5. Wandfaktor ut/ut, als Funktion des Durchmesserverhaltnis- ses 1 fur Retx = la

+ neue MeRwerte

0 Fidlens et al.

__ GI. (9) bis (12)

GI. (9). (13), (14) _ _ _ _

\, , o.21 , I

'. . 0.0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 .o h [-I

kleine Geschwindigkeitsverhaltnisse gleichbedeutend mit grol3en Werten des Durchmesserverhaltnisses i, und umge- kehrt.

Es wird deutlich, dalS die experimentell bestimm- ten und die berechneten Werte fur den Wandfaktor uber den gesamten Bereich von i sehr gut ubereinstimmen.

In Abb. 9 sind die experimentell bestimmten und die mit der vereinfachten Berechnungsmethode gemaR G1. (9) und i,, nach G1. (14) sowie p = 2.2 = const berechneten Wandfaktoren ut/utX vergleichend dargestellt.

Auch mit dieser vereinfachten Berechnungsme- thode ergeben sich immer noch gute Ubereinstimmungen zwischen Rechnung und Messung. Es wird allerdings deut- lich, daR fur grolSe Wandfaktoren bzw. kleine Durchmesser-

Abbildung 6. Wandfaktor ut/utX als Funktion des Durchmesserverhaltnis- ses 1 fur Retx = 90.

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 .o 1-1

Abbildung 7. Experimentelle Daten aus der Literatur fur ut/ut, als Funk- tion von rl fur Retx = 0.01 und Retx = 10000.

1.0.

0.8.

0.6. Y

p: a z - 3 0.4.

0.2

0.0

1 Francis

~ GI (9) bis(12)

0 0 02 0 4 0 6 08 1 0

h [-I

verhaltnisse durchschnittlich hohere Werte und fur groBe i, kleinere Werte fur u t / u t x berechnet als gemessen werden.

5 SchluBfolgerung Auf der Basis von uber 100 Experimenten in einem Rey- nolds-Zahlenbereich von 2 5 Re,, 5 185 und einem Durch- messerverhaltnis von 2 5 0,9 sind zwei neue Berechnungs- methoden zum Bestimmen des Wandfaktors ut /u tx entwik- kelt worden. Mit diesen aufgestellten Gleichungen werden nicht nur die eigenen MeRwerte von u,/u,, hervorragend wiedergegeben, sondern auch experimentelle MeBergeb- nisse diverser Autoren fur den laminaren und turbulenten Stromungsbereich. Es zeigt sich, daB fur diese neuen Be-

Abbildung 8. Vergleich der experimentell bestimmten Werte von ut/ut, mit den nach Gln. (9) bis (12) berechneten Werten.

1 .o

0.8 7

Q) 2 0.6 0

al

Y

*

g! n 3 0.4 3 z

+ 0.0 I I ) I ) I I

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

u ,/ u to experimentell [-I

Chemie lngenieur Technik (71) 5 81 -86 0009-286X/99/0102-0081 117 50c 5010

1+2 I 9 9 WILEY-VCH Verlag GmbH. D-69469 Weinhelm, 1999 I S t r a h l a a u l o r n e r a t i o n I 81

Abbildung 9. Literatur Vergleich der experimentell bestimmten Werte von ut/ut, mit den nach Gln. (9). (14) und (13) berechneten Werten. [I] NEWTON, I.

Princiuia. Lib. 11, ProD. XXXIX. Theor. XXXI. Cam-

0 0 0 2 0.4 06 0.8 1.0

u t / u tm experimentell [-I

bridge-University Press, Cambridge 1687.

Ann. der Phys. 23 (1907) 4, S . 447/458.

Physics4 (1933) 11, S. 403/406. FIOLERIS. V.; WHITMORE, R . L . Brit. J. Appl. Phys. 12 (1961) 9, S. 490/494.

Int. J. Multiphase Flow 22 (1996) 3, S . 527/533. BUBNiK. Z. ; KADLEC, P.; URBAN, D.; BRUHNS, M. Dr. A. Bartens Verlag, Berlin 1995. MCNOWN. J . S.; LEE, N. 1.; MCPHERSON, M . B.; ENGER, S. M . Proc. 7th Intern. Cong. Appl. Mech., London 1948, S. 17. UHLHERR. P. H . T.; CHHABRA, R . P. Can. J. Chem. Eng. 73 (1995) 12, S . 918/923.

A Monograph of Viscosimetry, University Press, Oxford 1931

[2] LADENBURG, R .

[3]

[4]

[5] D I FELICE, R .

FRANCIS, A . W.; LITTLE, A. D.

[6]

[7]

[8]

191 BARR, G.

rechnungsgleichungen keine Einschrankungen gemacht werden mussen, weder fur den Stromungsbereich noch -

Strahlagglomeration - Teil 1 : Herstellung redispergierbarer Agglo-

fur das Verhaltnis von Partikel- zu Kolonnendurchmesser. Es hat sich herausgestellt, daR mit der ersten vor-

gestellten Berechnungsmethode, bei der beide Anpassungs- parameter i., und p als Funktion der Reynolds-Zahl Retx merate durch Strahlagglomeration* ausgedriickt werden, fur den Wandfaktor u t / u t x die besten Ubereinstimmungen zwischen Messung und Rechnung er- F A A

zielt werden. Mit der vereinfachten Berechnungsmethode, bei der ;., wiedemm cine Re,, mit Herrn Professor Dr.-lng. H E L M A R SCHUBERT zum 60. Geburtstag

einem Wert von 2.2 konstant ist, sind leichte Abstriche in

der Genauigkeit zu machen. Allerdings wurde gezeigt, daR 1 Problemstellung - Rechnung und Messung auch mit den vereinfachten Be- rechnungsgleichungen immer noch gut ubereinstimmen.

In vielen Industriezweigen, so auch in der Lebensmittelver- arbeitung, hat sich seit langem die Agglomeration als Me-

Eingegangen am 23. April 1998 [K 24111

Formelzeichen Anpassungsparameter Partikeldurchmesser Kolonnendurchmesser Sedimentationsweg Reynolds-Zahl Temperatur Geschwindigkeit dynamische Viskositat Durchmesserverhaltnis Fluiddichte Sedimentationszeit

I n d i c e s P Anpassungsparameter t Index fur stationaren Zustand 3.

3c unendlich ausgedehnter Behalter Exponent von D I FELICE

thode zur Verbesserung bestimmter Eigenschaften disper- ser Feststoffsysteme bewahrt. Durch Agglomeration werden feindisperse Partikel zu groReren zusammengefugt, die als Schuttgut besser handhabbar sind und uber definierte Ei- genschaften verfugen. Agglomerationsverfahren werden angewandt. wenn der feindisperse Zustand des Feststoffs - verursacht durch seinen HerstellungsprozeB oder erfor- derlich fur seine spatere Weiterverarbeitung - voruberge- hend aufgehoben werden soll. Dazu zahlen auch Anwen- dungen, bei denen staubformige Produktionsruckstande erst mit Hilfe der PartikelvergroBerung einer Weiterverar- beitung zuganglich gemacht werden.

Die erforderliche Festigkeit der Bindungen zwi- schen den Primarpartikeln eines Agglomerats richtet sich nach dessen weiterem Venvendungszweck. Eigenschaften

* Vortrag von s. H O G E K A M P anlaRlich der GVC- Jahrestagung, 25./27. Sept. 1996 in Dortmund. * * Dr.-Ing- s. H O G E K A M P , Institut fur Lebensmit- telverfahrenstechnik, Universitat Karlsruhe (TH), KaiserstraRe 12, D-76131 Karlsruhe.