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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
[Rühren] 4
VTP A.Gürber, A.Brändli, F. Hobi, F.Wieland
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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VTP A.Gürber, A.Brändli, F. Hobi, F.Wieland
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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VTP A.Gürber, A.Brändli, F. Hobi, F.Wieland
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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VTP A.Gürber, A.Brändli, F. Hobi, F.Wieland
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