Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Dispergier- und Koaleszierphänomene in Zentrifugalpumpen

Im Rahmen der ProcessNet-Initiative „Wanted Technologies“ fand im November 2014 ein Workshop bei der DECHEMA in Frankfurt statt. Im Kreise von Vertretern namhafter Firmen der chemischen Industrie, Apparatebauern von Extraktionsausrüstungen sowie Hochschulen wurde der Forschungsbedarf für spezielle Fragestellungen aus dem Gebiet der flüssig-flüssig Extraktion diskutiert. Als ein Schwerpunkt wurde das Verhalten von flüssig-flüssig Dispersionen in Zentrifugalpumpen, statischen Mischern, und deren Kombination, identifiziert.

Zentrifugalpumpen sind in der Lage Dispersionen aus kohärenten Phasen zu erzeugen bzw. den Dispersionsgrad einer flüssig-flüssig Dispersion zu erhöhen, Dispersionen in kohärente Phasen zu trennen bzw. den Dispersionsgrad einer Dispersion zu verringern. Als Einflussparameter können sowohl Apparategeometrien als auch Betriebsparameter der Zentrifugalpumpe und die chemisch-physikalischen Eigenschaften der Stoffsysteme identifiziert werden. Mit diesem Forschungsvorhaben werden Phänomene Dispersionswirkung und -trennung für Zentrifugalpumpen systematisch wissenschaftlich untersucht. Es werden Korrelationen und Heuristiken zur Vorhersage der bislang nicht vorhersagbaren Betriebsfenster erstellt. Eine Identifizierung von Einzel- oder Synergieeffekten genannter Parameter auf auftretende Phänomene wird quantifiziert. Eine Dispersionswirkung als auch -trennung mittels Zentrifugalpumpe kann am Ende des Projektes gezielt und effizient genutzt oder verhindert werden.

Es wird eine höhere Wettbewerbsfähigkeit von KMU mit Anknüpfungspunkten an die Prozessindustrie geschaffen. Die Stellung von KMU wird auf dem Weltmarkt gesichert und erweitert. Insgesamt führt das Projekt zu einer Stärkung der Marktposition, Erhöhung des Spezialisierungsgrades und Entwicklung von Expertise bei KMU.

Ergebniszusammenfassung:

Im Projekt DisKoPump wurde die Dispergierwirkung von Zentrifugalpumpen experimentell und modellbasiert in

Abhängigkeit von Stoffsystem-, Geometrie- und Betriebsparametern untersucht. Es wurde ein geeigneter

Versuchsstand aufgebaut um die lokale und integrale Fluiddynamik sowie der integrale Stofftransport in

Zentrifugalpumpen zu untersuchen. Bei der experimentellen Untersuchung wurden die Einflussgrößen:

Laufraddurchmesser, Drehzahl, Volumenströme, Dispersphasenanteil, Dispergierrichtung und Stoffsystem

systematisch variiert. Die Dispergierwirkung wurden anhand der resultierenden Sauterdurchmesser und

Tropfengrößenverteilungen am Auslassstutzen der Pumpe charakterisiert.

Die experimentelle Untersuchungen zur lokalen Fluiddynamik zeigen, dass der Tropfenaufbruch vor allem an der

Vorderkante des Laufrads stattfindet. Die experimentell Untersuchungen zur integralen Fluiddynamik zeigen

inwiefern die untersuchten Einflussgrößen den Sauterdurchmesser und die Tropfengrößenverteilung beeinflussen.

Hinsichtlich der Tropfengrößenverteilung zeigen die experimentellen Untersuchungen eine Log-Normal-Verteilung

im untersuchten Bereich. Die Untersuchungen zum Stofftransport haben gezeigt, dass die Zentrifugalpumpe als

Extraktor eingesetzt werden kann.

Es wurden zwei Modellierungsmethoden für die Ermittlung der Tropfengrößenverteilung einer

Flüssig-flüssig-Dispersion am Druckstutzen der Zentrifugalpumpe entwickelt. Einer der Ansätze basiert auf einer

Weber-Zahl-Korrelation. Der zweite Ansatz basiert auf der mittleren Energiedissipationsrate. Die Ansätze wurden

erfolgreich mit Literaturdaten validiert.

Sowohl Pumpenhersteller als auch Anlagenplaner und -betreiber können die im Projekt erarbeiteten experimentell und modellbasierten Ergebnisse und Methoden sowie Erkenntnisse zur Dispergierwirkung von Zentrifugalpumpen,

mit einer Aufrüstung der bestehenden Anlagen oder dem Einsatz von numerischen

Strömungsmechanik-Simulation, direkt nutzen.