VTP - FS 2008

Gruppe 2:

Adrian Gürber

Angela Brändli

Fabian Hobi

Flurin Wieland

[RÜHREN]V4.0 23.APRIL.2008 …Bestimmen der Leistungscharakteristik, Mischzeit, Upscaling einer Suspension mit

unterschiedlich grossen Rührwerken…

Zusammenfassung

Der Leistungseintrag des kleinen Rührwerkes liegt ungefähr bei 40 Watt und der des Grossen 220

Watt. Da beide Rührer überdimensioniert sind, liegen die Messpunkte deutlich über der Kennlinie.

Ausserdem sind die Werte mit Vorsicht zu geniessen, da fast alle Parameter von extremen

Unsicherheiten betroffen sind.

Die Mischzeiten können nicht direkt verglichen werden, da sie nicht bei den gleichen Viskositäten

durchgeführt worden sind. Der Ankerrührer, der als Austauschrührwerk für den kleinen Rührer

verwendet wurde, ist für diesen Versuch (Stärkelösung) ungeeignet.

Aus den genannten Punkten kann über das Scale-Up keine Aussage getroffen werden.

Summary

The energy transfer of the small stirring unit is about 40 Watt and the energy transfer of the big one

is around 220 Watt. Because both stirrers are over dimensioned, the measure points are clearly

above the characteristic curve.

Furthermore, the values had to be seen with attention. Most of the parameters are affected by

enormous insecurities.

The times of interference couldn’t compare together, because they were measured at different

viscosity.

It was found out, that the horseshoe mixer isn’t suited for the small stirrer.

Out of these points a conclusion about the up-scaling couldn’t be made.

Abbildung 1: Leistungscharakteristik des Kleinen und grossen Rührers

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung ................................................................................................................................... 2

Summary ................................................................................................................................................. 2

Inhaltsverzeichnis .................................................................................................................................... 3

1 Einleitung ......................................................................................................................................... 4

2 Theoretischer Teil: ........................................................................................................................... 5

3 Material und Methoden .................................................................................................................. 8

4 Ergebnisse........................................................................................................................................ 9

4.1 Technische Daten .................................................................................................................... 9

4.2 Leistungskennzahl ................................................................................................................... 9

4.3 Mischzeit ............................................................................................................................... 11

5 Diskussion ...................................................................................................................................... 11

6 Literaturverzeichnis ....................................................................................................................... 12

Bilder und Tabellenverzeichniss ............................................................................................................ 13

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1 Einleitung

Ziel des Versuches ist es, die Leistungscharakteristik von zwei unterschiedlich grossen Rührwerken

mit einer Suspension „Stärkelösung“ zu bestimmen.

Unter Leistungscharakteristik versteht man die Rührleistung von einem Rührer. Diese wiederum

steht für die eingetragene mechanische Leistung in das Rührgut. Um die Leistungscharakteristik

graphisch darstellen zu können, muss die Newton – Kennzahl sowie die Reynoldszahl bestimmt

werden. Damit diese jedoch berechnet werden kann, muss die Dichte sowie Viskosität gemessen

werden und der Durchmesser bekannt sein. Die Viskosität wird an Hand eines Viskosimeters

bestimmt.

Um das Upscaling zu überprüfen muss die Mischzeit bestimmt werden. Dies geschieht mit Hilfe eines

Farbstoffes, wobei die Zeit gestoppt wird, bis die Schlieren der zugegebenen Farben verschwunden

sind.

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2 Theoretischer Teil:

Rühren:[1] Ziel des Rührens ist es, Ausgleichs – und Transportvorgänge eines fluiden

Systems zu beschleunigen. Grundsätzlich kann dabei zwischen fünf

verschiedenen Arten (sogenannte Operationen) unterschieden werden:

Homogenisieren (Ausgleichung unterschiedlicher Konzentrationen)

Suspendieren eines Fest – Flüssig – Gemisches

Dispergieren eines Flüssig – Flüssig – Gemisches

Begasung

Wärmeaustausch (zwischen Rührgut und Behälter)

Es ist zu beachten, dass jede dieser Operationen eigene Gesetze hat, welche

in der Verfahrenstechnik zu berücksichtigen sind.

In der Industrie ist es üblich, dass man nicht nur eine dieser Operationen

braucht, sondern die Kombination von zwei oder mehreren. Als Beispiel

hierfür ist die katalytische Hydrierung zu erwähnen.

Weiter ist sind die folgenden Punkte zu beachten:

Dichte und Viskosität des Rührgutes

Druck und Temperatur im Rührkessel

Konzentrationen

Massen

Homogenitätsgrad (bei Ausgleichung von Konzentrations -/

Temperaturunterschieden)

Grössenverteilung der Partikel (bei Suspensionen)

Grössenverteilung von Tropfen / Gasblasen (bei Dispersion)

Wärmemenge, die abgeführt werden muss

Rührer:[1] Im Folgenden sind ausgewählte Rührer aufgelistet, wobei die Einteilung nach

der Strömungsrichtung in Rührernähe vorgenommen wurde:

axial radial tangential

Propellerrührer (Schrägblattrührer) Ankerrührer Schrägblattrührer Scheibenrührer

Tabelle 1: Überblick der verschiedenen Rührertypen

Ein wichtiger Punkt des Rührens ist die Leistungsaufnahme. Der Grund dafür

besteht darin, dass es zu einer Energiedissipation wegen der inneren Reibung

der zu rührenden Substanz kommt. Damit also eine bestimmte Strömung

beibehalten werden kann, muss mittels des Rührer mechanische Energie

zugeführt werden, welche schlussendlich in Wärme umgesetzt wird. Man

spricht hier auch von der Rührleistung (P).

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Bei ähnlichen Rührwerken hängt P von den folgenden Grössen ab:

Rührerdrehzahl (n)

Rührerdurchmesser (d)

Dichte der Rührsubstanz (ρ)

Viskosität der Rührsubstanz (η)

All diese Grössen kann man in der Newton’schen Kennzahl (Ne) und der

Reynolds – Zahl zusammenfassen:

53 dn

PNe

2

Redn

Formel 1: Newton’schen Kennzahl und die Reynoldszahl

Dabei ist Ne=f(Re), wobei dies nur experimentell zu bestimmen ist. Um eine

Auswertung vornehmen zu können, kann man Ne gegen Re auftragen und

man gelangt zu folgendem Diagramm (Abbildung 2).

Abbildung 2: Leistungscharakteristik unterschiedlicher Rührer [3]

Scale – Up: [1], [2] Unter Scale - Up versteht man die Erweiterung vom Labormassstab auf den

Betriebsmassstab (Industrie). Dabei ist es wichtig, dass die geometrischen

Verhältnisse von Rührer und Rührkessel ähnlich sind. Ansonsten kann es zu

unterschiedlichen Reaktionsverläufen führen. Ebenfalls ist zu beachten, dass

dasselbe Rührgut verwendet wird.

Weiter muss die Strömungsart (turbulent oder laminar), die Rührerdrehzahl,

der spezifische Leistungseintrag, die Mischzeit, die Verweilzeitverteilung, …

gleich sein.

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Mischzeit: [3] Die Mischzeit ist ein wichtiges Kriterium für die Wirksamkeit eines Rührers.

Unter Mischen versteht man die Gleichverteilung der Komponenten nach

einer bestimmten Zeit.

Die Mischzeit hängt ab von:

Rührerart

Rührerdrehzahl

Es gilt folgendes Gesetz C = n · t

C (Durchmischungszahl) ist eine dimensionslose Kennzahl, welche von Re

abhängig ist.

Es gibt folgende Möglichkeiten, die Mischzeit visuell zu bestimmen:

Sondenmethode, d.h. elektrochemisch oder physikalisch

Schlierenmethode, d.h. mittels einem Farbstoff

Chemische Methoden, d.h. mittels Farbumschlag resp. Entfärbung

Die Mischzeit ist kürzer, je schneller der Rührer umwälzt und je grösser der

Förderstrom ist

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3 Material und Methoden

Versuchsmaterial Folgende Geräte und Materialien finden bei diesem Versuch Verwendung:

PC (Alborn Datalogger)

Kleines Laborrührwerk mit Drehzahlmessung (2 l)

Grosses Laborrührwerk (40 l)

Strommessgeräte

Brookfield Viskosimeter

Rührbehälter

Rührorgane (2 Blattrüher & 1 Ankerrührer)

Verdickungsmittel (Stärke)

Lebensmittelfarbe

Stoppuhr

Versuchsdesign Die Leistungscharakteristik verschiedener (unterschiedlich grosser)

Rührwerke soll bestimmt werden. Dazu werden in erster Linie Viskosität,

Rührdrehzahl und Stromstärke gemessen. Um die Viskosität zu verändern

wird eine Stärkelösung verwendet die mit verschieden Temperaturen gerührt

wird.

Versuchsablauf Als erstes werden die Rührer und Behältnisse ausgemessen, da diese eine

direkte Auswirkung auf die Kennzahlen hat. Anschliessend gibt man die

Stärkelösungen (6-8%) hinzu. Der kleine Rührer fasst 2l und der grosse ca. 40l

Wasser.

Nun schaltet man den PC ein und loggt die Daten. Jetzt lässt man rühren (100

U/min) und nimmt die erste Probe, um die Viskosität mittels Viskosimeter zu

bestimmen. Die anderen Parameter wie Umdrehungen, Stromaufnahme und

Temperatur werden an den jeweiligen Messgeräten / PC abgelesen. Die

Stromstärke beim grossen Rührer kann am Stromzähler berechnet werden,

indem man die Zeit misst, die es für eine Umdrehung braucht (150

Umdrehungen = 1kWh). Gleichzeitig ermittelt man die Mischzeit, indem man

Lebensmittelfarbe zu der gerührten Suspension hinzugibt. Nun wird die Zeit

gemessen, die benötigt wird, bis das Gemisch eine homogene Farbe aufzeigt.

Das Ganze wiederholt man mit unterschiedlichen Temperaturen.

Beim kleinen Rührer: 25°C, 60°C und 70°C (Aufheizen mittels Heizplatte)

Beim Grossen: 50°C, 60°C, 70°C und 80°C (Aufheizen mittels Dampf-

Heizschlange)

Abschliessend wird das Rührorgan vom kleinen Rührer gewechselt. Dazu wird

der Ankerrührer genommen. Bei diesem muss nur die Mischzeit bei einer

Temperatur (hier 60°C) bestimmt werden.

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4 Ergebnisse

4.1 Technische Daten Diese Daten wurden direkt abgemessen. Der Rührerdurchmesser stellt eine relevante Grösser für die

Newton- und Reynoldszahl dar.

Kleiner Rührer Grosser Rührer

Durchmesser [m] 0.07 0.18

Blatthöhe [m] 0.076 0.19

Kesser Durchmesser [m] 0.148 0.38

Füllung [l] 2 40

Tabelle 2: Technische Daten

4.2 Leistungskennzahl Die Ergebnisse sind in folgender Tabelle zusammengefasst:

Kleiner Rührer: Netzspannung = 220 V Mess-punkt Viskosität Umdrehungen Stromstärke Leistung Temperatur

[mPa / s] [U/min] [A] [W] [°C]

1 10 103 0.179 39.38 25 2 163 103 0.179 39.38 63.7 3 962 94 0.179 39.38 74.7

Grosser Rührer: Mess-punkt Viskosität Umdrehungen Stromverbrauch Leistung Temperatur

[mPa / s] [U/min] [1 Umdrehung = s] [W] [°C]

4 8.7 100 109 220.183 50 5 10 100 107 224.299 60 6 75 100 108 222.222 73 7 246 100 108 222.222 80

150 U = 1kWh 1Wh = 3600Ws Dichte: Mess-punkt Temperatur

Gewicht (mit Messzylinder) Dichte Tara Messzylinder:

[°C] [g/100ml] [kg/m3] [g]

1 63.7 206 970 109 2 74.7 207.7 987

Tabelle 3: Daten für die Leistungscharakteristik

Den Leistungsverbrauch für den kleinen Rührer wird aus der Stromstärke und Netzspannung

berechnet. P = A * I

Den Leistungsverbrauch für den Grossen, kann direkt abgelesen werden. Berechnungsbeispiel:

1 Umdrehung = 1kWh / 150U = 3600kWs / 150U = 24 kWs

Dividiert man jetzt durch die benötigte Zeit (in Sekunden) so kommt man auf die Leistung.

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Berechnet man nun die Reynoldszahl Re und die Newton-Kennzahl Ne, so kann eine Aussage über die

Leistungscharakteristik gemacht werden. (Die Dichte wird auf 970 kg/m3 geschätzt).

Kleiner Rührer

Messpunkt Newton-Kennzahl Reynoldszahl

1 4774.8 815.9

2 4774.8 50.0

3 6281.8 7.7

Grosser Rührer

Messpunkt Newton-Kennzahl Reynoldszahl

4 259.5 6020.690

5 264.3 5238.000

6 261.9 698.400

7 261.9 212.927

Tabelle 4: Die beiden Kennzahlen der jeweiligen Rührer

Berechnungsbeispiel für den Messpunkt 1:

2

3

2

3 5 33

5

3

103min 0.07 970

6039.38 min

4774.8 Re 815.9

10 10103min970 0.07

60min

U

kgm

s mP W n d

NePan d Uskg

msm

Formel 2: Berechnungsbeispiele am Messpunkt 1

Die aufgetragenen Daten sieht man im Vergleich zu den anderen Rührern in Abbildung 3

Abbildung 3: Leistungscharakteristik der Rührer im Vergleich zu anderen Typen

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4.3 Mischzeit In der folgenden Tabelle können die verschiedenen Mischzeiten der Rührer verglichen werden. Die

Messresultate der Viskositäten der beiden Versuche weichen aber sehr stark ab. Man beachte, dass

die Einheit der Umdrehungen in Minuten angegeben ist, und bei der Umrechnung berücksichtig wird.

Die Durchmischzahl „C“ kann man in der Tabelle 2 in der Vorschrift nachschlagen.

Kleiner Rührer Umdrehungen

n Viskosität Temperatur Gemessene Zeit

Theoretische Zeit t=C/n

Rührertyp

[U/min] ! [mPa / s] [°C] [s] [s]

103 163 63 31 / 22 10.4 Blattrührer C=18

100 163 60 267 30 Ankerrührer C=50

100 962 72 178 / 182 / 170 10.8 Blattrührer C=18

Grosser Rührer

Umdrehungen Viskosität Temperatur Gemessene Zeit Theoretische Zeit

t=C/n Rührertyp

[U/min] [mPa / s] [°C] [s] [s]

100 8.7 50 11 / 9 /10 10.8 Blattrührer C=18

100 10 63 35 / 25 10.8 Blattrührer C=18

Tabelle 5: Daten der Mischzeit

5 Diskussion

Bei Betrachtung des Diagramms kann man feststellen, dass unsere experimentell bestimmten Werte

deutlich über der Kennlinie des entsprechenden Rührers liegen. Die Abweichung ist vor allem beim

kleinen Rührkessel sehr stark. Den Grund hierfür findet man beim Leistungseintrag. Der Rührer trägt

eine Leistung von 40W ein bei einer Gesamtleistung von rund 220W. Das heisst, dass bloss 18%

Leistung benötigt wird. Somit ist der Rührer überdimensioniert. Ebenfalls kann die Viskosität der

Stärkelösung nicht genau bestimmt werden, da ein Nicht – Newton’sches Verhalten vorliegt. Das

heisst, dass die Schwerkraft Einfluss nimmt.

Zur Mischzeit ist zu sagen, dass man diese nicht bei gleichen Temperaturen messen konnte. Bei dem

kleinen Rührkessel ist der Temperatursensor oben in die Lösung eingetaucht und beim Grossen ist er

unten angebracht. Deshalb wurde zwar bei gleicher angezeigter Temperatur aber nicht bei gleicher

Viskosität die Mischzeit bestimmt. Und diese ist logischerweise von der Viskosität abhängig. Die

Folge davon ist, dass somit auch das Scale – Up schwierig ist. Die Theoretische Mischzeit ist auch

nicht genau bestimmbar, da die Durchmischungszahl nur von der Tabelle in der Vorschrift

entnommen wurde. Doch kann man die Tendenz bestätigen, dass der Ankerrührer eine längere

Mischzeit aufweist als der Blattrührer.

Eine Möglichkeit zur Verbesserung ist, die Drehzahl des Rührers konstant zu halten, damit sich die

Leistung verändert.

In unserem Versuch ist die Leistung konstant geblieben und die Drehzahl ist mit zunehmender

Viskosität gesunken.

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6 Literaturverzeichnis

[1]: J.Raasch, Mischen und Rühren, Vorlesungsskript, Universität Karlsruhe ,1986

[2]: B. Sonnleitner, Scale – Up, Vorlesungsskript, ZHAW, 2007

[3]: Praktikumsanleitung zu Rührerkennlinie

Bilder und Tabellenverzeichniss

Abbildung 1: Leistungscharakteristik des Kleinen und grossen Rührers ................................................. 2

Abbildung 2: Leistungscharakteristik unterschiedlicher Rührer [3] ........................................................ 6

Abbildung 3: Leistungscharakteristik der Rührer im Vergleich zu anderen Typen ............................... 10

Tabelle 1: Überblick der verschiedenen Rührertypen............................................................................. 5

Tabelle 2:Technische Daten .................................................................................................................... 9

Tabelle 3: Daten für die Leistungscharakteristik ..................................................................................... 9

Tabelle 4: Die beiden Kennzahlen der jeweiligen Rührer ..................................................................... 10

Tabelle 5: Daten der Mischzeit .............................................................................................................. 11