Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Experimentelle und numerische Untersuchung eines kontinuierlich durchströmten Rotor-Stator-Mischsystems für Newtonsche und nicht-Newtonsche, mischbare hochviskose Stoffsysteme

Von der kunstoff- bis hin zur lebensmittelverarbeitenden Industrie ist das Mischen hochviskoser Medien ein häufig qualitätsentscheidender Verfahrensschritt. Zur Lösung der Mischaufgabe werden im industriellen Maßstab vielfach Rotor-Stator-Mischsysteme eingesetzt. Im Hinblick auf die gewünschten Produkteigenschaften der zu mischenden Komponenten sind sowohl Schergeschwindigkeit als auch Leistungseintrag nicht beliebig wählbar. Insbesondere für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) mit kleinen eigenen Forschungsabteilungen ist dies herausfordernd, da universell anwendbare Auslegungskritereien bzw. Gesetzmäßigkeiten zur Beschreibung des komplexen Qualitätsbegriffes nicht vorliegen. Bei neuen Mischaufgaben sind daher empirische Messungen zur Ermittlung der optimalen Betriebsparameter und Mischergeometrie erforderlich.

Durch Anwendung experimenteller und numerischer Methoden sollen universelle Auslegungskriterien für Rotor-Stator-Systeme, insbesondere auch bei nicht-Newtonschen Stoffsystemen und komplexen Rotor-Stator-Geometrien, gewonnen werden. Neben der Anwendung der Computational Fluid Dynamics (CFD) werden multivariante Analysen experimenteller Daten zur Identifikation der Schlüsseleinflussfaktoren eingesetzt. Durch die flexible Gestaltung des CFD-Modells ist ein Einsatz als Auslegungstoolbox möglich.

Hierfür werden verlässliche ortsaufgelöste experimentelle Daten im Viskositätsbereich bis 100 Pas benötigt, die in der frei zugänglichen wissenschaftlichen Literatur nicht in ausreichendem Maße verfügbar sind. Daher soll die Mischgüte auf molekularer Ebene mit der Villermaux-Duschman-Reaktion quantitativ ermittelt werden. Darüber hinaus werden das Verweilzeitverteilungsverhalten und die Temperatur ortsaufgelöst gemessen.

Die im Projekt generierten universellen Auslegungskriterien erlauben KMU neue Produkte schneller am Markt zu platzieren, vereinfachen den Eintritt in neue Märkte verbessern die Wettbewerbsfähigkeit und Innovationskraft.

Ergebniszusammenfassung:

Wie im Projektantrag vorgesehen, wurde ein neuer numerischer Ansatz entwickelt, um die klassischen CFD-Methoden zu ersetzen, die bei der Simulation von Mischungsprozessen anfällig für eine Überschätzung der vorhergesagten Mischgüte sind. Die neue Methode nutzt Lagrangesche Partikel als Tracer und die Immersed Boundary-Methode, um die Interaktion zwischen Festkörpern (Rotor und Stator) und Fluid zu berücksichtigen. Mit dieser Methode kann der Mischvorgang einer Vielzahl von Materialien, von niedrigviskosen bis hochviskosen, von Newtonschen Flüssigkeiten bis hin zu verschiedenen nicht-Newtonschen Flüssigkeiten simuliert und die Leistung des Mischers hinsichtlich des Energieverbrauchs (Drehmoment und Druckabfall) sowie der Verweilzeit ermittelt werden.

Bei den experimentellen Arbeiten wurde neben der Makro- auch die Mikromischeffizienz des Rotor-Stator Mischers untersucht. Hierbei wurde im Mischer ein hoher Grad an Rückvermischung festgestellt, der mit zunehmender Viskosität und steigendem Gesamtvolumenstrom sowie sinkender Rotordrehzahl abnahm. Es zeigte sich eine hohe Abhängigkeit der Mikromischeffizienz von den unterschiedlichen Betriebsparametern. Neben einem Newtonschen System wurde zusätzlich ein System mit nicht-Newtonschen Eigenschaften verwendet.

Die Arbeit beider Forschungseinrichtungen führte zur Ableitung einer Reihe von empirischen Gleichungen, die sowohl bei der Konzeption von Rotor-Stator-Mischern als auch bei der Inbetriebnahme eines Mischers verwendet werden können, da sie die Leistung des Mischers in verschiedenen Aspekten anhand dimensionsloser Zahlen aufzeigen.