Untersuchung des Einflusses der Strömungsverhältnisse auf den Wärmeübergang in Rührreaktoren mit Rohrschlangeneinbauten mittels Particle Image Velocimetry und Laser Induced Fluorescence
Im Rahmen der Arbeit wurden die Strömungsverhältnisse, Mischzeit- und Wärmeübergangscharakteristiken in einem Rührreaktor mit helikalen Rohrschlangeneinbauten untersucht. Dazu wurde im Vorfeld in Anlehnung an gängige Auslegungsvorschriften ein Labor-Reaktormodell entwickelt und als brechungs-indexangepasstes System konstruiert. Für die Untersuchung wurden fünf Standard-Rührertypen eingesetzt sowie die Drehfrequenz im Bereich für Re = 5.000 bis 20.000 variiert.
Bei den Strömungsfelduntersuchungen wurden die gemittelten Strömungsgeschwindigkeiten, die turbulente kinetische Energie und die lokale Energiedissipation ε im Vertikalschnitt des Reaktors experimentell mit Particle Image Velocimetry Messungen sowie durch Computational Fluid Dynamics Simulationen bestimmt und miteinander verglichen. Durch die Normierung der Geschwindigkeitsdaten über die Rührerumfangsgeschwindigkeit konnte eine hohe Übereinstimmung der örtlichen Profile, unabhängig von der Drehfrequenz, erreicht werden. Weiterhin zeigt sich beim 6 Blattscheibenrührer eine deutliche Änderung des Strömungsbildes am Punkt Re = 10.000, wo eine bessere Durchströmung der Rohrschlangen eintrat.
Die Mischzeituntersuchungen mittels Laser Induced Fluorescence zeigen allgemein höhere Mischzeiten (+10 %) gegenüber Behältern ohne Rohrschlangeneinbauten bei zentrischer Zugabe. Bei exzentrischer Zugabe im Ringspalt nehmen die Mischzeiten um bis zu 40 % zu, wobei axial-fördernde Rührer am stärksten betroffen sind. Wärmeübergangsmessungen von den Rohrschlangen zeigten, dass der gesamte Wärmestrom bereits nach einem kurzen Anteil der Gesamtrohrlänge vollständig übertragen wird. Durch Auswertung des örtlichen Temperaturverlaufes wurde die relevante Wärmeaustauschzone (RWAZ) eingeführt, mit der die Wärmeübergangscharakteristiken für die jeweiligen Rührer bestimmt werden konnten. Für das Erreichen eines optimalen Wärmeüberganges haben sich Blatt- und Impellerrührer als am besten geeignet herausgestellt. Im Hinblick auf komplexere Rühraufgaben sind jedoch 6 Blattscheiben- oder Schrägblattrührer vorzuziehen. Die Rohrschlangeneinbauten stellen generell ein merkliches Hindernis für das Strömungsbild dar, insbesondere das obere Drittel des Reaktors wird deutlicher schlechter durchmischt.
In this thesis, the flow conditions, mixing times and heat transfer characteristics in stirred vessels equipped with helical coils were investigated. For this purpose a laboratory vessel model following common design rules was developed and constructed as a refractive index matched system. For the investigation five basic stirrers were used as well as the rotational frequency varied in the range of Re = 5,000 to 20,000.
For the flow field investigations, the average velocity, the turbulent kinetic energy and the local energy dissipation in the vertical plane of the reactor was determined experimentally by Particle Image Velocimetry measurements and compared with Computational Fluid Dynamics simulations. By normalizing the velocity field data with the stirrer tip velocity a high correlation of local profiles, independent of the rotational frequency, was achieved. It was also found that the Rushton Turbine Impeller shows a significant change in the flow pattern at Re = 10,000 where a better flow through the coils occurred.
The mixing time studies by Laser Induced Fluorescence generally show higher mixing times (+10%) compared to vessels without helical coils at centric addition nearby the stirrer shaft. For eccentric addition in the annular gap, the mixing times increased by up to 40% for axial pumping stirrers. Heat transfer measurements from the coils showed that the complete amount of heat is fully transferred after a short part of the total tube length. Therefore, a relevant heat exchange zone was introduced by evaluating the local temperature profile, with that the heat transfer characteristics could be determined for different stirrers.
To achieve an optimal heat transfer the flat blade impeller and retreat curves impeller have been found to be most effective. Inserts of helical coils generally represent a considerable disturbance to the flow pattern, in particular to the upper third of the reactor which is significantly less mixed.
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